VKM_I_Kap.3_4

2-Takt-/ 4-Takt-Verfahren

• Ansaugen der Frischladung
• Verdichten des Frischgases
• Verbrennung und Expansion
• Ausschieben der Abgase.

Diese vier Funktionen laufen beim:

• 2-Takt-Motor innerhalb von 1 Kurbelwellenumdrehung und beim
• 4-Takt-Motor innerhalb von 2 Kurbelwellenumdrehungen ab.

Ottomotor / Dieselmotor

Die Gesamtheit der Verbrennungsmotoren gliedert sich in

• Ottomotoren
• Dieselmotoren

Der Ottomotor ist charakterisiert durch eine Fremdzündung und eine Quantitätsregelung, bei der die Last wird über die Gemischmenge geregelt wird.

Der Dieselmotor ist charakterisiert durch eine Selbstzündung und eine Qualitätsregelung. Hierbei erfolgt die Zündung durch die hohe Verdichtungstemperatur und die Last wird mit Hilfe der Kraftstoffmenge bei gleich bleibender Luftmenge geregelt.

Anmerkung: Auch bei Einsatz von alternativen Kraftstoffen (z.B. CNG, H₂,...) gelten diese Grundprinzipien. Auf die speziellen Aspekte wird in den vertiefenden Kapiteln eingegangen.

Hubvolumen V_H

Die Motorenpalette unterscheidet sich hinsichtlich des Gesamthubvolumens. Die Spanne reicht von 0,5cm³ bis 23.000.000cm³.

Hub-/ Bohrungsverhältnis

Das Hub-/ Bohrungsverhältnis ist eine wichtige Größe bei der konstruktiven Motorauslegung. Eine Reihe von bedeutsamen Motoreigenschaften wie z.B. Kolbengeschwindigkeiten, Bauhöhe, Drehmoment-/ Leistungscharakteristik u.Ä. werden hierdurch beeinflusst. Man unterscheidet zwischen:

• Hub/Bohrung < 1 unterquadratisch (häufig auch Kurzhuber)
• Hub/Bohrung = 1 quadratisch
• Hub/Bohrung > 1 überquadratisch (häufig auch Langhuber).

Pleuelstangenverhältnis s

Mit dem Pleuelstangenverhältnis s ist als Quotient aus dem Kurbelradius r (halber Hub) und der Pleuellänge l eine von der Motorgröße unabhängige Beurteilung der Pleuellänge möglich (Abbildung 3-7).

Diese hat einen großen Einfluss auf

• Motorbauhöhe
• Massenkräfte zweiter Ordnung
• Reibung

Übliche Werte für ausgeführte Motoren sind:

• 4-Takt-Ottomotor 0,275...0,21
• 2-Takt-Ottomotor 0,260...0,20
• 4-Takt-Dieselmotor 0,330...0,22.

Verdichtungsverhältnis

Das Verdichtungsverhältnis ist der Quotient aus dem maximalen (V_max) und dem minimalen (V_min) Zylindervolumen.

Folgende wesentliche funktionelle Eigenschaften sind hiermit verknüpft:

• Thermischer Wirkungsgrad
• Klopffestigkeit beim Ottomotor
• Selbstentzündung beim Dieselmotor

Übliche Werte für ausgeführte Motoren sind:

• Ottomotor 8...12
• Dieselmotor 16...20.

Wasser-/ Luftkühlung

Die Verlustwärme von Motoren wird in den meisten Fällen entweder durch eine Wasserkühlung oder durch eine Luftkühlung abgeführt. Im Bereich der Fahrzeugtechnik hat sich hierbei die Wasserkühlung durchgesetzt, bei Flugzeugen oder kleinen 2-Takt-Motoren wird vielfach auf eine Luftkühlung zurückgegriffen.

