Als Werkstoff für den Kolben steht mit Aluminium ein leichter und in Reinform noch zu weicher Werkstoff zur Verfügung. Sein Schmelzpunkt liegt bei 660°C, dauerhafte Verformungen sind aber schon ab 400°C zu befürchten. Das ist eine Temperatur, die der Kolben eines Dieselmotors u.U. am Rand der Kolbenmulde (Bild 1) erreichen kann. Zur Erhöhung der Festigkeit wird Aluminium stets mit (z.B. 15%) Silizium legiert.

Um auch die Wärmeleitfähigkeit noch zu verbessern, kommen geringe Mengen Kupfer hinzu. Daran mag man erkennen, wie wichtig die rasche Wärmeableitung am Kolben ist. Die meiste Wärme wird nicht über den Schaft, sondern über den obersten Kolbenring auf die Zylinderwand übertragen. Für den schnellen Weg dorthin wird Kupfer hinzulegiert, obwohl es die Dichte des Kolbenwerkstoffs und damit sein Gewicht erhöht.

Man mag daran erkennen, wie wichtig die Betriebssicherheit durch Einhaltung fester Temperaturgrenzen ist. Je stärker der Kolben belastet ist, umso mehr überträgt man die Aufgabe der Kühlung auf das Schmiersystem. Hier ist dann entscheidend, wie nah die Spritzkühlung den Bereichen größerer Erwärmung kommt. Hier spielen z.B. auch Materialdicken eine Rolle. Zwischen einfachem Anspritzen des Kolbenbodens, Eintritt des Spritzöls in einen Ringkanal und direktes Kühlen des Ringträgers ist eine stufenweise Vergrößerung des Kühlungsanteils durch das Schmiersystem möglich.

Auch die Verteilung der Wärme innerhalb des Kolbens ist wichtig. Überhaupt neigen viele Bauteile des Verbrennungsmotors zu Spannungen durch ungleiche Erwärmung. Ungleiche Ausdehnung durch Hitze macht z.B. einen hydraulischen Ventilspielausgleich nötig. Auch haben es moderne Zylinderköpfe nicht leicht, weil deren eine Seite durch den Ansaugtrakt dauerhaft kälter und die andere Seite durch Abgaskanäle wärmer bleibt. Wenn dann noch die vielen Hohlräume hinzukommen, kommt es leicht zu Rissbildung und damit zu dauerhaften Schäden.

Zurück zum Kolben. Sein Oberteil ist temperaturbelastet, das Unterteil hat mehr mechanische Aufgaben. Bei zunehmender Beanspruchung z.B. bei den Nutzfahrzeugen oder sogar Großmotoren mit über 250 bar Druck, wird der Kolben geteilt und das Oberteil aus AlSi mit dem Unterteil aus Stahl durch bis zu vier meist Dehnschrauben verbunden. Die Verbindung zwischen beiden transportiert noch weniger Wärme als bei einteiligen Kolben, weil hier die Spritzkühlung diese Aufgabe weitgehend übernimmt.

Der Kolben erhält eine ausgewogenere Gewichtsverteilung, ist nicht mehr ganz so kopflastig. Womit wir bei einem zweiten, wichtigen Thema wären, der Masse des Kolbens. Dessen Hin- und Herbewegung wird durch Gewichte an der Kurbelwelle nur zu 50 Prozent ausgeglichen. Auch Ausgleichswellen ändern an deren Massekräften nicht viel, zumal sie ja häufig auch noch optional und unter der Ölwanne angeordnet sind und sich damit kein optimales Zusammenspiel mit dem Rest des Motors ergibt. Auch die Anbauteile des Kolbens sind nicht leicht, schon gar nicht der Kolbenbolzen, der sich als schwerstes Fremdteil am Kolben erweist.

Die Nabenbüchsen sind aus einer Bronzelegierung, während die Kolbenringe, ehemals aus Sondergusseisen, inzwischen deutlich geschrumpft und z.T. auch noch aus mehreren Einzelkomponenten bestehen. Es muss also Gewicht gespart werden. Jetzt kommt das am Kolben sehr wichtige Maß der Kompressionshöhe ins Spiel. Sie soll schrumpfen, was bei indirekt einspritzenden Benzinern weniger ein Problem ist als bei direkteinspritzenden Dieselmotoren. Zwar wird die Kolbenkammer immer flacher, ist aber immer noch nötig.

Trotzdem sehen heutige Kolben ganz anders aus als ihre älteren Kollegen. Nicht mehr kastenförmig (Bild 2), sondern mit deutlich eingezogenen Schaftflächen, nur noch dort vorhanden, wo sie den Kolben effektiv führen müssen. Der Kolbenbolzen ist sehr weit in Richtung Kolbenboden gerückt. Das extremste Beispiel ist der Rennkolben in Bild 3. Schauen Sie sich bitte auch noch den zerklüfteten Kolbenboden in Bild 4 an.

Das Bild 5 gibt zumindest eine Teilantwort auf die Frage, wie das Öl zur Schmierung des Kolbens auf die Zylinderwand kommt, denn hier gibt es eine gut sichtbare Bohrung vom Salzkühlkanal nach außen. Übrigens, dieser Umlauf von Öl unter dem Kolbenboden hat deshalb etwas mit Salz zu tun, weil dieses während des Gussvorgangs als eine Art Kern dient und dann später mit Wasser unter Hochdruck ausgespült wird. 07/11