Tłok, tuleja cylindrowa i pierścienie: usterki i wymiana

Ciągnik siodłowy z załadowaną naczepą wspina się pod górę, a z rury wydechowej zaczyna unosić się niebieskawy dym. Kierowca sprawdza wskaźnik oleju — poziom jest poniżej normy, ale na ziemi nie ma plamy oleju — olej nie wyciekł na zewnątrz, spalił się w środku. W warsztacie wykonuje się test kompresji: jeden z cylindrów wyraźnie odbiega w dół od pozostałych. Sygnał jest jasny — w tłoku, tulei cylindrowej lub zestawie pierścieni tłokowych rozpoczęło się zużycie. Ten poradnik omawia zespół tłok-tuleja-pierścienie w silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych od podstaw — jego zadania, objawy usterek, kluczowe pomiary i punkty, na które trzeba zwrócić uwagę podczas remontu.

Czym jest tłok silnika, tuleja cylindrowa i zestaw pierścieni tłokowych? Zadanie i zasada działania

Tłok silnika, tuleja cylindrowa i zestaw pierścieni tłokowych to trzyelementowy zespół tworzący komorę spalania silnika wysokoprężnego i zamieniający ciśnienie spalania na ruch mechaniczny; tłok przekazuje ciśnienie spalania na korbowód, tuleja cylindrowa zapewnia odporną na zużycie powierzchnię, po której porusza się tłok, a pierścienie tłokowe uszczelniają przestrzeń między tłokiem a tuleją oraz kontrolują rozprowadzanie oleju.

Tłok to wykonany ze stopu aluminium korpus poruszający się w cylindrze w górę i w dół, którego górna powierzchnia (denko) tworzy podstawę komory spalania. Wysokie ciśnienie i temperatura powstające podczas spalania oddziałują bezpośrednio na denko tłoka; tłok przekazuje tę siłę przez sworzeń tłokowy na korbowód, a stamtąd na wał korbowy, zamieniając ją w ruch obrotowy. W silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych denko tłoka zwykle zawiera specjalne wgłębienie komory spalania (bowl), poprawiające efektywność spalania; jego geometria różni się w zależności od producenta silnika.

Tuleja cylindrowa (liner) to cylindryczna tuleja montowana jako osobna część w bloku silnika, w której porusza się tłok. W zdecydowanej większości silników wysokoprężnych pojazdów ciężarowych stosuje się tuleję mokrą (wet liner): jej zewnętrzna powierzchnia styka się bezpośrednio z płynem chłodzącym, oddając ciepło do cieczy, a nie do bloku. Tuleja mokra obniża koszty remontu, ponieważ można ją wymienić niezależnie od bloku, ale prawidłowe osadzenie uszczelek O-ring między tuleją a blokiem ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia wycieków wody i oleju.

Z ilu elementów składa się zestaw pierścieni tłokowych i do czego służy każdy z nich?

Zestaw pierścieni tłokowych składa się z cienkich metalowych pierścieni osadzonych w rowkach na tłoku; w silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych stosuje się zwykle zestaw trzech pierścieni. Górny pierścień uszczelniający jest głównym elementem zapobiegającym przedostawaniu się ciśnienia spalania do skrzyni korbowej i to on jest narażony na najwyższą temperaturę i największe zużycie. Drugi pierścień uszczelniający zatrzymuje resztkowe ciśnienie przenikające zza górnego pierścienia, a dodatkowo pomaga zeskrobywać nadmiar oleju ze ścianki cylindra w dół. Pierścień zgarniający olej (oil control ring) zeskrobuje nadmiar oleju smarnego rozprowadzonego na ściance cylindra i odprowadza go z powrotem do miski olejowej, pozostawiając na powierzchni tulei jedynie cienką warstwę filmu olejowego.

Jaka jest różnica między tuleją mokrą a suchą?