Die konstruktive Auslegung der Kurbelwelle hat einen großen Einfluss auf die Motorcharakteristik, den Massenausgleich bzw. die Zündfolge, die Dauerhaltbarkeit und die Herstellungskosten. Dabei spielen die folgenden Punkte eine Rolle:

• Fertigung
• Material
• Anzahl der Hauptlager
• Anordnung der Kröpfungen
• Konstruktive Gestaltung

Pleuel

Die Pleuel bilden das Bindeglied zwischen den Kolben und der Kurbelwelle. Ihre Gestaltung beeinflusst die Motorbauhöhe, den Massenausgleich, die Montagefreundlichkeit, die Dauerhaltbarkeit sowie die Herstellungskosten.

Kolben

Die Kolben sind spezifisch stark belastete Bauteile des Motors. Sie sind sowohl Gas- als auch Massenkräften ausgesetzt. Damit nimmt ihre Konstruktion direkt Einfluss auf die Haltbarkeit des Motors, aber aufgrund der Reibbelastung auch auf die Verlustleistung und die Effektivität.

Nockenwelle

Die Auslegung und die Anzahl der Nockenwellen haben einen wichtigen Einfluss auf die Motorcharakteristik. Durch ihre Auslegung werden die sog. Steuerzeiten, also die Öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslassventile, des Motors und der Ventilhub festgelegt. Sie nehmen Einfluss auf das Drehmoment-/ Drehzahlverhalten des Motors.

Einlass- bzw. Auslassventile

Im Zusammenwirken mit den Steuerzeiten kann durch die Gestaltung der Ventile die Motorcharakteristik bestimmt werden. Dabei sind vor allem die Anzahl und die Größe der Ventile von Wichtigkeit. Die Anordnung im Zylinderkopf beeinflusst zusätzlich die Brennraumgeometrie und damit das Verbrennungsverhalten und die Emissionen des Motors.

Einlass- bzw. Auslasskanäle

Die Gestaltung der Kanalführung ist für das Drehmoment-/ Drehzahlverhalten des Motors ebenfalls eine wichtige Einflussgröße. Ferner hat die konstruktive Auslegung Auswirkungen auf das Gleichlaufverhalten der Zylinder und auf die Wärmebelastung des Zylinderkopfes.

Zylinderkopf

Die Kanalführung ist ein wichtiger Teil bei der Auslegung des Zylinderkopfes. Ein anderer Punkt ist jedoch die Gestaltung der Brennraumoberfläche. Sie wirkt sich auf den thermodynamischen Kreisprozess des Motors aus. Hinzu kommt der Wärmehaushalt, der ein wichtiges Auslegungskriterium bei der Gestaltung des Zylinderkopfes darstellt.

Zündkerzenlage (Ottomotor)

Mit der Konstruktion des Zylinderkopfes wird auch die Zündkerzenlage vorbestimmt. Diese wirkt sich auf das Verbrennungsverhalten des Motors, auf die Effektivität sowie das Emissionsverhalten aus.

Einspritzdüsen

Die Form und die Anordnung der Einspritzdüsen beeinflussen die Gemischbildung und das Verbrennungsverhalten. Diese Aspekte sind maßgeblich für den Verbrauch und die Emissionen des Motors verantwortlich.

Im Folgenden soll auf die wichtigsten konstruktiven Komponenten des Motors kurz eingegangen werden. Diese sind im Einzelnen:

• Kurbelwelle
• Pleuel
• Kolben, Kolbenbolzen, Kolbenringe
• Laufbuchsen und Motorblock
• Zylinderkopf und Ventilsteuerung

Aufgaben:

• Umsetzung der translatorischen Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung
• Aufnahme der Pleuelstangenkräfte und Umwandlung in ein Drehmoment
• Übertragung des Drehmoments an den Antrieb (Schwungrad, Kupplung)
• Antrieb der Ladungswechselorgane, Zündverteiler, Ölpumpe, Nebenaggregate, etc.
• Aufnahme von Gegengewichten zum Massenausgleich des Kurbeltriebes

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Oszillierende Massenkräfte (Kolben und anteilige Pleuelmasse)
• Rotatorische Massenkräfte (anteilige Pleuelmasse, Kurbel- und Gegengewichtsmassen)
• Dreh- (Torsions-) und Biegeschwingungen

