Themen:
- Allgemeines
- Kolbenboden
- Materialien
- Kolbenringe
- Endgültiges Spiel der Kolbenringe
- Kolbenbolzen
- Desaxierung des Kolbenbolzens
- Kolbenverformung
- Kippkolben
- Kühlung
Gesamt:
Die Kolben führen im Zylinder Auf- und Abbewegungen aus. Der Zylinder steckt im Motorblock fest und bewegt sich nicht. Der Kolben bewegt sich ständig vom ODP (unterer Totpunkt) zum oberen Totpunkt (OT) im Zylinder. Die Verbrennung findet an der Oberseite des Kolbens statt (Kolbenboden genannt). Durch das Öffnen der Einlassventile und die Bewegung des Kolbens entsteht im Ansaugtrakt ein Unterdruck. Dieses Vakuum saugt Luft (oder ein Kraftstoffgemisch) in den Zylinder. Bei einem aufgeladenen Motor (mittels Turbo oder Kompressor) wird die Ansaugluft mit einem gewissen Überdruck in den Zylinder gedrückt.
De Einlassventile schließen und der Kolben bewegt sich nach oben. Die Luft (oder das Kraftstoffgemisch) wird dann bei einem Druck komprimiert (komprimiert). Benzinmotor mit Kerze und um eins Dieselmotor durch Zugabe von Dieselkraftstoff gezündet.
Durch die Zündung des Gemisches wird der Kolben mit großer Kraft nach unten gedrückt. Dann ist die Auslassventile öffnet sich und der Kolben drückt beim Aufwärtshub die verbrannten Gase in den Auspuff.
Kolben müssen folgende Eigenschaften erfüllen:
- Möglichst geringe Masse, um die Massenkräfte im TDC und ODP möglichst gering zu halten. Kleine Massenkräfte belasten die Lager weniger und ermöglichen höhere Drehfrequenzen.
- Gute Wärmeleitung; die Temperatur am Kolbenboden kann 400 Grad Celsius überschreiten. Um zu verhindern, dass die Temperatur des Kolbenbodens zu stark ansteigt, wird dieser ständig mit einem Ölstrahl gegen die Unterseite gekühlt. Die geringere thermische Belastung führt zu weniger Verschleiß und weniger Ölverbrauch.
- Ausreichende mechanische Beständigkeit.
- Niedriger Reibungskoeffizient.
Kolbenboden:
Die Oberseite des Kolbens wird „Krone“ oder „Kolbenboden“ genannt. In den Kolbenboden werden häufig Aussparungen für die Ventile eingeschliffen.
Bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung ist der Kolbenboden häufig noch Teil des Brennraums. Anschließend wird in den Kolben ein spezieller Hohlraum eingeschliffen, der zur Verwirbelung der Luft dient. Die Luft in diesem Raum bewegt sich wirbelnd, so dass sich der Dieselkraftstoff beim Einspritzen sofort gut mit dieser Luft vermischt.
Das Bild zeigt einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung und einer Vorwirbelkammer im Kolben. Ein Dieselmotor mit indirekter Einspritzung verfügt über eine separate Vorwirbelkammer im Zylinderkopf. Im Kolbenboden ist dann kein Brennraum vorhanden.
Materialien:
Kolben bestehen üblicherweise aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Manchmal werden geschmiedete Aluminiumkolben verwendet, deren Kolbenböden verchromt sind. Diese sind sehr stabil und haben ein geringes Gewicht. Der Vorteil besteht darin, dass sie aufgrund ihres geringen Gewichts auch eine geringere mechanische Belastung der Zylinderwände (und damit einen geringeren Verschleiß) haben und außerdem in Motoren mit viel Leistung eingesetzt werden können. Aufgrund der speziellen Fertigung ist der Preis um einiges höher als bei normalen Aluminiumkolben.
Außerdem werden in die Seite des Kolbens kleine Nuten eingebracht, vergleichbar mit den Honnuten in der Zylinderwand. Diese dienen dazu, das Öl bei der Auf- und Abbewegung gewissermaßen zu „tragen“. Wären keine kleinen Rillen vorhanden, könnte das Öl einfach an ihnen vorbeifließen und in den Brennraum gelangen.
Kolbenringe:
Kolbenringe müssen eine bestmögliche Gasabdichtung zwischen Kolben und Zylinder gewährleisten. Undichtigkeiten entlang der Kolbenringe verursachen unter anderem:
- Kompressionsverlust (damit auch Leistungsverlust).
- Ölverlust durch die Brennkammer.
