Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die Kolbenkonstruktion und der Kolbenwerkstoff über folgende Eigenschaften verfügen:

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Erna Weiner
vor 7 Jahren
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1 Lektion 1: Funktion des Kolbens Der Kolben ist eines der thermisch und mechanisch am höchsten beanspruchten Bauelemente des Verbrennungsmotors. Zusammen mit den Kolbenringen und dem Kolbenbolzen hat er folgende Aufgaben: Aufnahme und Übertragung der Gasdruckkräfte auf den Pleuel Abdichtung des Brennraumes Geradführung des Pleuels Aufnahme und Führung der Kolbenringe Abführung der vom Arbeitsgas auf den Kolbenboden übertragene Wärmemenge an die gekühlte Zylinderwand Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die Kolbenkonstruktion und der Kolbenwerkstoff über folgende Eigenschaften verfügen: Hohe Warmfestigkeit Hohe Verschleißfestigkeit Geringes Gewicht bei ausreichender Festigkeit Gute Wärmeleitfähigkeit 3.2 Belastung des Kolbens Der Kolben ist hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Das Ausmaß der Belastung hängt vom Betriebspunkt ab. Sowohl steigende Drehzahl- als auch steigende Lastwerte (Drehmomente) bedeuten für den Kolben höhere Beanspruchung, d.h. höhere Gasdrücke und Temperaturwerte. Das Bild 3.1 den Druck und Temperaturverlauf während des Arbeitstaktes im Zylinder eines Viertakt-Dieselmotors. Bild 3.1 Zeitlicher Verlauf des Gasdruckes (Kurve a) und der gemittelten Gastemperatur (Kurve b) Die mechanischen Belastungen (Druckwerte) liegen bei Dieselmotoren generell höher, bei den thermischen Belastungen ist es eher umgekehrt. 3

2 Motor Ottomotor Saugmotor Turbomotor Dieselmotor Saugmotor Turbomotor max. Gasdruck 6-9 MPa 9-12 MPa 8-10 Mpa Mpa Spitzen- Temperatur Abgas- Temperatur 2300 o C C 2000 o C C Tabelle 3.1: Gasdrücke und Temperaturen im Brennraum Die sich schnell ändernden Temperaturwerte machen sich bei den Bauteiltemperaturen nicht mehr bemerkbar. Wegen ihrer thermischen Trägheit folgen sowohl der Kolben, als auch andere Bauteile des Brennraums diesen Temperaturschwankungen nicht völlig. Die Amplitude der Temperatursachwankungen beträgt an der Kolbenoberfläche nur einige o C und nimmt nach innen schnell ab. Die Betriebstemperatur und die Temperaturverteilung eines Kolbens stellt sich aufgrund eines Gleichgewichtes ein: Durch die Berührung mit den heißen Verbrennungsgasen wird dem Kolben vom Kolbenboden her Wärme zugeführt Über die Kolbenringe (etwa 70%), über den Kolbenschaft (etwa 15%) und über Kolbenbolzen sowie Kolbeninnere (etwa 15%) wird Wärme abgeführt. Kolben für Ottomotoren haben ihr Temperaturmaximum meist in der Mitte des Kolbenbodens. Bei Brennräumen mit einer Mulde im Kolbenboden treten die maximalen Temperaturwerte am Muldenrand auf. Zum Kolbenrand hin fällt die Temperatur gleichmäßig ab. An der Kolbenwand sind bei Otto- und Dieselkolben qualitativ ähnliche Temperaturprofile zu vermerken. Typische Temperaturprofile sind im Bild 3.2 und 3.3. dargestellt Temperatur Grenzwerte: C Kolbenboden (Materialfestigkeit) C 1. Ringnut (Ölverkokung) Bild 3.2 Temperaturprofil an Diesel- und Ottokolben 4