Geforderte Eigenschaften

• Ausreichende Torsions- und Biegedauerfestigkeit (hohe Steifigkeit, kleine Masse, kompakte Bauweise, günstiges Resonanzverhalten)
• Haupt- und Pleuellagerzapfen, die eine der Belastung im Betrieb angemessene Lagerdimensionierung zulassen (ausreichende Tragfähigkeit)
• Lagerstellen so bemessen, dass Reibungsverluste gering sind und eine bestmögliche Schmierung gewährleistet wird (ausreichende Schmierung)

Aufgrund der bereits angesprochenen Gas- und Massenkräfte unterliegt die Kurbelwelle hohen Beanspruchungen. Die Gaskräfte, die vor allem bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten eine wichtige Rolle spielen, bewirken eine Stauchung des Kurbelzapfens und eine Biegung der Kurbelwange, wie in der Abbildung 3-10 schematisch dargestellt. Die Massenkräfte, die bei hohen Drehzahlen überwiegen, verursachen wechselweise eine Dehnung und eine Verzerrung der Kröpfung. Dabei wird die Welle elastisch verformt. Speziell die Übergänge von einem Element zum nächsten sind aufgrund der Kerbwirkung von der Belastung des Bauteils kritisch. Die auftretenden Zug- und Druckspannungen bilden eine Biegewechselbeanspruchung. Zusätzlich kann es in extremen Fällen zu Verschiebungen in den Lagerstellen kommen, der hydrodynamische Ölfilm reißt und es entsteht ein übermäßiger Verschleiß.

Durch die an der Kurbelkröpfung angreifenden Kräfte entstehen Torsionsmomente, die die Welle belasten und zyklisch elastisch verformen. Die auftretenden Spannungsverläufe sind in der folgenden Abbildung 3-11 dargestellt.

Eine weitere Biegebeanspruchung entsteht durch das sog. Schwungradflattern. Das Schwungrad ist auf der Kurbelwelle fliegend gelagert. Wandert der Schwerpunkt aufgrund von Biegung aus der Wellenmitte, so entstehen Fliehkräfte, die die Biegebelastung zusätzlich verstärken. Im Extremfall kann dies zum Bruch der Welle führen.

Kurbelwellen können einteilig oder zusammengesetzt sein. Einteilige Wellen werden aus Kosten- und Festigkeitsgründen bevorzugt. Bei großen Exemplaren oder wälzgelagerten Motoren werden sie dagegen aus Einzelkomponenten gebaut bzw. zusammengesetzt.

Sie werden

• Im Gesenk geschmiedet (kleine, schnelllaufende Motoren, Dieselmotoren)
• Gegossen (billig, Ottomotoren)
• Freiformgeschmiedet (kostenintensiv, Großmotoren)
• Aus dem Vollen gedreht (kostenintensiv, Kleinserien).

Die Laufflächen der Lager werden oberflächengehärtet und feingeschliffen. Die Hohlkehlen werden zumeist gerollt, nitriert oder randschichtgehärtet, um eine Festigkeitssteigerung zu erzielen. Zur Versorgung der Lagerstellen ist die Welle mit Schmierölbohrungen versehen, die in biegeneutralen Zonen verlaufen sollten und deren Öffnungen gerundet oder poliert sind. Die Ölförderung erfolgt aufgrund der Fliehkraft. Die Ausgleichsgewichte sind angeschmiedet oder angeschraubt. Sie wirken als Gegengewicht zu den rotatorisch und teilweise zu den translatorisch bewegten Teilen (Kurbelwelle, Pleuelanteil).

Das Pleuel überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkenden Gaskräfte und die oszillierenden Massenkräfte des Triebwerks auf den rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle. Daraus resultieren folgende Aufgaben für dieses Bauteil:

Aufgaben

• Übertragung der Kolbenkraft auf die Kurbelwelle
• Umwandlung der geradlinigen Kolbenbewegung auf die rotatorische Kurbelwellenbewegung
• Gegebenenfalls Ermöglichen der Schmierung des Kolbenbodens und der Kühlung durch eine Ölbohrung

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte (Druckbelastung)
• Oszillierende Massenkräfte (Zug- und Druckbelastung)
• Rotatorische Massenkräfte (Fliehkräfte am großen Pleuelauge)

