• Sprawność efektywna silnika określana jest jako stosunek energii zamienionej na efektywną pracę silnika do ilości energii powstałej podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze.
• Najbardziej obciążonymi cieplnie podzespołami silnika są m.in.: tłok, sworzeń tłokowy, pierścienie tłokowe.
• Największa ilość ciepła jest odprowadzana przez górny pierścień uszczelniający. 
• Zużywanie tłoków jest efektem degradacji materiału w wyniku działania czynników związanych z budową i eksploatacją silnika.
• Obecne konstrukcje układów chłodzenia silnika dążą do wzrostu temperatury mechanizmów silnika.

Energia chemiczna doprowadzona do komory spalania w paliwie i powietrzu tylko częściowo zamieniana jest na pracę użyteczną odbieraną z wału korbowego silnika do napędu kół samochodu. Sprawność efektywna silnika określana jest jako stosunek energii zamienionej na efektywną pracę silnika do ilości energii powstałej podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze. Jest ona odwrotnie proporcjonalna do zużycia paliwa, co oznacza, że im większa sprawność, tym mniejsze zużycie paliwa niezbędne do wykonania tej samej pracy. Podczas chłodzenia silnika dochodzi do przejmowania ciepła od gazu wypełniającego komorę spalania do otaczających go ścianek komory roboczej, a następnie jest realizowane przewodzenia ciepła przez ścianki cylindra. Przenikanie strumienia ciepła od ładunku w silniku do cieczy chłodzącej zależy w dużym stopniu od różnicy temperatur między ścianką cylindra i cieczą chłodzącą. Zmniejszenie tej różnicy w sposób znaczący wpłynie na zredukowanie strumienia ciepła oddawanego przez silnik do płynu chłodzącego, co będzie prowadzić do wzrostu sprawności silnika. Aby zmniejszyć w praktyce tę różnicę temperatur, należy podnieść w sposób znaczący temperaturę cieczy chłodzącej do największej możliwie do zrealizowania wartości definiowanej wytrzymałością i przewodnością cieplną materiału bazowego ścianek cylindra i tłoka. Takie działania są ściśle związane ze zmniejszeniem intensywności chłodzenia silnika. Jednym ze sposobów redukcji strat ciepła jest używanie specjalnych powłok ceramicznych oraz stosowanie dodatkowych kanałów chłodzących w kadłubie, głowicy i tłoku zabezpieczających metalowe części silnika przed wysoką temperaturą. Pozwala to na znaczne zmniejszenie ciepła odprowadzanego przez układ chłodzenia silnika. Podczas analizy obciążeń pochodzących z procesu spalania należy także uwzględnić czynniki warunkujące transport ciepła przez elementy konstrukcyjne silnika do cieczy chłodzącej, czego efektem jest rozbieżność temperaturowa poszczególnych obszarów silnika.

Filigranowa konstrukcja tłoka wykonanego ze stopu aluminium przy wysokich prędkościach obrotowych ma ciężkie zadanie polegające na odprowadzeniu ciepła powstającego przy spalaniu paliwa. Źródło: Raven Media – Maciej Blum

Jakie jest obciążenie cieplne silnika

Najbardziej obciążonymi cieplnie podzespołami silnika są m.in.: tłok, sworzeń tłokowy, pierścienie tłokowe – w szczególności górny pierścień uszczelniający oraz cylinder. Szczególnie istotnym parametrem niezbędnym do oceny szybkości rozprzestrzeniania ciepła i kanałów jego transmisji z tych obszarów jest przyjęcie odpowiednich danych, na przykład wymiarów geometrycznych złożenia TPC, rodzaju zastosowanych materiałów na poszczególne podzespoły, występowania i rodzaju powłok przeciwzużyciowych, rodzaju zastosowanego oleju silnikowego i cieczy chłodzącej, budowy układu chłodzenia oraz konstrukcji kadłuba i głowicy silnika. Dokładność weryfikacji tych zależności wynika z dokładności pomiaru lub teoretycznego wyznaczenia rozkładu temperatury w grupie TPC oraz przyjęciu precyzyjnie ustalonych wartości współczynników przewodności cieplnej materiałów konstrukcyjnych. Są to ogólne warunki niezbędne do ustalenia interakcji pomiędzy obciążeniem cieplnym a przewodnością cieplną materiałów i oddawaniem ciepła przez ograniczoną powierzchnię podzespołów do czynnika chłodzącego.

