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Kolben



Druck und Wärme, das hat der Kolben auszuhalten. Als Hohlzylinder mit Deckel dichtet er den Verbrennungsraum ab und wandelt Druck in mechanische Arbeit um. Diese wird über den Kolbenbolzen und das Pleuel an die Kurbelwelle weitergegeben. Dort ist aus der Hin- und Herbewegung (Ozillation) eine Drehbewegung (Rotation) geworden. Die durch den Verbrennungsdruck erzeugte Kraft kann nicht vollständig an das Pleuel gegeben werden, weil es in den allermeisten Stellungen schräg zum Kolben angeordnet ist. Also ergibt sich neben der sogenannten Stangen- auch noch eine Seitenkraft.

Der Anteil der Seitenkraft hängt von der Schrägstellung des Pleuels ab. Sie nimmt z.B. beim Gang von OT nach UT zu, bis das Pleuel mit dem Kurbelzapfen einen rechten Winkel bildet. Danach nimmt sie wieder ab, bis der Kolben die Seiten wechselt. Dieser Wechsel wird bewusst in eine druckarme Zone verlegt, um den Wechsel so belastungs- und geräuscharm wie möglich vollziehen zu können. Dabei ist natürlich auch die Größe des Kolbenspiels in Kipprichtung wichtig.

Problematisch ist die enorme Geschwindigkeitsänderung des Kolbens, die während eines Hubes von Stillstand über Spitzentempi bis 30 m/s wieder auf Null zurückgeht. Deshalb sind beim Kolben schon früh Materialeinsparungen und -mixturen zur Einsparung von oszillierender Masse ausprobiert worden. Auch die Schmierung leidet unter diesen Geschwindigkeitsbedingungen, denn die unbedingt notwendige Hydrodynamik kann sich bei annähernd Stillstand nicht aufbauen. Heutige Kolben erreichen mittlere Gleitgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s, im Rennbereich sogar noch mehr.

Neben der unter allen Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitssituationen nötigen Abdichtung gegen Gas- und Schmiermittel ist beim Kolben als zusätzliche Aufgabe die Beeinflussung der Strömung von in den Brennraum eintretenden Gasen gekommen. Besonders die Direkteinspritzung und davon abgeleitet die Schichtladung stellt hier hohe Ansprüche. Weiterhin sind die Seitenwände derart weiter entwickelt, dass selbst unter ungünstigen Umständen ein Fressen und damit ein gegenseitiges Eindringen in Material mit der Zylinderwand unterbunden wird. Betriebsbereitschaft auch unter ungünstigsten Umständen hat Priorität.

Natürlich kommt beim Zweitaktmotor noch die Kanalsteuerung hinzu. Immerhin sind auch dort die Kolben durch Umkehr- oder Gleichstromspülung einigermaßen symmetrisch und haben keine einseitigen Masseanhäufungen, die bei steigenden Anforderungen problematisch sein können. Zweitakter kommen bei ganz kleinen und sehr großen Motoren vor, wo die durch Schrägstellung der Pleuel auf den Kolben wirkenden Seitenkräfte durch Kreuzköpfe aufgefangen werden. Nicht nur hier hat sich die Lebensdauer vervielfacht.

Dabei ist der Druck auf moderne Kolben bedingt durch massive Aufladung enorm. Massenkräfte, die unter diesem Druck weitergegeben werden müssen, betragen nicht selten mehrere Tonnen. Besonders stark sind die Anforderungen z.B. bei falschen Einspritzmengen und -zeiten (Dieselmotoren) oder klopfender Verbrennung (Benziner). Hier kann das Schlagartige der Drucksteigerung zusätzlich belasten und sollte trotzdem nicht zu einem Totalausfall führen. Gegen solche Ausfälle hilft ausgeklügelte Elektronik, aber auch z.B. durch Überzüge schützende Mechanik. 09/12


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