Geforderte Eigenschaften

• Geringe Masse, da ein Teil der Pleuelmasse den oszillierenden Triebwerksmassen zuzurechnen ist
• Ausreichende Gestaltfestigkeit insbesondere im Hinblick auf:
  • Formsteifigkeit der beiden Pleuelaugen; unzulässige Ovalverformungen beeinträchtigen hydrodynamischen Schmierfilm und im Extremfall ist ein Lagerklemmen möglich
  • Knicksicherheit des Pleuelschaftes
  • Dauerfeste Pleuelschraubenverbindung; ausreichende Sicherheit gegen Klaffen in der Teilungsfuge des Pleuelkopfes
• Ausreichende Dimensionierung der Lagerstellen unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit der Lager

Beanspruchung des Pleuels

Aufgrund der bereits angesprochenen Gas- und Massenkräfte unterliegt das Pleuel hohen Belastungen.

Die kritische Beanspruchung des Pleuelkopfes erfolgt durch Massenkräfte auf Zug. Daraus resultieren auch eine Biegebeanspruchung und Querkräfte in der Teilungsfuge. Der Pleuelkopf wird in Pleuellängsrichtung ovalverformt.

Die Beanspruchung des kleinen Pleuelauges entspricht qualitativ der des Pleuelkopfes. Speziell beim kleinen Pleuelauge kann die Ovalverformung unzulässig groß werden.

Der Pleuelschaft unterliegt einer Zug-Druck-Wechselbeanspruchung (4-Takt und 2-Takt). Er sollte daher eine ausreichende Knicksicherheit aufweisen. Bei hohen Drehzahlen kann die Biegebeanspruchung durch Massenkräfte relevant werden.

Die Pleuelschrauben werden schwellend auf Zug (Vorspannkraft, Massenkräfte), Biegung (Verformung des Pleuelkopfes) und Schub belastet.

Werkstoffe und Fertigung

Pleuel werden überwiegend im Gesenk geschmiedet. Zumeist werden unlegierte Kohlenstoffstähle oder auch hochlegierte Vergütungsstähle verwendet. Bei Rennmotoren kommen Leichtmetalle oder Titanlegierungen zum Einsatz.

Der Schaft ist als biegesteifer I-Querschnitt ausgebildet. Der Pleuelfuß ist bei kleineren Motoren (PKW) gerade geteilt; bei größeren Motoren zwecks besserer Demontierbarkeit durch die Zylinderbohrung schräg geteilt. Hierbei ist jedoch der Kraftfluss in der Pleuelschraube nicht mehr eindeutig in Längsrichtung.

Die Lagerdeckel müssen zueinander in Quer- und in Längsrichtung fixiert sein. Hierzu werden Passschrauben verwendet oder die Trennfuge mit einer Verzahnung versehen. Heute werden Pleuel meist aus einem Teil gefertigt, anschließend gebrochen und bei der Montage wieder zusammengesetzt, so dass über das Profil der Trennfuge fixiert wird.

Zwischen dem Pleuel und dem Kurbelwellenzapfen sowie dem Kurbelwellenhauptlager und dem Motorblock entsteht im Betrieb eine Relativbewegung, die eine Lagerung notwendig macht. Hierbei bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Wälzlagerung

Gleitlagerung.

Eine Ausführung mit Wälzlagern und gebauter Kurbelwelle zeigt der in Kap. 3.1 angeführte Hochleistungs- Zweiradmotor in Abbildung 3-13.

Die Wälzlagerung wird für Mehrzylinder-Fahrzeugmotoren heute fast nicht mehr verwendet, obwohl sie Vorteile hinsichtlich der Reibungsverluste aufweist. Dem gegenüber stehen jedoch die Nachteile beim konstruktiven Aufwand, bei der Montage und den Laufgeräuschen. Deswegen kommen heute nahezu bei allen Motoren Gleitlager zum Einsatz. Bei diesem Lagertyp wird durch Relativbewegung der beiden Komponenten ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut, der sie voneinander trennt.