W tulei mokrej zewnętrzna powierzchnia styka się bezpośrednio z płynem chłodzącym, a montaż tulei uszczelnia się od strony cieczy za pomocą uszczelek O-ring. Tuleja sucha jest natomiast wciskana w gniazdo w bloku silnika, jej zewnętrzna powierzchnia styka się z metalem bloku i nie ma bezpośredniego kontaktu z płynem chłodzącym — ciepło jest odprowadzane pośrednio, przez blok. W silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych częściej stosuje się tuleję mokrą ze względu na łatwość remontu i wyższą skuteczność wymiany ciepła; tuleja sucha występuje głównie w niektórych rodzinach silników pojazdów lekkich i osobowych.

Jak rozpoznać usterkę tłoka, tulei i pierścieni silnika? Objawy i diagnostyka

Zużycie zespołu tłok-tuleja-pierścienie objawia się najczęściej dwoma głównymi symptomami: spalaniem oleju i utratą kompresji. Pozostałe objawy spotykane w warsztacie zostały zestawione w poniższej tabeli.

Dlaczego dochodzi do spalania oleju?

Najczęstszą przyczyną spalania oleju jest zużycie pierścienia zgarniającego olej lub jego przyklejenie się przez skoksowane, zwęglone resztki oleju; gdy pierścień traci elastyczność, nie przylega w pełni do ścianki cylindra i nie potrafi zeskrobać nadmiaru oleju. Drugą częstą przyczyną jest nadmierne zużycie lub owalna deformacja ścianki tulei, zwłaszcza stopniowe zużycie w pobliżu górnego martwego punktu; w tym miejscu pierścień nie może w pełni przylegać do powierzchni tulei. W silnikach z turbosprężarką czynnikami przyspieszającymi koksowanie pierścieni są długa praca na biegu jałowym, nagłe przejście z pełnego obciążenia na bieg jałowy oraz stosowanie oleju niskiej jakości.

Jak mierzy się utratę kompresji?

Test kompresji wykonuje się, gdy silnik jest rozgrzany do temperatury roboczej: do każdego cylindra kolejno podłącza się miernik kompresji i kręci silnikiem rozrusznikiem przez kilka obrotów; wtryskiwacze muszą być wymontowane, w ich miejsce należy wkręcić odpowiedni adapter, a na czas kręcenia rozrusznikiem trzeba odciąć zasilanie paliwem (elektrozawór odcinający lub odcięcie wtrysku przez sterownik). W silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych obciążenie nie jest regulowane dławieniem powietrza dolotowego, jak w silniku benzynowym; nowoczesne jednostki Euro 5/6 mogą jednak mieć przepustnicę dolotową sterowaną przez moduł sterujący, wykorzystywaną do regulacji stopnia recyrkulacji spalin (EGR), wspomagania regeneracji DPF i łagodnego wyłączania silnika — przed pomiarem należy więc sprawdzić, czy ta przepustnica nie zablokowała się w położeniu dławiącym. Jeśli różnica między cylindrami przekracza tolerancję określoną przez producenta, oznacza to problem. Do ustalenia źródła utraty kompresji stosuje się test szczelności (leak-down): do cylindra podaje się z zewnątrz sprężone powietrze, a następnie nasłuchuje się, skąd dochodzi wyciek — z rury wydechowej, z układu dolotowego czy ze skrzyni korbowej (pierścienie lub tuleja).

Jak mierzy się wystawanie tulei (protrusion)?

Wystawanie tulei to wartość określająca, na ile górna krawędź tulei cylindrowej wystaje ponad górną powierzchnię bloku silnika (deck); jest to pomiar krytyczny dla prawidłowego docisku uszczelki pod głowicą. Jeśli wystawanie jest zbyt małe, uszczelka nie docisnie się prawidłowo wokół tulei, co powoduje przedmuch spalin lub wyciek wody; jeśli wystawanie jest zbyt duże, na uszczelkę działa punktowe obciążenie, przez co szybko ulega przepaleniu.

