Tłoki
Tłok ma kształt zbliżony do walca zamkniętego z jednej strony denkiem (rys. 2.3). Podczas pracy silnika największym obciążeniom cieplnym podlega denko tłoka. Najbardziej nagrzewa się środek denka, następnie temperatura obniża się w kierunku jego krawędzi i do dołu, wzdłuż bocznej krawędzi tłoka. W związku z nierównomiernym nagrzewaniem się tłoka, a zatem i nierównomiernym rozszerzaniem się, w stanie zimnym nie może on mieć kształtu regularnego walca. Dlatego też podczas obróbki tłokom nadaje się dość skomplikowany kształt, który zapewnia im, po nagrzaniu się w pracującym silniku, osiągnięcie kształtu możliwie najbardziej zbliżonego do walca. Denka tłoków są zwykle płaskie lub nieco wypukłe.
Poruszając się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze czterosuwowego silnika tłok wykonuje następujące czynności:
uszczelnia przestrzeń roboczą cylindra,
wytwarza podciśnienie i w związku z tym umożliwia napływ świeżego ładunku do cylindra,
przyjmuje i przekazuje na korbowód ciśnienie gazów,
uszczelnia przestrzeń roboczą cylindra.
W związku z zadaniem, jakie spełnia tłok w cylindrze pracującego silnika, jego konstrukcja powinna spełniać następujące warunki:
zapewniać dobre odprowadzanie ciepła od denka tłoka do cylindra kadłuba,
nie dopuszczać do dużej różnicy temperatur na powierzchni tłoka,
odznaczać się odpornością na działanie wysokiej temperatury,
zapewniać szczelne zamknięcie komory spalania,
uniemożliwiać przechylanie się tłoka w cylindrze,
odznaczać się małym współczynnikiem tarcia i małym współczyn-
nikiem rozszerzalności cieplnej, ,
odznaczać się odpornością na korozję i ścieranie,
mieć jak najmniejszy ciężar.
W rzeczywistości nie istnieje taki idealny materiał, który spełniałby wszystkie wymienione wymagania. Dlatego też obecnie tłoki wykonuje się z różnych stopów, których własności możliwie najbardziej zbliżone są do materiału idealnego.
Dawniej tłoki były wykonywane z żeliwa zwykłego lub stopowego. Wadą żeliwa jest jednak dość duży ciężar właściwy i stosunkowo niewielkie przewodnictwo cieplne. Obecnie tłoki wykonuje się ze stopów aluminium o różnym składzie. Stopy aluminium w porównaniu z żeliwem mają takie wady, jak: większy współczynnik rozszerzalności cieplnej, mniejsza wytrzymałość w wysokiej temperaturze, mniejsza twardość i mniejsza odporność na ścieranie. Niewątpliwe jednak zalety, jak mały ciężar właściwy i dobre przewodnictwo cieplne, zadecydowały o powszechnym zastosowaniu stopów aluminium jako materiału na tłoki.
Istnieje kilka metod zapobiegania zbytniemu rozszerzaniu się tłoków wskutek wysokiej temperatury w pracującym silniku. Jedną z takich metod jest ochrona dolnej części tłoka przed nadmiarem ciepła. W tym celu stosuje się przecięcia całkowite lub częściowe bocznej powierzchni tłoka poniżej części uszczelniającej (rys. 2.4). Przecięcia
poziome zmniejszają przekrój przewodzący ciepło, a przecięcie pionowe umożliwia rozszerzanie się tłoka bez zwiększania jego średnicy.
Tłoki o przeciętej całkowicie części prowadzącej (rys. 2.4a) obecnie stosowane są rzadko ze względu na znaczne ich osłabienie wskutek tego przecięcia. W bardzo wysilonych czterosuwowych silnikach o zapłonie elektrycznym są stosowane tłoki nierozcinane.
Inna metoda ograniczenia przepływu ciepła do płaszcza tłoka oraz do pierwszego pierścienia uszczelniającego, który pracuje w najtrudniejszych warunkach, polega na wykonaniu tzw. rowka cieplnego. Rowek cieplny o szerokości od 1,5 do 2,0 mm nacina się powyżej pierwszego pierścienia (patrz p. 8 na rys. 2.3). Dzięki temu zmniejsza się przekrój materiału, przez który ciepło przepływa do części prowadzącej, wskutek czego ma ona niższą temperaturę i mniej się rozszerza.
