Niezmordowany takt: tłok

Bez tłoka jako elementu napędowego rewolucja przemysłowa mogła się potoczyć zupełnie inaczej. Już sam wynalazek maszyny parowej opiera się przecież na zasadzie, że energia pary przekształcana jest w energię mechaniczną przez ruchy tłoka. Została ona zachowana do dzisiaj w silnikach spalinowych: w nowoczesnym silniku tłok przekształca energię cieplną wytwarzaną przez spalanie mieszanki paliwowej na moc napędową.

W każdym pojeździe mechanicznym, niezależnie od tego, czy jest napędzany silnikiem benzynowym, wysokoprężnym, czy nawet silnikiem Wankla, pracują równego typu i różnej wielkości tłoki. Pracują w ukryciu. Przeciętny kierowca nie wie i nie musi wiedzieć, jakiego rodzaju tłok napędza jego samochód. Producent silników potrzebuje jednak tłoka indywidualnie zaprojektowanego i dokładnie dostosowanego do konstrukcji silnika i jego przeznaczenia.

Odpowiednio różnorodne są więc projekty z zakresu technologii produkcji tłoków. Ważne są tutaj zarówno dobór materiału i geometria tłoków, jak i strategia minimalizacji tarcia pomiędzy tłokiem, pierścieniami tłokowymi i tulejami bieżnymi w skrzyni korbowej silnika, decydująca w zakresie optymalizacji zużycia paliwa i emisji.

Od roku 1920 historia tłoka łączy się ściśle z historią firmy KS Kolbenschmidt z siedzibą w Neckarsulm. Jako pionier w dziedzinie tłoków z lekkiego aluminium, Karl Schmidt musi jednak najpierw stawić czoła wielu przeszkodom i uprzedzeniom. Drogę otwiera mu dopiero sukces w konkursie dla producentów tłoków, zorganizowanym w roku 1921 przez Ministerstwo Komunikacji Rzeszy.

Okazuje się to początkiem trwającej do dziś historii sukcesu firmy KS Kolbenschmidt. Niezliczone projekty, innowacje i patenty, wręcz niesamowita liczba typów tłoków oraz wysoka jakość i ekonomiczność produktów zapewniają jej opinię niezawodnego partnera dla prawie wszystkich wielkich producentów samochodów.

Już w latach 20-tych ubiegłego wieku okazuje się, że lekkie komponenty silników oznaczają poważne korzyści. Redukcja masy części poruszających się w silnikach konieczna jest szczególnie w obliczu rosnących prędkości obrotowych silników. W poszukiwaniu optymalnych stopów na tłoki samochodowe Ministerstwo Komunikacji Rzeszy ogłasza więc w roku 1921 ogólnokrajowy konkurs dla inżynierów. Bierze w nim udział Karl Schmidt, który przedstawia tłok wykonany ze stopu zawierającego oprócz aluminium domieszkę 15 procent miedzi. Chociaż tłok Al-Cu z Neckarsulm zajmuje „tylko“ drugie miejsce za tłokiem magnezowo-miedzianym, aluminium zostaje dzięki temu oficjalnie uznane za standardowy materiał na tłoki.

Stopy Al-Cu stanowią przed długi okres standard techniczny, mimo że ten twardy jeszcze i kruchy materiał często powoduje złamania tłoka ze względu na za wysoki początkowo udział żelaza. W późniejszym okresie żelazo zastępowane jest stopniowo niklem i kobaltem, co poprawia elastyczność tłoków.

Kolbenschmidt – taką nazwę przedsiębiorstwo szybko zyskuje w potocznym języku – osiąga dzięki swoim tłokom z metali lekkich olbrzymie sukcesy i pozyskuje wielu klientów z branży motoryzacyjnej w Niemczech i za granicą. W ciągu pierwszych dziesięciu lat produkcji tłoków fabrykę w Neckarsulm opuszczają tylko półfabrykaty odlewowe. Ich dalszą obróbkę prowadzą inne firmy. W roku 1934 Kolbenschmidt tworzy jednak własny zakład obróbki tłoków: laboratorium w Neckarsulm opracowuje wciąż nowe ulepszenia metalurgiczne i techniczne – na przykład platerowane denka tłoków z czystego aluminium zapewniające wysoką wytrzymałość termiczną, tłoki owalne zapewniające maksymalizację przebiegów czy tłoki taśmowe dla silników dwusuwowych. W krótkim czasie produkcja osiąga wiele milionów sztuk: w roku 1937 zostaje odlany dwunastomilionowy tłok.

Lecz tłoki pracują przecież nie tylko w samochodach osobowych: dla producenta silników z Kolonii, firmy Deutz, Kolbenschmidt już w 1923 r. konstruuje pierwszy tłok wielokowymiarowy o średnicy 280 dla silników wysokoprężnych w technologii tak zwanego „odlewu torbowego“; w roku 1940 zostaje natomiast wyprodukowany pierwszy tłok wielkowymiarowy o średnicy ponad 500 milimetrów.