Aufgaben

• Übertragung der Kolbenkraft (Pleuel) auf die Kurbelwelle bzw. Abstützung der Welle zum Motorblock
• Fixierung des Pleuels auf der Kurbelwelle bzw. der Kurbelwelle im Motorblock
• Aufnahme von Fremdkörpern
• Ausgleich von Fertigungsungenauigkeiten

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Oszillierende Massenkräfte
• Rotatorische Massenkräfte
• Axialverschiebungen
• Relativbewegung und Reibkräfte

Geforderte Eigenschaften

• Geringe Masse
• Gutes Notlaufverhalten
• Gutes Einlaufvermögen
• Ausreichende Dimensionierung und Tragfähigkeit
• Verschleißfestigkeit
• Gute Ölverteilung auch bei hohen Belastungen
• Oberflächenbeschaffenheit für geringe Reibung
• Gutes Fremdkörperverhalten.

Begriffe / Aufbau des Lagers

Zum Verständnis des Aufbaus eines Gleitlagers ist in Abbildung 3-14 die Konstruktion dargestellt. Gleichzeitig sind die wichtigsten Begriffe aufgeführt.

Beanspruchung des Lagers

Der Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms, auf dem die Lagerungspartner zueinander gleiten, ist essentiell für die Funktion und Dauerhaltbarkeit eines Gleitlagers. Der Ölfilm wird aber durch

• Fliehkräfte (hohe Drehzahlen) und
• Gasdruck (hohe Last und niedrige Drehzahl) bzw. die Massenkräfte (hohe Drehzahlen)

beeinträchtigt. Sobald die Tragfähigkeit des Ölfilms nicht mehr ausreicht, kommt es zur Mischreibung und damit zum Verschleiß der Lagerschalen.

Der Betrieb ist durch drei Zustände gekennzeichnet:

• Bei Stillstand ruht das gesamte Gewicht der Kurbelwelle mit Pleueln, Kolben und Schwungrad auf der Lageroberfläche.
• Beim Start läuft der Kurbelzapfen in Mischreibung entgegen der Drehrichtung die Lagerschale hoch.
• Ab der sog. Übergangsdrehzahl hebt der Zapfen von der Lauffläche ab und der hydrodynamische Schmierfilm (mind. 2 bis 5m) ist ausgebildet.
• Schmieröl

Die Stützschale bildet eine kaltverfestigte Stahlkonstruktion. Hierauf wird eine Tragschicht aufgebracht. Sie besteht meist aus Bleibronze, d.h. einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung. Es schließt sich dann ein Nickeldamm als Diffusionsbarriere an. Die eigentliche Laufschicht besteht aus einer elektrolytisch aufgetragenen hochfesten und korrosionsbeständigen Blei-Zinn-Kupfer-Legierung. Eine weitere Steigerung der Belastbarkeit kann mit sogenannten Sputterlagern erzielt werden. Dabei wird eine sehr verschleißfeste AlSn Laufschicht auf das darunter liegende hochfeste Lagermaterial in einem speziellen Verfahren aufgedampft.

Der Kolben bildet einen Teil der Brennoberfläche. Er nimmt die durch die Verbrennung entstehenden Gaskräfte auf und leitet diese auf die Pleuelstange weiter. Daraus resultieren folgende Aufgaben für dieses Bauteil.

Aufgaben

• Übertragung der Gaskraft
• Begrenzung und Gestaltung des Brennraums
• Abdichtung im Zusammenwirken mit den Kolbenringen
  • Brennraum gegenüber Kurbelgehäuse – möglichst geringes Durchblasen der Verbrennungsgase (Blow-By)
  • Kurbelgehäuse gegenüber Brennraum – bestmögliche Vermeidung von Schmierölförderung in den Brennraum
• Führung des oberen Endes der Pleuelstange in Verbindung mit der
• Kurbeltriebkinematik
• Wärmeabfuhr
  • Insbesondere über die Kolbenringe an den Zylinder
  • Unmittelbar an das Schmieröl

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Oszillierende Massenkräfte
• Seitenkräfte und Reibkräfte am Schaft und in den Ringnuten mit Mischreibung im unteren und oberen Totpunkt
• Kräfte und Momente durch Kolbensekundärbewegungen (Quer- und Kippbewegungen des Kolbens)