- Vorzeitige Alterung und Verschmutzung des Öls; Da Leckagegase in das Öl gelangen, können sich diese Gase mit dem Öl vermischen und so zu einer Alterung des Öls führen.
Zwischen den Kolbenringnuten und den Kolbenringen befindet sich immer eine Ölschicht (siehe Bild unten). Es ist nicht möglich, dass die Kolbenringe allein für die Abdichtung sorgen. Dabei spielt auch das Öl eine wichtige Rolle. Es geht so:
- Beim Anheben des Kolbens bewegen sich die Kolbenringe in den unteren Teil der Kolbenringnut. (siehe Bild)
- Öl an der Zylinderwand dringt zwischen Kolbenring und Kolbenringnut ein. Dadurch wird der Kolben gegen die Zylinderwand gedrückt.
Wenn die Ölabstreifringe abgenutzt sind, kann das Öl zwischen die Zylinderwand und den Ölabstreifring gelangen und so in den Brennraum gelangen. Das Öl wird dann verbrannt, was zu blauem oder schwarzem Rauch aus dem Auspuff führt. Blauer Rauch entsteht durch Motoröl, das unverbrannt direkt in den Auspuff gelangt und verdampft. Bei schwarzem Rauch hat das Öl am Verbrennungsprozess teilgenommen und die verbrannten Ölrückstände verlassen den Auspuff in Form von (schwarzem) Ruß.
Endgültiges Spiel der Kolbenringe:
Das Schlitzspiel ist der Raum zwischen den beiden Enden des Kolbenrings. Wenn das Sperrspiel zu klein ist, hat der Kolbenring keinen Platz, sich auf einen kleineren Durchmesser zu formen. Die Zylinderwand kann beschädigt werden und der Kolbenring kann brechen. Wenn der Verriegelungsabstand zu groß ist, ist zu viel Platz zwischen den Enden; Die Kolbenringe dichten nicht ausreichend ab und können zu Kompressionsverlust oder erhöhtem Ölverbrauch führen.
Das Sperrspiel wird mit a gemessen Fühlerlehre. Bei obiger Messung sollte das Schlossspiel zwischen 0,35 und 0,55 mm liegen. Die Fühlerlehre mit einer Dicke von 0,5 mm ließ sich mit etwas Widerstand durchschieben. Die endgültige Freigabe ist also in Ordnung. Weitere Informationen finden Sie auf der Seite „Kolbenringmessungen" unter der Überschrift Mechanisch messen.
Kolbenbolzen:
Der Kolbenbolzen dient zur drehbaren Befestigung des Kolbens an der Pleuelstange. Der Kolbenbolzen ist (theoretisch) in der Mitte des Kolbens montiert und mit einem Sicherungsring gesichert. In Wirklichkeit ist der Kolbenbolzen außermittig montiert, was die Leistung verbessert. Nähere Informationen hierzu finden Sie weiter unten im nächsten Kapitel: Entaxieren des Kolbenbolzens.
Deaxieren des Kolbenbolzens:
Eine außeraxiale Position des Kolbenbolzens bedeutet, dass der Kolbenbolzen nicht vollständig zentriert ist (wie in der Abbildung dargestellt). Diese Kolben müssen natürlich auch in einer bestimmten Richtung montiert werden. Die Richtung wird durch einen Pfeil angezeigt, der im Kolbenboden markiert ist. Dieser Pfeil zeigt zur Verteilerseite.
Die außermittige Platzierung des Kolbenbolzens erfüllt einen wichtigen Zweck; Reduzieren Sie den Verschleiß der Zylinderwand und verringern Sie die Geräuschentwicklung des Kolbens beim Wechsel der Zylinderwände. Wenn sich der Kolben nach oben bewegt, wird er gegen die linke Seite der Zylinderwand gedrückt, und wenn er sich nach unten bewegt, wird er gegen die rechte Seite gedrückt. Bei jedem Krafthub wird der Kolben mit enormer Kraft von der linken Seite gegen die rechte Seite geschlagen.
Durch die außermittige Platzierung des Kolbenbolzens steht die Pleuelstange bereits vor dem OT aufrecht. Der Kolben bewegt sich vor dem Krafthub auf die rechte Seite des Zylinders. Wenn nun der Krafthub erfolgt, befindet sich der Kolben bereits in der richtigen Position und kann nun in einer Bewegung gerade nach unten fahren. Durch den außermittigen Kolbenbolzen wird der Kolben beim Krafthub nicht mehr gegen die Zylinderwand geschlagen, was Geräusche und Verschleiß reduziert.