Najnowszą metodą zmniejszenia rozszerzania się tłoka jest zalewanie płytek lub pierścieni z materiału o bardzo małym współczynniku rozszerzalności. Takim materiałem, najczęściej stosowanym, jest np. inwar. Na rysunku 2.5a, pokazano nowoczesne rozwiązanie konstruk-
cyjne tłoka z wkładką pierścieniową, umieszczoną w górnej części prowadzącej, a na rysunku 2.5b tłok z dwiema wkładkami pionowymi, umieszczonymi w płaszczyźnie prostopadłej do osi sworznia tłoka. Na rysunku 2.6 pokazano typowe kształty wkładek tłoków.
Przykładem nowoczesnej konstrukcji są tłoki samochodu Polski FIAT 125P. Stosowane są dwa typy tłoków — Autothermic lub DSM wg licencji Kolben Schmidt.
Tłok Autothermic (rys. 2.7) jest odlewany ze stopu aluminium ze stalowymi wkładkami w piastach otworu na sworzeń tłoka, dzięki czemu część prowadząca nie jest przecięta. Tłok ma charakterystyczne wycięcia w swej dolnej części prowadzącej, a jego denko jest kulisto wypukłe i ma wgłębienie na zawór ssący. W części uszczelniającej nacięte są trzy rowki na pierścienie tłokowe, z których pierwszy jest uszczelniający, drugi — uszczelniająco-zgarniający, a trzeci — zgarniający.
Tłok DSM (rys. 2.8) jest także odlewany ze stopu aluminium. W górnej części prowadzącej (nad piastą sworznia tłoka) zalany jest poziomo stalowy pierścień. Poza tym kształt i budowa tłoka DSM są bardzo podobne do tłoka Autothermic.
Wkładki stosowane są też jeszcze i w innym celu w tzw. tłokach bimetalowych. Istota problemu polega na tym, że w aluminiowych tłokach szybkobieżnych silników często występuje przedwczesne zużycie rowków pierścieni uszczelniających. Przeciwdziałać temu zjawisku można przez zastosowanie tłoków bimetalowych z wzmacniającą wkładką pod górnym pierścieniem uszczelniającym (rys. 2.9).
Wkładki tłoków wykonuje się z niskowęglowej stali, żeliwa szarego i żeliwa typu Niresist. Aby połączenie między wstawką a materiałem tłoka nie uległo zniszczeniu podczas cyklicznych zmian temperatury tłoka, wkładki powinny odkształcać się sprężyście podczas zmiany wymiarów tłoka. Dlatego też najlepsze są wkładki typu sprężyn (rys. 2.9b, c, d). W przypadku stosowania pełnych wkładek (rys. 2.9a), ich materiał powinien mieć współczynnik rozszerzalności liniowej zbliżony do współczynnika rozszerzalności materiału tłoka.
Jak wykazały długotrwałe badania eksploatacyjne, tłoki bimetalowe są dwu-, a nawet trzykrotnie trwalsze od zwykłych tłoków bez wkładek. Metoda ta jednak obecnie nie jest jeszcze szeroko stosowana ze względu na skomplikowaną technologię produkcji.
Na bocznej powierzchni części uszczelniającej znajdują się rowki pierścieni. W górnych rowkach mieszczą się pierścienie uszczelniające, a w dolnych zgarniające. W rowkach pierścieni zgarniających wierci się od 8 do 10 otworów symetrycznie na obwodzie. Przez otw">ry te olej z gładzi cylindra przedostaje się do wnętrza tłoka, a następnie ścieka do miski olejowej.
Tłoki współczesnych czterosuwowych silników o zapłonie elektrycznym mają najczęściej dwa pierścienie uszczelniające i jeden pierścień zgarniający. Tłoki o średnicy powyżej 90 mm mają zwykle trzy pierścienie uszczelniające. Niekiedy w większych tłokach stosowane są dwa pierścienie zgarniające (patrz rys. 2.3). Są również rozwiązania (np. FIAT 125P), w których środkowy pierścień jest uszczelniająco--zgarniający.
Prowadząca część tłoka ma nadlewy, w których osadzony jest swo-rzeń tłoka (patrz rys. 2.3). W celu zwiększenia sztywności nadlewów, są one zwykle związane z denkiem tłoka za pomocą żeber. Żebra wzmacniają tłok, a jednocześnie ułatwiają odpływ ciepła od jego górnej do dolnej części. Tłoki żeliwne mają w otworach piast wstawione tuleje z brązu, które spełniają zadanie łożysk sworznia. W niektórych rozwiązaniach piasty sworzni rozbudowane są w postaci szerokich nadlewów na zewnętrznej stronie prowadzącej i nie mają wówczas żeber łączących je z denkiem. Piasty sworznia mogą mieć kształt kołowy lub eliptyczny.