• Möglichst kleine Kolbenmasse
• Gestaltfestigkeit, d.h. ausreichende Sicherheit gegen: Risse Bruch, plastische Verformung
• Begrenzung auf zulässige Betriebstemperaturen (200 – 300 °C) mittels
  • Gestaltung (Wärmeleitquerschnitte)
  • Wahl des Kolbenwerkstoffs (Warmfestigkeit, Resthärte)
  • Ausreichende Wärmeabfuhr
  • Zusätzliche Maßnahmen zur Kolbenkühlung
• Laufruhe (Geräusch, Schwingungen) durch
  • Gute Kolbengeradführung, ausreichende Schaftlänge, Schaftprofil, Ovalität
  • Angepasstes Kopfspiel (Kippverhalten)
  • Ausreichende Kompensation der Wärmeausdehnung
  • Minimales Einbauspiel
• Ausreichende Fresssicherheit
• Geringer Verschleiß
• Widerstandsfähigkeit gegen Klopfen
• Langzeitstabilität der Funktionswerte Ölverbrauch, Blow-By-Verluste
• Reduzierung der Schadstoffemission
  • Minimierung des Schadvolumens (Volumen, das nicht an der Verbrennung teilnimmt und somit unverbrannten Kraftstoff enthält, hier zwischen Kolben und Laufbuchse)
  • Minimierung des Eintrags von Öl in den Brennraum

Es zeigt sich, dass der Kolben im Verlauf eines Arbeitsspieles mehrmals einen Anlagewechsel durchführt. In dessen Verlauf kippt der Kolben jeweils auf die gegenüberliegende Seite der Zylinderlaufbahn. Dies führt zur Geräuschentwicklung und zum Verschleiß. Verschleißfördernd sind ebenfalls hohe Reibkräfte.

Unter der Wirkung der Gaskräfte (und der Massenkräfte) verformt sich der Kolben elastisch. Durch diese Formänderung werden vor allem die Bereiche der Bolzenabstützung, der Bolzenbohrung und der Kolbenbodenabstützung spannungsbelastet. Es können im Extremfall Risse entstehen.

Neben der mechanischen Belastung unterliegt der Kolben als direkt den Brennraum begrenzendes Bauteil einer hohen thermischen Belastung. Die Wärme, die am Kolbenboden aufgenommen wird, wird zum größten Teil über die Kolbenringe an die Brennraumwandung abgeführt. Dabei erfolgt die Wärmeaufnahme entsprechend der Fläche des Kolbenbodens.

Wärmeaufnahme ~ d^₂

Die Wärmeabgabe ist jedoch proportional zum Umfang der Kolbenringe.

Wärmeabgabe ~ d

Es lässt sich ableiten, dass insbesondere bei großen Kolbendurchmessern die Wärmeableitung zunehmend schwieriger wird. Hier ist es oft notwendig, den Kolben durch entsprechende Maßnahmen wie z.B. Spritzkühlung mit Öl zusätzlich zu kühlen.

Die Wärmeausdehnung muss bei der konstruktiven Auslegung berücksichtigt werden, damit der Kolben bei hohen Temperaturen nicht in der Zylinderlaufbuchse frisst oder klemmt. Die Folge ist allerdings, dass er bei niedrigen Temperaturen (Kaltstart) ein großes Laufspiel aufweist.

Eine hohe thermische Belastung erfährt auch der erste Kompressionsring. Er ist lediglich um die Feuersteghöhe gegenüber der Kolbenoberfläche nach unten versetzt. Die Feuersteghöhe ist für die konstruktive Auslegung ein wichtiges Maß.

• Feuersteghöhe zu gering - Wärmebelastung kann den Kompressionsring zerstören
• Feuersteghöhe zu groß - vermehrte HC-Emission

Die HC-Emission resultiert aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches sich im Bereich der Feuersteghöhe verbirgt. Die Flamme kann in den engen Spalt nicht heranreichen, so dass die Kohlenwasserstoffe unverbrannt den Zylinder verlassen und die Emissionswerte ansteigen.

