Query: Wozu hat man einen Kolben im Motor?

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Kolbenmaschinen sind Maschinen, die die potentielle Energie eines Fluids (der Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit) durch Zufuhr oder Entnahme mechanischer Energie mit Hilfe eines Verdränger-Bauteils (Kolben) entweder erhöhen oder vermindern. Im Falle eines Verdichters (für Gase) oder einer Pumpe (für Flüssigkeiten) wird dem Medium über den Kolben potentielle Energie zugeführt (Druckerhöhung). Im umgekehrten Fall, bei Motoren, wird die potentielle Energie des Mediums über den Kolben in mechanische Energie umgewandelt, die dann über die Pleuelstange an der Kurbelwelle abgegriffen werden kann.

Das Triebwerk oder der Kurbeltrieb eines Motors umfasst alle Teile, die direkt an der Umwandlung der Gasdrücke im Zylinder erst in eine geradlinige und anschließend in eine rotierende Bewegung beteiligt sind. Die Aufgaben, die an diese in Kolbenmaschinen zentrale Baugruppe gestellt werden, und die Beanspruchungen, denen sie ausgesetzt ist, sind äußerst umfassend. Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet ist es verständlich, dass die meisten Schäden im Motor, die Peripherie außer Acht gelassen, hier auftreten. Insbesondere Kolben, Kolbenringe und Lagerflächen sind enormen Belastungen ausgesetzt. Der oszillierende Bewegungsablauf des Kolbens erschwert die Bildung eines stabilen Schmierfilms zwischen Kolbenschaft sowie Kolbenring zur Zylinderlauffläche und zwischen Kolbenbolzen und Nabenbohrung im Kolben. An den Totpunkten bricht der Schmierfilm regelmäßig zusammen, vermehrte Reibung mit all ihren Begleiterscheinungen ist die Folge (Verschleiß, Fressen). Die oft zerklüftete Form des Kolbenbodens zur Unterstützung der Gemischbildung nimmt sehr viel Wärme auf, die Kolbenringe können aber nur im begrenzten Maße Wärme abgeben. Vor allem in schlitzgesteuerten Zweitaktmotoren erwärmt sich der Kolben in Auslassnähe sehr stark.

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Der Kolben zeigt folgende funktionale Bestandteile: Kolben für Hubkolbenmotoren werden heute überwiegend aus Aluminiumgusslegierungen gefertigt, früher oft aus Gusseisen. Die Rohlinge werden in Kokillen gegossen, für manche – insbesondere für leistungsstarke Motoren – auch geschmiedet. Anschließend werden Mantelfläche, Ventiltaschen, Kolbenringnuten und die Kolbenbolzen-Bohrung mechanisch bearbeitet.

In Motoren werden in diesen so geschaffenen veränderbaren Hohlräumen einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium ein Teil seiner Energie entnommen, die dann in einer Arbeitsmaschine genutzt werden kann. In Pumpen und Verdichtern hingegen wird Energie zugeführt, wobei der Druck und bei Gasen auch die Temperatur des Mediums steigt.

Zu Beginn des 1. Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil wird geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Gasgemisch oder Luft durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung, wie Dieselmotoren oder Ottomotoren mit Direkteinspritzung, wird nur Luft angesaugt. Bei äußerer Gemischbildung, wie bei Vergaser-Motoren oder Motoren mit Saugrohreinspritzung, wird ein Gemisch aus Luft und dem zerstäubten Kraftstoff angesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen und der erste Takt ist beendet.