Do pomiaru tuleję osadza się w bloku wraz z dolną powierzchnią przylegania, ale bez zamontowanej głowicy. Czujnik zegarowy (dial indicator) na statywie zeruje się na górnej powierzchni bloku, a następnie mierzy się co najmniej trzy lub cztery punkty wokół górnej krawędzi tulei, w odstępach co 120 lub 90 stopni. Zmierzone wartości powinny być do siebie zbliżone; jeśli różnica między punktami jest duża, oznacza to, że tuleja osiadła krzywo albo dolna uszczelka/O-ring nie zostały prawidłowo osadzone. Dokładna tolerancja wystawania zależy od rodziny silnika i zwykle mieści się w wąskim przedziale kilku dziesiątych milimetra; dokładną wartość podaje instrukcja remontowa silnika OE danego pojazdu.

Jak mierzy się luz w zamku pierścienia tłokowego?

Luz w zamku pierścienia to odstęp pozostający między dwoma końcami pierścienia po jego umieszczeniu w cylindrze; jest niezbędny, aby zostawić zapas na rozszerzalność cieplną. Jeśli luz jest zbyt mały, końce pierścienia po nagrzaniu i rozszerzeniu stykają się ze sobą, pierścień się zakleszcza i rysuje powierzchnię tulei; jeśli luz jest zbyt duży, słabnie szczelność, rośnie utrata kompresji i przedmuchy blow-by.

Do pomiaru pierścień wprowadza się bez tłoka bezpośrednio do tulei lub cylindra, w najniższą — a więc najmniej zużytą — część strefy pracy pierścienia, wpychając go prosto denkiem tłoka; jeżeli producent podaje stałą głębokość pomiaru, obowiązuje właśnie ta głębokość. Nie mierzy się w strefie progu zużycia w pobliżu górnego martwego punktu: odczytany tam luz zawiera zużycie i nie odzwierciedla rzeczywistej wartości. Luz w zamku pierścienia mierzy się szczelinomierzem (feeler gauge), wsuwając listek między oba końce pierścienia; właściwy listek to taki, który wchodzi z lekkim oporem. Pomiar należy wykonać osobno dla każdego pierścienia, a wynik porównać z zakresem podanym przez producenta.

Jak osadza się pierścień w rowku tłoka i dlaczego luz osiowy jest ważny?

Po zweryfikowaniu luzu w zamku pierścień umieszcza się w rowku tłoka; na tym etapie należy również sprawdzić luz osiowy między pierścieniem a boczną powierzchnią rowka. Jeśli ten luz jest zbyt mały, pierścień zakleszcza się w rowku, traci elastyczność i nie przylega prawidłowo do powierzchni tulei, co prowadzi zarówno do utraty kompresji, jak i przyspieszonego zużycia. Pomiar tego luzu również wykonuje się szczelinomierzem, od strony górnej powierzchni, po umieszczeniu pierścienia w rowku.