3 Durch die konstruktiv festgelegten Werkstoffquerschnitte ergeben sich Wärmeströme vom heißen Kolbenboden zur gekühlten Kolbenwand bzw. bei gekühlten Kolben auch zum Kühlkanal hin, die zu charakteristischen Temperaturfeldern führen. (siehe Bild 3.3) Bild 3.3 Temperaturverteilungen Kolbenkühlung Die thermische Belastung der Kolben lässt sich wegen der oberhalb von etwa 150 C mit zunehmender Temperatur stark abnehmenden Dauerfestigkeit der AlSi-Legierungen nur begrenzt steigern. Die Festigkeit der Al-Si-Legierung ist im Gegensatz zu Eisenlegierungen stark temperaturabhängig. Bild 3.4 Temperaturabhängigkeit der Festigkeitswerte Die aus der Betriebsfestigkeit gefährlichen höchsten Kolbentemperaturen treten am Kolbenboden am Muldenrand, sowie in der ersten Kolbenringnut auf. Am Muldenrand von Dieselmotoren können Temperaturen bis zu o C auftreten. Bei diesen Werten sinkt die Dauerfestigkeit sogar um bis zu 80 % ab. Bei diesen verminderten Dauerfestigkeitswerten können sich bei großen überlagerten thermischen und Mechanischen Leistungen radiale Risse bilden, die sogar zum Totalschaden des Kolbens führen können. 5

4 Bild 3.5 Rissbildung am Muldenrand wegen thermischer und mechanischer Wechselbelastung Wenn die maximal ertragbare Temperaturen im Kolbenringbereich überschritten werden, können besonders in der 1. Ringnut plastische Verformungen und erhöhter Verschleiß auftreten. Zusätzlich kann beim Schmieröl eine thermisch bedingte chemische Zersetzung eintreten, die zur Ablagerung der Oxidationsprodukte im Nutgrund führen kann. Diese Ablagerungen können im System Kolbenringnut-Kolbenring zur Wärmeisolation und zur Verschlechterung der Wärmetransport vom Kolben zur Zylinderwand führen. Die Ablagerungen können schließlich die Kolbenringe in ihrer Eigenbewegung hindern und die Ringe sogar vollständig blockieren. Dazu kommt noch, dass die Motoren im Zuge der Entwicklung im Interesse der Wirkungsgradverbesserung auf immer größere spezifische Leistung ausgelegt werden, was zwangsläufig zu höheren mechanischen und thermischen Belastungen führt. Bild 3.6 Kolbentemperaturen in Abhängigkeit der spezifischen Leistung ohne und mit Kühlkanal Wie aus Bild 3.6 ersichtlich, lassen sich diese Leistungssteigerungen nur verwirklichen, wenn die Kolbentemperaturen durch gezielte Kühlung begrenzt werden. Hierfür reicht in manchen Fallen das Anspritzen der Kolbeninnenform mit Öl durch Standdüsen aus (Temperaturreduzierung in der 1. Ringnut um 10 bis 30 C). Bei Dieselmotoren mit Brennraum im Kolben müssen sogenannte Kühlkanalkolben eingesetzt werden. Diese werden mit wasserauslösbaren Salzkernen hergestellt. 6

5 Bild 3.7 Möglichkeiten der Kolbenkühlung Das Kühlöl wird von einer sorgfältig justierten, gehäusefesten Düse aus über eine Zulauföffnung im Kolben in den ringförmigen Kühlkanal eingespritzt. Für eine gute Wärmeabfuhr ist die Einhaltung der richtigen Ölmenge von entscheidendem Einfluss. Den Ablauf bildet eine Bohrung an der Kolbeninnenseite, die bevorzugt auf der dem Zulauf in etwa gegenüberliegenden Seite des Kühlkanals angeordnet sind. Mit einer optimierten Kühlkanal-Lage können deutliche Temperaturabsenkung nicht nur am Muldenrand sondern auch im Bereich der Ringnuten erreicht werden. Bild 3.8 Kühlkanalkolben - Einfluss der Kanallage auf die Ringnuttemperatur Abhängig von der Lage des Kühlkanals wird eine deutliche am Muldenrand sowie im Ring-, Abstutzungs- und Nabenbereich erreicht. Im Bereich der 1. Nut können Temperaturabsenkungen von 25 bis 50 C erreicht werden. 7

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