Kolben - Belastung
Neben der Abdichtung des Verbrennungsraumes soll der Kolben hauptsächlich Druck und Wärme aufnehmen. Den Druck leitet er zum größten Teil an das Pleuel und
die Wärme an den Zylinder weiter. Bei Zweitaktmotoren steuert der Kolben Einlass- und/oder
Auslasskanäle. Da er mit hoher Beschleunigung arbeitet, ist sein Gewicht von entscheidender Bedeutung. Gerade in den letzten Jahren konnte dieses durch Änderungen in der Konstruktion und Werkstoffwahl
erheblich gesenkt werden.
| Maximale Beanspruchung und Genauigkeit |
- In einer Minute 12.000 Mal von 0 auf 80 km/h und zurück,
- bis zu 8 t Belastung bei einem Druck von 75 bar,
- Maximaltemperatur bis 350°C am Kolbenboden,
- bei Quetschkanten im Zylinderkopf weniger als 1 mm Abstand,
- gefertigt mit bis zu 1/1000 mm Toleranz.
| AlSi-Guss oder geschmiedet, Oberflächenschutz |
Der Kolben soll ein geringes spezifisches Gewicht haben und wird deshalb aus bei Benzinmotoren immer aus Aluminium-Legierung gegossen oder z.B. bei
Hochleistungsmotoren gepresst (geschmiedet) mit 10 - 25% Silizium und sehr wenig anderen Metallen. Bei Dieselmotoren gibt es inzwischen auch Stahlkolben.
Er berührt mit dem mittleren und besonders dem unteren Teil des Schaftes den Zylinder und hat dort den größten Durchmesser. Weniger als 1/10 mm dicke Schichten aus Grafit, Zinn, Blei oder Eloxieren verbessern
die Gleiteigenschaften. Eine Eisenschicht (Ferrocoat) ist eine der Möglichkeiten, den Kolben auch in Al-Zylindern einzusetzen.
| Verbrennungstemperaturen bis zu 2500°C |
| Temperaturen am flüssigkeitsgekühlten Viertaktkolben |
| Benzinmotor | Kolbenboden | Mitte | bis 250°C |
| außen | bis 200°C |
| Seitenwand | Feuersteg | bis 200°C |
| Schaftmitte | bis 120°C |
Dieselmotor
Direkteinspritzer | Kolbenboden | Mitte | bis 350°C |
| außen | bis 300°C |
| Seitenwand | Feuersteg | bis 300°C |
| Schaftmitte | bis 180°C |
| Größere Ausdehnung kompensieren und desachsieren |
Ein Kolben aus AlSi-Legierung hat besonders in einem Grauguss-Zylinder eine zu große Wärmeausdehnung. Durch eingegossene Stahlstreifen (Bild 2) wurde
früher erreicht, dass
sich der Kolben in Richtung der Bolzenachse stärker ausdehnte. Allerdings hat ein kalter Kolben immer noch in Richtung des Kolbenbolzens einen um bis zu knapp 1 Prozent geringeren Durchmesser als im rechten
Winkel dazu.
Bei einem Kolbenbolzen in der Mitte würde der Kolben genau in OT die Zylinderseiten wechseln. Man unterscheidet daher eine mehr und eine weniger druckbelastete Zylinderseite. Um den Wechsel in den Bereich
geringerer Druckbelastung vorzuverlegen, wird die Bolzenachse leicht zur stärker druckbelasteten Seite versetzt (Desachsierung).
| Ölspritzkühlung und verstärkte Kolbenringnut |
Bei aufgeladenen Motoren kühlt man zusätzlich, indem Öl von unten über eine Zulaufbohrung in einen Ringkanal gespritzt wird. Für den Umlauf des Öls im Kühlkanal sorgt die Kolbenbewegung.
Kolben mit einer
besonders hohen Verdichtung (Dieselmotoren) haben einen Ringträger (Bild 2). Dies ist eine eingegossene Nut für den ersten Kolbenring aus Gusseisen. 10/10
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