Jak wymienić tłok, tuleję i zestaw pierścieni? Krok po kroku

1. Ostudź silnik, odłącz akumulator i odetnij zasilanie paliwowe/elektryczne. Przed demontażem głowicy całkowicie spuść płyn chłodzący i olej.
2. Zdemontuj kolektor ssący i wydechowy, przewody wtryskiwaczy, osprzęt na głowicy oraz mechanizm rozrządu/paska zgodnie z kolejnością zalecaną przez producenta; zanim dotkniesz wtryskiwaczy i przewodów wysokiego ciśnienia, upewnij się, że ciśnienie w układzie zostało zredukowane.
3. Zdemontuj głowicę cylindrów, luzując śruby w kolejności odwrotnej do dokręcania — od zewnątrz do środka — w kilku etapach; kolejność luzowania przyjmij z aktualnej instrukcji remontowej silnika OE danego pojazdu. Zdejmij uszczelkę pod głowicą i sprawdź powierzchnię deck.
4. Otwórz miskę olejową; w silnikach z mokrymi tulejami przed obróceniem wału korbowego unieruchom tuleje w bloku łapami/mostkami dociskowymi — nieunieruchomiona tuleja zostaje uniesiona z gniazda przez tarcie tłoka, co uszkadza dolny O-ring i powierzchnię przylegania. Następnie oznacz pokrywy korbowodów (numer cylindra i kierunek) i zdemontuj je, a potem ostrożnie wyjmij zespoły tłok-korbowód z tulei ku górze.
5. Wymontuj tuleje z bloku za pomocą ściągacza (liner puller); oczyść gniazda O-ringów i powierzchnię deck bloku oraz sprawdź je wzrokowo pod kątem pęknięć, wżerów lub śladów kawitacji.
6. Zamontuj nową tuleję na sucho (bez uszczelki, tymczasowo) i zmierz wystawanie czujnikiem zegarowym; w razie potrzeby dobierz grubość dolnej uszczelki, aby wystawanie mieściło się w tolerancji.
7. Po potwierdzeniu prawidłowego wystawania załóż nowe uszczelki O-ring i osadź tuleję w bloku jako montaż ostateczny; wprowadź ją prosto, równomiernym naciskiem, bez przechylania.
8. Zmierz luz w zamku każdego nowego pierścienia osobno i w razie potrzeby dobierz je zgodnie z tolerancją producenta; osadź pierścienie w rowkach tłoka w prawidłowym kierunku, zgodnie z oznaczeniem TOP.
9. Nasmaruj zespoły tłok-pierścienie czystym olejem silnikowym i rozstaw zamki pierścieni na obwodzie tłoka pod kątami podanymi przez producenta; żaden zamek nie może znaleźć się w osi sworznia tłokowego. Następnie wprowadź tłok do tulei za pomocą opaski ściskającej pierścienie (ring compressor), sprawdzając kierunek montażu, i zamontuj panewkę korbowodu zgodnie z pierwotnym oznaczeniem.
10. Załóż uszczelkę pod głowicę i dokręć śruby głowicy w kolejności określonej przez producenta, stopniowo zwiększając moment dokręcania; wartości momentu i kolejność dokręcania należy zaczerpnąć z aktualnej instrukcji remontowej silnika danego pojazdu.
11. Uzupełnij olej i płyn chłodzący, podłącz akumulator, uruchom silnik na biegu jałowym i sprawdź szczelność; następnie, po krótkiej próbnej jeździe pod obciążeniem, powtórz kontrolę kompresji/blow-by.

Na co zwrócić uwagę: najczęstsze błędy

• Odwrotny montaż pierścieni: montaż bez sprawdzenia oznaczenia TOP prowadzi bezpośrednio do spalania oleju.
• Zamknięcie głowicy bez pomiaru wystawania tulei: zbyt małe lub zbyt duże wystawanie szybko przepala uszczelkę pod głowicą.
• Łączenie tłoka, tulei i pierścieni z różnych, niedopasowanych zestawów: tolerancje luzów nie zgadzają się, rozpoczyna się przedwczesne zużycie.
• Wciskanie tłoka do tulei bez opaski ściskającej pierścienie: pierścień pęka lub ścianka tulei zostaje zarysowana.
• Łączenie starego pierścienia z nową tuleją albo nowego pierścienia ze zużytą tuleją: pełna szczelność nigdy nie zostaje osiągnięta.
• Montaż nowego O-ringu bez oczyszczenia gniazd na zewnętrznej powierzchni tulei: ryzyko wycieku wody pozostaje wysokie.
• Pominięcie honowania lub wykonanie go pod niewłaściwym kątem: nowe pierścienie nie utrzymują filmu olejowego, wydłuża się okres docierania, dochodzi do przedwczesnego zużycia.
• Dokręcanie śrub głowicy za jednym razem, bez zachowania kolejności: na powierzchni deck powstaje nierównomierny nacisk, co prowadzi do nieszczelności tulei.
• Odkręcanie wtryskiwaczy lub przewodów wysokiego ciśnienia bez zredukowania ciśnienia resztkowego: strumień paliwa z przewodu pod ciśnieniem przenika przez skórę; ryzyko poważnych obrażeń jest realne.
• Obracanie wału korbowego bez unieruchomienia tulei: mokra tuleja unosi się z gniazda, dolny O-ring i powierzchnia przylegania ulegają uszkodzeniu, a po montażu wraca to jako wyciek wody.
• Montaż pierścieni bez rozstawienia zamków: gdy zamki nakładają się na siebie, powstaje bezpośredni kanał przedmuchu — zaczyna się spalanie oleju i blow-by.