Kolbenverzug:
Der Kolben nimmt bei warmem Motor eine andere Form an als bei kaltem Motor. Durch die Hitze dehnt sich das Material aus. Der Kolben ist so konstruiert, dass die Expansion nur in eine Richtung erfolgt. Andernfalls könnte der Kolben im Zylinder stecken bleiben.
Ganz links in der Abbildung ist der Kolben im Normalzustand zu sehen. Das mittlere Bild zeigt den Kolben im Zylinder von oben gesehen, wenn er sich auf Betriebstemperatur befindet. Der Motor läuft also eine Weile, wodurch sich das Kolbenmaterial erwärmt und ausdehnt. Das rechte Bild zeigt den Kolben im kalten Zustand. Dieses hat nun eine ovale Form. Die Pfeile oben und unten zeigen den Größenunterschied an. Der Kolben im rechten Bild wurde in der Breite verstärkt und in der Länge bewusst so konstruiert, dass er Raum zum Ausdehnen hat. Der Grund dafür ist, dass sich jedes Material bei Erwärmung ausdehnt. Auch hierfür muss dem Kolben Platz gegeben werden.
Die Seite, die sich nicht ausdehnt, also in der Abbildung die linke und rechte Seite des Kolbens, wird beim Krafthub gegen die Zylinderwand gedrückt. Diese Seite nimmt die Gleitbahnkraft auf (siehe Bild im Kapitel unten „Kippkolben“). Das ist natürlich so konstruiert, weil sonst der Raum zwischen Kolben und Zylinderwand bei dieser enormen Kraft zu groß wird. Der Kolben dann Der Motor wird gegen die Zylinderwand geschleudert und hat daher eine kurze Lebensdauer.
Trotzdem kann das Geräusch bei kaltem Motor anders sein als bei warmem Motor. Bei kaltem Motor ist zwischen Kolben und Zylinder so viel Spiel, dass noch ein leichtes Klopfgeräusch zu hören ist. Dies stellt überhaupt kein Problem dar, solange die Warmlaufphase des Motors reibungslos verläuft. Damit meine ich, dass der Motor langsam warmgefahren werden muss (nicht zu hohe Drehzahlen und schon gar nicht zu viel Gas bei niedrigen Drehzahlen). Sollte dies dennoch passieren, ist der Kolben noch nicht vollständig ausgedehnt und das Öl hat noch nicht die Betriebstemperatur von mindestens 60 oder 80 Grad erreicht. Der Motor hat dann eine deutlich kürzere Lebensdauer. Die Zylinderwand verschleißt schneller, ebenso wie die Seite des Kolbens, die stark verschleißt. Das Geräusch des Kolbens kann vom Hersteller auch durch die Anwendung von „Entaxation“ reduziert werden. (Siehe Kapitel oben).
Kippkolben:
Bei der Auf- und Abbewegung bewegt sich der Kolben auch leicht in Breitenrichtung in der Zylinderwand. Wenn durch unsachgemäßen Gebrauch des Motors Verschleiß an der Zylinderwand auftritt (denken Sie an schnelles Fahren / hohe Drehzahlen bei kaltem Motor), kann der Teil der Zylinderwand (im Bild rot markiert) hohl werden. Auch eine schlechte Materialauswahl des Automobilherstellers kann dabei eine große Rolle spielen (denken Sie an bestimmte 1.4-16-V-Motoren von VAG), wodurch die Breite der Zylinderwand zunimmt und der Kolben dadurch mehr Bewegungsfreiheit hat Ergebnis der Gleitbahnkraft. In diesem Fall spricht man von „Kippkolben“. Das Bild zeigt, dass der Kolben leicht verdreht in den Zylinder eingezogen ist. Eine etwas übertriebene Situation, aber das Konzept des „Kippkolbens“ ist deutlich erkennbar.
Das Kippen der Kolben führt dazu, dass der Motor viele tickende Geräusche macht. Manchmal kann man es fast mit dem Geräusch eines Dieselmotors vergleichen. Das Geräusch ist lediglich das Auftreffen auf die Zylinderwand aufgrund des zusätzlichen Platzes, den der Kolben im Zylinder hat. Dadurch steigt oft der Ölverbrauch (wegen schlechter Abdichtung) und auch der Verschleiß nimmt oft zu. Das Einzige, was man dagegen tun kann, ist eine Überholung des Motors.
Kühlung:
Der Kolben wird gekühlt, indem Motoröl auf den Boden gespritzt wird. Dies kann mit einem Ölsprühgerät (siehe Bild unten) oder durch ein Loch in der Pleuelstange erfolgen. Dies wird zusammen mit weiteren Informationen zur Kühlung und Schmierung auf der Seite beschrieben Schmiersystem.