Aus der Funktion und den Anforderungen an den Kolben ergeben sich die folgenden Ansprüche an die Eigenschaften des Werkstoffs:

• Hohe Warmfestigkeitseigenschaften
• Hohe Wärmeleitfähigkeit
• Wärmedehnung gleich dem Material der Laufbuchse (meistens Gusseisen und folglich niedrig)
• Niedrige Dichte (Reduktion der Massenkräfte)

• Günstiges Verschleißverhalten bei hohen Temperaturen (im Bereich des Schaftes und des Kolbenauges nicht so kritisch; der Verschleiß in der Ringnut kann jedoch die Lebensdauer des Kolbens begrenzen)
• Gute Laufeigenschaften (Reibung)

Resultierend aus den Anforderungen werden Kolben heute meist aus Aluminium-Kupfer-Legierungen, Aluminium-Silizium-Legierungen oder aus Eisenwerkstoffen hergestellt. Hier spielt die spezifische Belastung eine große Rolle. Nach dem Gießen werden die Bauteile einer Wärmebehandlung unterzogen und daraufhin spanend bearbeitet. Zusätzliche Beschichtungen verbessern das Einlaufverhalten, die Verschleißbeständigkeit, das Gleitverhalten und den thermischen Schutz.

Der Kolbenring ist nur scheinbar ein einfaches Bauteil. Tatsächlich hat er einen entscheidenden Einfluss auf den Ölverbrauch und die Blow-By-Menge. Beides sind Größen, die sehr stark in das Emissionsverhalten des Motors eingehen. Hinzu kommt, dass die Ringe einen wesentlichen Anteil an der Kolbenreibung haben (über 50 %) und insofern einen Verbrauchseinfluss darstellen.

Aufgaben

• Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Zylinderkurbelgehäuse (Verdichtungsringe)
• Abdichtung des Zylinderkurbelgehäuses gegenüber dem Brennraum (Ölabstreifringe)
• Kontrolle des Ölverbrauchs
• Regelung der Schmierung an der Zylinderlauffläche (zu viel Öl – aufschwimmen; zu wenig Öl – fressen)
• Abführung der über den Brennraum in den Kolben geleiteten Wärmemenge an die Zylinderwand (Ölübertritt)

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Oszillierende Massenkräfte
• Reibkräfte zwischen Ring und Zylinderwand
• Anlagewechsel zwischen der oberen Ringnutbegrenzung und der unteren Kante
• Thermisch aufgrund der Wärmeleitung

Dichtwirkung des Kolbenrings

Die Kolbenringe müssen sehr hohe Differenzdrücke von teilweise über 150bar zwischen dem Brennraum und dem Kurbelgehäuse abdichten. Hierzu muss ein ausreichend hoher Druck auf den hydrodynamischen Schmierfilm ausgeübt werden. Dies erfolgt nicht durch die Vorspannung des Rings, sondern primär durch die Gaskraft.

In radialer Richtung wirkt die Gaskraft auf den Ringrücken und drückt damit den Ring gegen die Zylinderwandung bzw. den Ölfilm. Die Federkraft unterstützt diesen Effekt lediglich. In axialer Richtung wirkt ebenfalls die Gaskraft, allerdings in Verbindung mit der Massenkraft und der Reibkraft. Die Resultierende sorgt dafür, dass der Ring entweder an der unteren oder der oberen Anlagefläche der Nut anliegt.

Da auch im eingebauten und erwärmten Zustand die beiden Stoßenden nicht aufeinandertreffen dürfen (Verspannungen), besteht immer ein gewisses Stoßspiel und damit eine Leckage. Um sie zu reduzieren, werden meist mehrere Kolbenringe verwendet.

Die Beanspruchungen, denen der Kolbenring unterliegt, leiten sich aus unterschiedlichen Faktoren her. Die Gas-, Massen- und Reibungskräfte bewirken Anlagewechsel, die zum Ringbruch oder zu Ausbrüchen an der Ringnut führen können. Hier ist auf eine exakte Dimensionierung zu achten.

Die thermische Belastung speziell bei zu geringen Feuersteghöhen kann zum Ringbruch oder zum „Verbrennen" des Rings führen.

