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  Kolben allgemein




Die große Gemeinsamkeit des Verbrennungsmotors mit der Dampfmaschine ist der Kurbeltrieb. Er bildet das Herz sowohl von Zwei- wie auch von Viertaktmotoren. Und das wichtigste Teil dieses Kurbeltriebs ist nun einmal der Kolben, denn er treibt an. Der Rest ist nur nötig, um von der Hin- und Herbewegung (Translation) zu einer Drehbewegung (Rotation) zu kommen. So etwas lässt sich zwar auch mechanisch anders lösen, aber das Pleuel und die Kurbelwelle haben sich auf breitester Front durchgesetzt. Der Kolben hat sich allerdings von dem in der Dampfmaschine weit wegentwickelt.

Mit Kraft- und Wärmeübertragung sind die Aufgaben des Kolbens nur unzureichend beschrieben. Der Zeitfaktor spielt eine große Rolle, denn Druck und Wärme bauen sich nicht langsam auf, sondern belasten den Kolben z.T. fast schlagartig. Dem steht auf der anderen Seite die von großer Massenträgheit gekennzeichnete Kraftübertragung zur den Antriebsrädern gegenüber, die keine Weitergabe der Wechselartigkeit der Belastung zulässt. Immerhin steht, sollte es besondere Rucke in diesem Antriebsstrang geben, mit der Reibungskupplung oder dem Drehmomentwandler noch ein gewisser Überlastschutz zur Verfügung.

Allein dem Kolben hilft das wenig. Er muss fast den gesamten Verbrennungsdruck übertragen. Problematisch ist, dass bedingt durch den Kurbeltrieb dabei auch noch Seitenkräfte auftreten, bis zu 10 Prozent der Gaskräfte. Überhaupt wechselt der Kolben sogar relativ unregelmäßig mehrmals während der vier Takte die Seiten, teils unter hohem Druck, was man z.T. durch Desachsierung in den Griff zu kriegen versucht. Bei Großmotoren hilft hier ein Kreuzkopf oder Ausleger, um die Kräfte zunächst grade in Richtung Kurbelwellenmitte abzuleiten.

Blow-by-Gase werden diejenigen genannt, die sich, statt auf den Kolben zu drücken, an dessen Laufbahn und Abdichtungselementen vorbei in den Kurbelgehäuse-Raum verdünnisieren. Natürlich verbleiben sie dort nicht, sondern sorgen bis zu ihrer Rückführung in den Brennraum für z.T. erhebliche Probleme. Für die Abdichtung gibt es Kolbenringe, die z.T. wegen völlig anderer Materialzusammensetzung diese Aufgabe wesentlich besser erfüllen können als die für den Kolben häufige AlSi-Legierung.

Hier ist dann schon eine kritische Stelle angesprochen, nämlich die Gleit- und Abdichtungsbahn des Kolbens, die Zylinderlauffläche. Denn auch die Langzeitbelastung ist hoch. Gehen wir bei einer Laufleistung von 100.000 km im gemischten Verkehr von 1500 Betriebsstunden aus und nehmen einmal sehr geringe 2000/min als durchschnittliche Drehzahl an, so durcheilt der Kolben 360 Mio. Mal den Hub. Kein Wunder, dass an der Kombination Zylinderlaufbahn/Kolbenoberfläche noch immer viel experimentiert und verändert wird.

Wo ja inzwischen nicht mehr so sehr der Verschleiß, als vielmehr die Verringerung der Reibung im Vordergrund steht. Schauen Sie sich nur die kleineren Auflageflächen moderner Kolben und deren Beschichtung an. Sogar die Einlaufzeit verkürzt man, indem man der Zylinderoberfläche eine begrenzte Rauigkeit verpasst. Ganz ohne diese geht es wohl nicht, weil sonst zu wenig Schmierung vorhanden wäre. Der Schmierfilm wirkt ohnehin stark hydrodynamisch, was übrigens in den Totpunkten nicht unproblematisch ist.

Auf die Steuerung der Ein- und Auslasskanäle beim Zweitaktmotor werden wir an dieser Stelle erst eingehen, wenn dieser Motor als Vierradantrieb eine Renaissance erleben sollte, vielleicht dann auch mit Ventilsteuerung. Allerdings trägt der Kolben zur Gemischbildung nicht unerheblich bei, genauer gesagt zur Gemischführung. Ins Auge sticht dabei der enorme Formenreichtum des Kolbenbodens beim Benzin-Direkteinspritzer, wobei man vergisst, dass der Kolben beim Diesel-Direkteinspritzer schon immer einen erheblicheren Teil des Brennraums aufgenommen hat und über seine Formgebung erheblich am Ablauf des Verfahrens beteiligt ist. Last but not least die Wärmeableitung. Wir werden wohl später noch einmal darauf zurückkommen müssen, welchen Aufwand man z.B. mit Hilfe des Schmiersystems treibt, um bei deutlich gestiegener Belastung die Kolbentemperaturen in erträglichen Grenzen zu halten. Man spricht hier von Spitzen weit über 2000°C hinaus, die sich wohl nur örtlich begrenzt und träge zeigen und ziemlich bald abgeleitet werden, denn sonst wären sie mit der Schmelztemperatur des Kolbenwerkstoffs wohl nicht in Einklang zu bringen, der bei Aluminium bei 660°C liegt und die als Si-Legierung eher sogar noch reduziert ist.

Tonnen wirken nicht nur bei Volllast auf den Kolben, ein weiterer Grund für seinen Materialmix. Denn die Menge an durch Gießen und eventuelles Schmieden zu verarbeitendes AlSi ist geringer geworden. Nicht nur, weil das Volumen des Kolbens z.B. am Schaft geschrumpft ist, sondern viele kleine Helferlein mit eingegossen bzw. eingeschrumpft sind. Etwas älteren Datums sind die Streifeneinlagen, die mit dem Aufkommen des Alu-Zylinderblocks verschwunden sind. Dann gibt es die evtl. sogar gekühlten Ringträger und auch für Pkw-Diesel schon übliche Nabenbuchsen als Lagerung des Kolbenbolzens. 07/11



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