W roku 1927 tłok Al-Cu zostaje zastąpiony nowym produktem, wykonanym ze stopu aluminiowego o wysokiej zawartości krzemu. Swój trwający do dziś zwycięski pochód rozpoczyna tak zwany „tłok Alusil“.

Po latach wywołanej wojną stagnacji Kolbenschmidt zwraca na siebie ponownie uwagę w roku 1948 dzięki pewnej innowacji. W celu zapewnienia kontrolowanej rozszerzalności termicznej trzonka w wysokich temperaturach roboczych firma tworzy i wprowadza do produkcji wielkoseryjnej tłokpierścieniowy. Ten sprzedawany w dużych ilościach na całym świecie typ tłoka posiada zalany na górnym końcu trzonka, przeważnie zębaty pierścień stalowy. Dwa lata później, w roku 1950, zostaje wyprodukowany przeznaczony dla wielkich silników i największy wówczas tłok aluminiowy świata o średnicy 573 milimetrów dla czterosuwowych silników wysokoprężnych.

Rok 1959 wita pierwsze wyprodukowane przez firmę Kolbenschmidt tłoki o średnicy 400 milimetrów dla silnika 12-cylindrowego z nośnikami pierścieni typu Duleman. Są one zalewane tak zwaną technologią Alfin i umożliwiają po raz pierwszy zastosowanie tłoków z metali lekkich w silnikach wysokoprężnych. Olej napędowy powodował dotychczas zawsze szybkie zużycie tłoków i pienni tłokowych. Teraz jeszcze wyższą obciążalność tłoków umożliwia intensywne chłodzenie w strefie pierścieniowej.

Chłodzenie tłoków nabiera coraz większego znaczenia także w silnikach samochodów osobowych. Są one przecież najmocniej obciążanymi częściami samochodu. Pierwsze eksperymenty z kanałami chłodzącymi dla tłoków silników wysokoprężnych zaczynają się w roku 1963 z użyciem technologii spiekania. Szybko dociera ona jednak do granic swoich możliwości, ponieważ zalane rdzenie piaskowe i metalowe dają się usunąć tylko wysokimi nakładami technicznymi i niecałkowicie. W roku 1965 udaje się znaleźć dobrze rokujące rozwiązanie, na razie tylko dla tłoków wielkowymiarowych, przez zastosowanie rdzeni solnych, które dają się po odlaniu bezproblemowo wypłukiwać. Za pionierskie rozwiązanie uznawane są także segmentowe tłoki taśmowe, a także tłoki wirujące dla silników Wankla, którymi intensywnie zajmują się w tamtym czasie projektanci.

W roku 1971 zostaje wprowadzona przejęta od firmy Reynolds technologia powlekania tłoków żelazem, do dziś stanowiąca kamień milowy w produkcji tłoków. Przedsiębiorstwo jest też prekursorem w zakresie stosowanego dzisiaj standardowo procesu produkcyjnego, polegającego na wierceniu w otworze sworznia tłokowego otworu o skomplikowanym kształcie w ramach zaawansowanego procesu technologicznego. Zapewnia on piaście sworznia tłokowego optymalną wytrzymałość i zdolność przenoszenia siły.

Jako tłoki do silników okrętowych, lokomotywowych lub elektrowni coraz częściej stosowane są tłoki kompozytowe, złożone ze stalowej części górnej i części dolnej wykonanej z odlewu żeliwnego.

W latach 80-tych dwudziestego wieku główną problematykę badawczą określają lekkie i niskozużyciowe, ekstremalnie niskoprofilowe tłoki i innowacyjne materiały. W przypadku elementów ze stopów metali lekkich są to wprowadzone wtedy na rynek tłoki z siedmioczęściowym rdzeniem odlewanym, które stanowią podstawę dzisiejszych lekkich tłoków. Pozostałe innowacje to odlewane ciśnieniowo tłoki lokalnie wzmacniane włóknem i twarde anodowanie pierścieni pod rowki tłokowe. Firma Kolbenschmidt i jej produkty stanowią istotny przyczynek do ochrony środowiska.

W latach 90-tych ubiegłego wieku zaostrzenie ustawodawstwa w zakresie dopuszczalnych wartości emisji pociąga za sobą dalsze zwiększenie obciążeń, na jakie narażony jest ten centralny element silnika. Konstruktorzy samochodów żądają coraz węższych progów ogniowych – a przez to niższych emisji – co prowadzi do kolejnych ulepszeń materiałów oraz nowych, wysokoodpornych termicznie stopów czy tłoków o zmiennym przekroju kanału chłodzącego. To samo dotyczy tłoków wielkowymiarowych, które radzą sobie z podwyższonymi temperaturami dzięki opatentowanemu w roku 1991 układowi chłodzenia szczelinowego. Powstaje tu w roku 1996 największy po dziś dzień tłok do silników czterosuwowych. Jest to tłok o średnicy 640 milimetrów, używany w układach napędowych kontenerowców.

Nowoczesne materiały, wszechstronna wiedza z zakresu technologii produkcyjnych: dzięki swojej innowacyjności przedsiębiorstwo przez dekady umacniało się na pozycji międzynarodowego lidera rynku mimo twardej konkurencji.