W tłokowym silniku spalinowym zespołem wymagającym szczególnego smarowania i chłodzenia jest zespół TPC. Podczas pracy silnika denko tłoka styka się bezpośrednio z czynnikiem doprowadzanym do komory spalania. W procesie spalania temperatura czynnika roboczego osiąga wartość ponad 2000°C. Efektem oddziaływania temperatury czynnika roboczego jest wymiana przez przejmowanie. Warunki wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym a denkiem tłoka, a w konsekwencji z resztą podzespołów wykonawczych mechanizmów głównych silnika, ulegają zmianie podczas całego cyklu jego pracy. W suwie dolotu prędkość przepływu czynnika roboczego względem płaszczyzny denka tłoka jest bardzo duża, a temperatura i ciśnienie nieznaczne. Stąd w okresie trwania tego suwu wymiana ciepła jest niewielka. W suwie sprężania prędkość czynnika roboczego ulega zmniejszeniu, ale wzrasta temperatura i ciśnienie, co prowadzi do zwiększenia wymiany ciepła przez konwekcję. W procesie spalania oraz rozprężania wymiana ciepła jest największa i następuje wyłącznie poprzez konwekcję i promieniowanie przy zmiennym składzie chemicznym czynnika roboczego oraz dużej temperaturze i wysokim ciśnieniu.

Jak tłoki narażone są na temperaturę?

Na podstawie tej analizy można stwierdzić, że wymiana ciepła w mechanizmach głównych silnika zmienia się okresowo. Biorąc pod uwagę duże prędkości obrotowe wału korbowego i czas trwania tych okresów – wynikających z czasu trwania poszczególnych suwów pracy silnika, wahania temperatury są nieznaczne. Ponad 80% ciepła doprowadzonego do denka tłoka z czynnika roboczego jest przesyłana do ścianek cylindra przez pierścienie tłokowe i płaszcz tłoka. Powoduje to spadek temperatury tłoka w najbardziej obciążonym okresie jego pracy, czyli na początku suwu rozprężania. Intensywność wymiany ciepła zależy od odległości stref osadzenia pierścieni tłoka od denka tłoka. Największa ilość ciepła jest odprowadzana przez górny pierścień uszczelniający. Wymiana ciepła między tłokiem, pierścieniami a cylindrem następuje poprzez współpracę ich powierzchni z warstwą oleju smarującego. Podczas ruchu tłoka w cylindrze wskutek sił tarcia wydziela się ciepło, które wpływa na wzrost temperatury tłoka, szczególnie w obszarze osadzenia pierścieni tłokowych. Przez dużą powierzchnię tłoka i pierścieni tłokowych współpracujących z cylindrem – przy ich rozdziale filmem olejowym – ekspansji ulega znaczna ilość ciepła. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła oleju jest znacznie mniejsza niż stali stopowych, aluminium i innych materiałów konstrukcyjnych, z których zrobiono te elementy. Konsekwencją tego jest występowanie znaczących różnic temperatur pomiędzy elementami z grupy tłokowo-cylindrowej.

Różnica temperatury pomiędzy współpracującymi powierzchniami (ΔT) i wartość współczynnika przejmowania ciepła przez styk (α_s) stanowią podstawę do wyznaczenia gęstości strumienia wymiany ciepła przez styk powierzchni współpracujących wszystkich par kinematycznych mechanizmów głównych silnika (q_s).

q_s=ΔT·α_s

Wartość współczynnika przejmowania ciepła przez styk α_s zależy od:

• rodzaju materiału, z którego są wykonane współpracujące ze sobą elementy,
• chropowatości powierzchni wynikającej z użytych materiałów i technologii wyrobu części,
• nacisków jednostkowych pierścieni tłokowych i tłoka na gładź cylindra,
• lepkości i jakości oleju wypełniającego mikronierówności współpracujących powierzchni, prowadząc do powstania warunków niezbędnych do zainicjowania tarcia płynnego w całym cyklu pracy silnika.

Pozostała część strumienia ciepła jest oddawana do oleju i powietrza (mgły olejowej) przedmuchiwanego przez skrzynię korbową i chłodzącego wewnętrzną część denka tłoka. Podczas pracy tłoka istotny parametr stanowi chwilowa wartość temperatury powierzchni mechanizmów głównych silnika, mających bezpośredni kontakt z olejem smarującym, tj.: tłoka, pierścieni tłokowych, sworznia tłokowego i ścianek cylindra. Wartość średnia temperatury cylindra oraz temperatura oleju w misce olejowej i ich różnica zależą od prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Wskutek pracy układu smarowania silnika i przejmowania ciepła przez czynnik dochodzi do zmniejszenia oporów tarcia ślizgowego i zredukowania zużycia współpracujących ze sobą części. Istotną kwestią podczas analizy współczynnika przejmowania ciepła przez tłok, pierścienie tłokowe i cylinder jest ustalenie wpływu różnic temperatur oraz wpływu szybkości odprowadzania ciepła na występujące pomiędzy nimi siły tarcia. Przyjmuje się, że największe straty tarcia w silniku spalinowym generują tłok i pierścienie tłokowe (od 40% do 60%). Redukcja strat tarcia występujących w tym węźle wpływa znacząco na zmniejszenie zużycia paliwa.