Wartości techniczne i punkty kontrolne

Poniższa tabela podsumowuje główne punkty kontrolne sprawdzane podczas remontu zespołu tłok-tuleja-pierścienie oraz ich ogólne zakresy odniesienia. Wartości różnią się w zależności od rodziny silnika i pojemności cylindra; dokładną wartość należy zawsze zaczerpnąć z aktualnej instrukcji remontowej silnika OE danego pojazdu.

Konserwacja i żywotność zespołu tłok-tuleja-pierścienie

Czynnikiem najbardziej wpływającym na żywotność zespołu tłok-tuleja-pierścienie jest jakość smarowania. Wymiana oleju silnikowego o właściwej lepkości, zatwierdzonego przez producenta, w wyznaczonych odstępach czasu, utrzymuje ciągłość filmu olejowego między pierścieniem a tuleją i spowalnia zużycie. Zatkany filtr oleju lub stosowanie oleju niskiej jakości prowadzi do odkładania się koksu w rowkach pierścieni i utraty ich elastyczności.

Konserwacja układu chłodzenia bezpośrednio wpływa też na żywotność tulei; płyn chłodzący o zbyt niskim stężeniu glikolu lub z wyczerpanym pakietem dodatków przyspiesza erozję kawitacyjną w tulejach mokrych. Wymiana płynu chłodzącego w odstępach zalecanych przez producenta i utrzymywanie właściwego stężenia dodatków to najtańszy sposób na zapobieganie wżerom powstającym na zewnętrznej powierzchni tulei wskutek implozji mikropęcherzyków (kawitacji).

Terminowa wymiana filtra powietrza i utrzymanie szczelności układu dolotowego to kolejny środek zapobiegawczy, który — ograniczając przedostawanie się pyłu i cząstek stałych do cylindra — spowalnia zużycie pierścieni i tulei. W flotach dzięki okresowej analizie oleju (śledzenie metali ze zużycia) przedwczesne zużycie zespołu tłok-tuleja-pierścienie można wykryć na miesiące przed pojawieniem się widocznych objawów.

Podkładki regulacyjne tulei VADEN ORIGINAL i oferta silnikowa

W katalogu VADEN ORIGINAL silnikowa grupa Tłok i Tuleja składa się z podkładek regulacyjnych (shimów) tulei, służących do ustawienia wystawania tulei: 84 referencje w siedmiu klasach grubości — 0,10 · 0,15 · 0,20 · 0,25 · 0,30 · 0,40 i 0,50 mm. Podkładek używa się wtedy, gdy opisany wyżej pomiar wystawania wypada poza tolerancją; korygują one stopniowo wysokość osadzenia tulei, tak aby uszczelka głowicy została prawidłowo ściśnięta wokół tulei. Przy doborze grubości zamiast marki i modelu pojazdu kieruj się tabliczką kodu silnika oraz rzeczywistą wartością wystawania zmierzoną czujnikiem zegarowym; klasa grubości wynika z pomiaru, a numer referencyjny OE na dotychczasowej części potwierdza dopasowanie.

Oferta silnikowa obejmuje ponadto uszczelki głowicy i tuleje wtryskiwaczy, podkładki regulacyjne zaworów, pompy oleju, dysze chłodzenia tłoka, chłodnice oleju, miski olejowe oraz uszczelki kolektora wydechowego. Zespół tłok-tuleja-pierścienie bezpośrednio współdziała z układem smarowania i chłodzenia silnika; problem w dowolnym ogniwie tego łańcucha skraca żywotność zespołu. W bibliotece poradników technicznych VADEN znajdują się osobne przewodniki dotyczące usterek, wymiany i konserwacji pompy oleju silnika, dyszy chłodzenia tłoka, chłodnicy oleju, grupy głowicy cylindrów i turbosprężarki.

Pobierz ten przewodnik w PDF

Powiązane kategorie: Tłok i tuleja cylindrowa · Podkładka