W tym artykule skupiamy się przede wszystkim na samym tłoku, którego zmiany konstrukcyjne mają wpływ na zmiany całego silnika.

W 1920 roku, gdy tłoki aluminiowe zaczęły być wykorzystywane w silnikach samochodowych, wydawało się, że będzie to materiał idealnie nadający się dla tego zastosowania. Tak było przez wiele dziesięcioleci i dla wielu aplikacji ten typ materiału nadal spełnia swoje zadania. Temperatura topnienia pierwiastka zwanego inaczej glinem to ok. 660°C. Tłok aluminiowy z dodatkami „popłynie” przy temperaturze o około 100°C wyższej, gdyż jego obróbka i dodatki stopowe już w ilości  5–25% (głównie Si, Cu, Mg) powodują, że właściwości stopu różnią się znacznie od właściwości czystego glinu.

Warto dodać, że przed wprowadzeniem tłoków aluminiowych to stal odgrywała główną rolę. Ten ogólnodostępny materiał był wystarczający do ówczesnych zastosowań. Aluminium, dzięki możliwości formowania go w procesie odlewania do form, zaczęło jednak wypierać stal. Warto o tym pamiętać dlatego, że opisane w dalszej części artykułu tłoki stalowe to nie zupełna rewolucja, to w pewnym sensie powrót do korzeni…

Tłoki stalowe na dobre zadomowiły się przede wszystkim w silnikach aut ciężarowych. Początkowo jednoczęściowy tłok aluminiowy został zastąpiony tłokiem stalowym, który współpracował z płaszczem aluminiowym. Połączenie obu części odbywało się tylko za pomocą sworznia tłokowego. Zaletą takiego rozwiązania jest przede wszystkim większa odporność stalowej korony na temperaturę spalanej dawki paliwowo-powietrznej, uzyskanie większego kanału chłodzącego (chłodzenie olejem, który dostarczany jest przede wszystkim z dyszy olejowej) oraz to, że aluminiowy płaszcz posiada możliwość odchylania się zgodnie z połączeniem przez sworzeń względem stalowej korony tłoka, co oznacza, że podczas posuwu tłoka aluminiowy płaszcz wykonuje mniejsze odchyły przy nawrocie dolnym lub górnym w stosunku do ściany wewnętrznej tulei.

Tłok stalowy z płaszczem aluminiowym zaczął być stosowany później w tak zwanej wersji Monotherm, gdzie część korony tłoka została zabarwiona na czarno w procesie fosforowania manganowego, które powoduje, że powierzchnia narażona działanie wybuchu mieszanki w komorze jest jeszcze bardziej odporna. Kolejnym krokiem było zastąpienie tłoka z „czarną koroną” z płaszczem aluminiowym jedną bryłą. Oznacza to, że teraz cały tłok (łącznie z własnym płaszczem) jest jednoczęściowy (Monotherm). Warto dodać, że nie jest to trend dla wszystkich.

Sam tłok nie jest produktem symetrycznym (ani w wersji osobowej ani w ciężarowej). Zastosowano w nim tzw. dezaksację czyli przesunięcie środka osi na sworzeń względem środka całego tłoka w jednym kierunku (ilustracja 1.). Ma to na celu zoptymalizowanie pracy tłoka względem ściany cylindra. Pamiętajmy, że tłok nie ma na całej wysokości takiej samej średnicy i ma kształt beczułkowaty (ilustracja 2.).

Jak sprawić, żeby tłok aluminiowy był  mocniejszy?

Wiele lat stosowało się (niekiedy nadal można to spotkać) wstawianie od wewnętrznej strony płaszcza tzw. wkładki kompensacyjnej. To  rodzaj blaszki, która wzmacnia tłok na płaszczu – elemencie, który przenosi część energii samego tłoka na ściankę tulei. Kolejny zabieg wzmacniający tłok to wkładka tłokowa będąca żeliwnym pierścieniem w rowku pierścienia uszczelniającego (tego najbliżej komory spalania). Nie dość, że wspiera ona górny pierścień przed wpływem wysokich temperatur w stronę wału korbowego, to dodatkowo zmniejsza ona rozszerzalność temperaturową samej korony we wszystkich kierunkach. Wkładka tłokowa może być odrębnym pierścieniem lub stanowić połączenie z kanałem chłodzącym.

Tłoki stalowe na wzór aut ciężarowych wracają do silników wysokoprężnych w samochodach osobowych. Mowa o wspomnianym już tłoku typu Monotherm oraz tzw. tłoku typu TopWeld, który w porównaniu z tłokiem Monotherm nie jest konstrukcją jednoczęściową. Jego odmienność to połączenie dwóch kawałków stali (o odpowiedniej charakterystyce, uzyskanej za pomocą dodatków) poprzez zgrzewanie powierzchniowe. Miejsce zgrzania przypada mniej więcej w okolicy rowków pierścieniowych oraz wewnątrz – pod komorą spalania.

Cechy charakterystyczne to przede wszystkim niższa o około 30% wysokość sprężania w porównaniu z tłokiem, który zostaje przez TopWeld zastąpiony. Dzięki obniżeniu tłoka i dużo cieńszym ściankom niż w wersji aluminiowej, porównując oba tłoki jako uzbrojone (ze sworzniem i pierścieniami), TopWeld okazuje się o 5% lżejszy! Tłok stalowy jest lżejszy niż aluminiowy w przypadku, gdy jeden zastępuje drugi w tym samym silniku. Bardzo spostrzegawczy czytelnicy powiedzą, że wszystko brzmi dobrze, ale co z korbowodem? Niższy tłok i ten sam korbowód to większa pojemność skokowa (górny martwy punkt tłoka zostaje obniżony)! To jednak się nie stanie zwłaszcza w epoce downsizingu i wszystkich pochodnych – obniżamy już  nie tylko pojemność skokową, ale także występują trendy zmniejszania prędkości obrotowej – downspeeding.

Potencjalnie zwiększylibyśmy długość korbowodu. Daje to bardzo wymierną korzyść tj. zmniejszenie kąta odchyłu korbowodu od pionu podczas pracy z 20° do ok. 18,25° (ilustracja 3.). Przekłada się to bezpośrednio na obniżenie o ok. 10% sił bocznych, które wywiera płaszcz tłoka podczas pracy.

Kwestia dłuższego korbowodu wygląda dobrze, ale jeżeli można zrobić coś jeszcze prościej, a dodatkowo uzyskać kolejny benefit, to czemu nie? Korbowód pozostaje więc w swej oryginalnej długości (brak konieczności tworzenia nowych korbowodów do wszystkich silników, które pracują bądź będą pracować z tłokami stalowymi), ale za to… blok silnika jest niższy o różnicę wysokości tłoków, a więc i lżejszy (przy tej samej pojemności skokowej)!
Technologia ta jest już obecna w samochodach osobowych, ale trend ten zagości w najbliższych latach także w ciężarówce.