Z jakich materiałów powinien być zbudowany silnik?

Ścisła zależność występująca pomiędzy przewodnością cieplną materiału a jego rozszerzalnością cieplną, wskazuje na znaczący wpływ tych parametrów na straty tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej. Dużą przewodnością cieplną charakteryzują się stopy aluminium stosowane na tłoki, które podczas intensywnego nagrzania w obszarze pracy silnika pod dużym obciążeniem mogą wpływać na zmianę nominalnych wartości luzów pomiędzy tłokiem a gładzią cylindra. Zmiany lokalnych wartości grubości filmu olejowego, a szczególnie prowadzących do wzrostu nacisków tłoka i pakietu pierścieni tłokowych, powodują wzrost strat tarcia w tych mechanizmach. Zmiany lokalnych wartości temperatur na powierzchni tłoka, a zwłaszcza w obszarze osadzenia pakietu pierścieni tłokowych, wpływają na zmianę lepkości dynamicznej oleju. Spadek lepkości wpływa na ograniczenie strat tarcia, ale w przypadku niewystarczających tolerancji wykonania powierzchni współpracujących, może doprowadzić do znaczącego ograniczenia grubości filmu olejowego i jego zerwania, powodując wystąpienie tarcia mieszanego.

Tłoki silników spalinowych pracują w warunkach cyklicznych zmian temperatury, dlatego też powinny charakteryzować się określonym zespołem właściwości mechanicznych i technologiczno-konstrukcyjnych. Zużywanie tłoków jest efektem degradacji materiału w wyniku działania czynników związanych z budową i eksploatacją silnika. Skłonność do występowania uszkodzeń w mechanizmach głównych silnika wzrasta wraz ze zwiększaniem obciążeń cieplnych tłoków, związanych z podwyższeniem osiągów silników, realizowanych poprzez zwiększenie intensywności doładowania, chłodzenie powietrzem oraz stosowanie więcej niż dwóch zaworów na cylinder, a także z zastosowaniem elektronicznego sterowania. Na podstawie powyższych zależności wnioskuje się, że dobór odpowiednich materiałów bazowych oraz powłok powierzchniowych, stosowanych na powierzchnię boczną tłoka i powierzchnię ślizgową pierścieni tłokowych, jest kluczowy w ocenie możliwości reedukacji strat tarcia. Nieustalony rozkład temperatury na powierzchni mechanizmów głównych silnika wpływa na zmianę nominalnych luzów i lepkość dynamiczną oleju. Z tego względu ścisły dobór tych parametrów jest bardzo ważny. Należy pamiętać, że w celu zachowania trwałości złożenia TPC powinny być zapewnione przez cały okres pracy silnika warunki niezbędne do powstania pomiędzy parami kinematycznymi tarcia płynnego. W praktyce w skrajnych warunkach pracy silnika może dojść do wystąpienia chwilowo tarcia mieszanego, jednakże nie wpływa to znacząco na trwałość tego złożenia. Warto wspomnieć, że obecne konstrukcje układów chłodzenia silnika dążą do wzrostu temperatury mechanizmów silnika. Jest to związane nie tylko z wpływem temperatury na spadek lepkości dynamicznej oleju, a tym samym redukcji strat tarcia, ale także z poprawą sprawności cieplnej silnika. Pod tym względem w celu niedopuszczenia do zmiany luzów w tym złożeniu w wyniku dużych wartości przewodności cieplnej stopów aluminium stosowanych na kadłuby i tłoki, coraz częściej stosuje się tłoki ze stali stopowych. Są one bardziej odporne na przeciążenia cieplne i mechaniczne, nie wykazują zmian wymiarów geometrycznych pod wypływem znacznych przyrostów temperatury, zwłaszcza na początku suwu rozprężania, i charakteryzują się niską chropowatością powierzchni. Takie właściwości materiałowe sprawiają, że nawet w przypadku dużych wartości temperatur denka tłoka i części pierścieniowej, a tym samym gwałtownym spadku lepkości dynamicznej oleju, nie dochodzi do tarcia mieszanego. Precyzyjny dobór materiału, przy uwzględnieniu przewodności cieplnej oraz wymiarów geometrycznych podzespołów, może zapewnić znaczącą redukcję strat tarcia, a tym samym poprawę sprawności mechanicznej silnika i ograniczenie zużycia paliwa.