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Kolben (Technik)

Ein Kolben ist ein zylinderförmiges Maschinenbauteil, das sich in einem Zylinder auf und ab bzw. hin- und herbewegt.

Die Aufgabe des Kolbens ist es, in einer Kolbenmaschine physikalischen Druck in Bewegung umzusetzen und dadurch die Maschine anzutreiben, oder umgekehrt durch Kompression eines Mediums einen Druck zu erzeugen (Kolbenpumpe).

Der Kolben zeigt folgende funktionale Partien:

  1. ein Kolbenboden, der mit dem Medium in Kontakt steht,
  2. das Kolbenhemd: das zylindrische Bauteil, das mit einem kleinen Spiel in die Zylinderbohrung passt,
  3. den Kolbenbolzen mit seiner Lagerung, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet.

Inhaltsverzeichnis

Kolben in Verbrennungsmotoren

Kolben für Hubkolbenmotoren werden heutzutage überwiegend aus Aluminiumgusslegierungen gefertigt, früher hingegen oft aus Gusseisen. Die Herstellung des Rohlings erfolgt im Kokillenguss, teils werden Kolben auch geschmiedet. Anschließend folgt die mechanische Bearbeitung des Außendurchmessers, der Ventiltaschen, der Kolbenring-Nuten und der Kolbenbolzen-Bohrung.

Technologisch bestehen zwischen Diesel- und Ottomotorkolben aufgrund der unterschiedlichen Belastungen beider Verbrennungsprozesse wesentliche Unterschiede.

Dieselkolben sind sowohl thermisch als auch mechanisch höher belastet und müssen daher in der 1. Kolbenringnut mit einem eingegossenen Ringträger aus einem austenitischen Gusseisen ("Niresist") verstärkt werden um ein Ausschlagen der Nut und Materialübertrag auf den Ring durch Mikroverschweißungen zu verhindern. Bei sehr hoch belasteten Kolben werden in der Bolzenbohrung Messingbuchsen eingedehnt. Ein weiteres charakteristisches Kolbenmerkmal direkteinspritzender Dieselmotoren ist die Bodenmulde, in der der eingespritzte Kraftstoff mit der Luft verwirbelt und vermischt wird. Thermisch hoch belastete Kolben (insbesondere Renn-, Flug- oder Turbodiesel-Motoren) werden oftmals mit Spritzdüsen zur Kühlung des Kolbenbodens realisiert. Dabei kann der Kolben einen umlaufenden Ölkanal besitzen oder nur durch Bodenanspritzung gekühlt werden. Bei langsamlaufenden Großmotoren kann der Kolben auch durch Umlaufkühlung gekühlt werden. Das Medium wird dabei durch eine teleskopierbare Stange dem Kolben zugeführt.

Charakteristisch für Otto-Kolben ist die deutlich dünnwandigere Gestaltung, die wegen des geringeren Gewichts höhere Drehzahlen des Motors erlaubt. Im Bereich der 1. Kolbenringnut kann teilweise eine Hartanodisierung zur Verminderung von Verschleiß und Mikroverschweißungen zum Einsatz kommen.

Der Kolbenboden trägt teilweise flache Taschen zur Aufnahme der in den Brennraum hineinragenden Ventile.

Das Kolbenhemd dient der Führung des Kolbens im Zylinderrohr und ist bei den meisten Kolben mit einem Gleitlack beschichtet. Es trägt bei älteren Bauarten oft innen einen eingegossenen Stahl-Streifen ("Regelplatte", "Autothermik-Kolben"), um das Durchmesserwachstum bei Erwärmung zu steuern. Zur Gewichtsersparnis ist heutzutage bei vielen schnelllaufenden Viertaktmotoren das Kolbenhemd an den Seiten (an den Kolbenbolzen-Öffnungen) nach innen versetzt ("Kasten"-Kolben).

Eine seltene Kolbenbauform ist der Gelenkkolben [1] [2], der sowohl der optimierten Verbrennungsraumgestaltung als auch dem Thermomanagement des Motors beiträgt.

Der Kolben trägt eine oder mehrere Nuten für die Kolbenringe, deren Obersten die Kompressionsringe sind und zumindest ein unterer als Ölabstreifring dient. PKW-Kolben besitzen zum überwiegenden Teil 2 Kompressions- und einen Ölabstreifring. Für Rennmotoren kommen auch sogenannte 2-Ring-Kolben mit nur einem Kompressionsring zum Einsatz.

Bei Zweitaktern können die Kolbenhemden auch mit Fenstern versehen sein. Zusätzlich besitzen die meisten Zweitaktkolben Sicherungsstifte in den Kolbenringnuten, um ein Verdrehen und Verklemmen der Kolbenringstöße, in den Steuerfenstern des Zylinders, zu verhindern. Bei alten Motoren bis in die 1950er Jahre war bei 2-Taktern ein Nasenkolben üblich, um den Gaswechsel- oder Spülvorgang zu ermöglichen. Modernere Zweitakt-Motoren besitzen jedoch in der Regel einen flachen Kolbenboden, da die Spülung bzw. der Gaswechsel als Umkehrspülung (System Schnürle) mit einem Richtungswechsel im Zylinder erfolgt.

Die Kraftübertragung des Kolbens auf das Pleuel geschieht über den Kolbenbolzen. Dieser wird im Kolben in der nach innen verdickten Partie des Hemds in einer Bohrung gelagert. Diese Bohrung trägt oft am Ende Nuten für Sicherungsringe ("Seegerringe"), um das seitliche Auswandern des Kolbenbolzens zu begrenzen.

Desachsierung des Kolbenbolzens

Im KFZ-Bereich ist die Achse des Kolbenbolzens um ca. 0,5 - 1,5 mm aus der Kolbenmitte zur druckbelasteten Seite hin versetzt. Ohne diese Desachsierung würde der Kolben die Anlageseite nach OT unter vollem Verbrennungsdruck wechseln. Infolge der Desachsierung wechselt der Kolben die Anlageseite bereits vor OT, wenn der Kompressionsdruck erst im Aufbau ist. Dies verringert den Verschleiß des Kolbens und reduziert die Motorgeräusche.

Hauptlieferanten von Kolben

Einzelnachweise

  1. Patent Gelenkkolben Elsbett-System
  2. Patent Verbesserung Gelenkkolben von der Mahle GmbH

Siehe auch