Der Motor hat eine, in tauschbaren Dünnwand­lagerschalen gelagerte, geschmiedete Kurbelwelle. Die Lagerzapfen der Kurbelwelle und die der Pleuel sind geschliffen und induktionsgehärtet. Die Gegengewichte sind an den mittleren und äußeren Kurbelwangen angebracht. Auf der kraftabgebenden Seite des Motors ist das Schwungrad mit der Kurbelwelle verschraubt. An der Steuerseite ist die Kurbelwelle mit einem Zahnrad versehen, das die Ölpumpe und über ein Zwischenrad die Nockenwelle und die Einspritzpumpe antreibt. Die vier Pleuel sind geschmiedet. In jedes kleine Auge ist eine Lagerbuchse eingepresst und in jeden Pleuelfuß eine Dünnwandlagerschale eingesetzt. Im Pleuel verläuft eine Ölbohrung, durch die das zur Schmierung und Kühlung des Kolbenbolzens notwendige Öl aus einer Spritzdüse vom kleinen Pleuelauge aus gedrückt wird. Der durch zwei Sicherungsringe im Kolben fixierte Kolbenbolzen ist sowohl im Pleuel als auch im Kolben schwimmend gelagert. Der Kolben ist aus einer warmfesten Leichtmetalllegierung gegossen. Der Brennraum ist kugelförmig in Kolbenmitte. Der Kolben hat zwei Kompressionsringe und einen Ölabstreifring, der Ringträger für den ersten Kompressionsring ist in den Kolben eingegossen. Die nassen Zylinderlaufbuchsen sind aus Schleuderguss hergestellt, zwei Gummidichtringe am unteren Laufbuchsenbund dichten zum Kurbelgehäuse hin ab. Der Motor hat zwei wie das Kurbelgehäuse aus Grauguss hergestellte Zylinderblöcke, die aus jeweils zwei Zylindern bestehen. Der Motor hat somit zwei Zylinderköpfe, jeder für zwei Zylinder.

Um trotz des nicht zum Zündabstand passenden Bankwinkels eine gleichmäßige Zündfolge zu erreichen, weichen einige Konstruktionen von der üblichen Maßgabe ab, auf einem breiten Kurbelzapfen zwei Pleuel – für je einen Kolben jeder Bank – anzuordnen. Diese Motoren führen stattdessen jeden Kolben auf seinem eigenen Hubzapfen. Dazu bedarf es einer verschränkten, komplexeren Kurbelwelle, wobei allerdings zwischen den Pleueln der versetzten Hubzapfen meist keine zusätzlichen Hauptlager angeordnet sind.

Dieselkolben sind sowohl thermisch als auch mechanisch höher belastet und müssen daher in der ersten 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 Merkmal der Kolben von Dieselmotoren mit direkter Einspritzung 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 oft mit Spritzdüsen (für Motoröl) zur Kühlung des Kolbenbodens realisiert. Dabei kann der Kolben mit einem umlaufenden Ölkanal versehen sein oder nur durch Bodenanspritzung gekühlt werden. Bei langsamlaufenden Großmotoren kann der Kolben auch durch Umlaufkühlung gekühlt werden. Das Medium wird dem Kolben dabei durch ein teleskopierbares Rohr zugeführt.

Der Kolben der Motoren ist thermisch hoch belastet, daher wird er mit Wasser oder mit Öl gekühlt (Kolbenkühlung). Zur Kolbenkühlung dient ein separates Kühlsystem mit eigener Pumpe, um eine beständige Zirkulation zu gewährleisten. Bei der Wasserkühlung erfolgt die Wasserzufuhr zum Kolben mit Hilfe von Schläuchen oder Rohren, die am Kreuzkopf angeflanscht sind.

Pumpen und Motoren sind im Aufbau ähnlich. Wie alle Axialkolbenmaschinen besitzt auch die Schrägscheibenmaschine ein mit der Antriebswelle fest gekoppeltes Drehteil mit darin befindlichen Zylinderbohrungen, in denen die Kolben laufen. Die Kolben stützen sich analog zur Schrägachsenmaschine über gelenkige Lager an einer Gleitscheibe ab. Bei Schrägstellung der Scheibe (bei Verstellmaschinen kann die Stellung der Scheibe dazu verändert werden) führen die Kolben eine Hubbewegung aus, wenn die Pumpenwelle angetrieben wird (bzw. die Abtriebswelle führt eine Drehbewegung aus, wenn auf die Kolben Druck einwirkt).