Ein erhöhter Verschleiß ist oft die Folge einer nicht ausreichenden Schmierung, wobei die Qualität und der Alterungszustand des Öles einen Einfluss auf die Stabilität des Ölfilms und damit auf die Schmierung haben.

Verschmutzungen der Ansaugluft führen zu Abriebverschleiß.

Insbesondere beim Dieselmotor ist ein Verschleißeinfluss durch die Korrosion aufgrund von Schwefelanteilen im Kraftstoff (schwefelige Säure) gegeben.

Bei hochdrehenden Motoren kann zusätzlich in bestimmten Bereichen Kolbenringflattern auftreten. Die Kolbenringe geraten dabei in einen Zustand der Instabilität. Er wird hervorgerufen, indem kurz vor dem ZOT (oberer Totpunkt im Zündungstakt) die Massenkraft am Kolbenring größer wird als die Resultierende aus der Gas- und Reibungskraft. Dies ist vor allem bei hohen Drehzahlen und niedriger Last der Fall. Der Ring kann in diesem Falle brechen.

Aus der Funktion und den Anforderungen an den Kolbenring ergeben sich die folgenden Ansprüche an die Eigenschaften des Werkstoffs.

• Gute Laufeigenschaften (geringer Verschleiß nach Einlauf; geringe Reibungs- und Leistungsverluste, gute Notlaufeigenschaften)
• Hohe Elastizität (hohe Streckgrenze/ Montage) und hohe Festigkeit
• Warmfestigkeit
• Einfache Herstellung

Wichtig ist jedoch bei all diesen Punkten, dass die beiden Reibpartner, der Kolbenring und die Lauffläche, eine optimale Werkstoffpaarung darstellen.

Kolbenringe werden aus Grauguss gegossen und durch Doppelformdrehen spanend bearbeitet. Sofern eine natürliche Spannung vorliegt werden sie geschliffen oder geläppt und danach aufgeschnitten. Wenn keine natürliche Spannung vorliegt werden sie zuerst aufgeschnitten und gespannt und anschließend spannungsarm geglüht.

Zur Verbesserung des Einlaufs, zur Verschleißminderung an Laufflächen und Flanken sowie zum Schutz vor Korrosion werden die Ringe oberflächenbehandelt. Hierbei kommen die folgenden Varianten zum Einsatz:

• Phosphatierung und Ferrooxidierung
• Verzinnung und Verkupferung
• Nitrieren und Nitrocarbonieren
• Verchromen
• Molybdänbeschichten
• Metallische und metallkeramische Mischbeschichtung.

Der Kolbenbolzen stellt die Verbindung zwischen dem Kolben und dem Pleuel dar. Er übernimmt die folgenden Aufgaben:

Aufgaben

• Verbindung zwischen dem Kolben und dem Pleuel
• Kraftübertragung vom Kolben zur Pleuelstange
• Wärmeableitung der Kolbenwärme
• Führung des Pleuels
• Bewegungsausgleich zwischen Kolben und Pleuel

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Oszillierende Massenkräfte
• Reibkräfte zwischen dem Bolzen und dem Kolben sowie dem Bolzen und dem Pleuel
• Anlagewechsel zwischen der oberen Bolzenführung und der unteren Führung
• Thermisch aufgrund der Wärmeleitung
• Scherbelastungen zwischen Pleuelauge und Kolbenabstützung

Geforderte Eigenschaften

• Möglichst geringe Bolzenmasse
• Hohe Steifigkeit
• Ausreichende Zähigkeit und Festigkeit
• Hohe Oberflächenhärte (Verschleißverhalten)
• Hohe Formgenauigkeit und hohe Oberflächengüte

Unterschiedliche Auslegungen

Die konstruktive Ausführung der Pleuellagerung mit Hilfe des Kolbenbolzens ist bei allen Motoren ähnlich. Man unterscheidet lediglich zwischen zwei Varianten, siehe Abbildung 3-21.

Beim sog. Klemmpleuel wird der Kolbenbolzen durch einen Presssitz fest mit dem Pleuel verbunden. Zum Kolben ist er beweglich gelagert. Die axiale Fixierung erfolgt über die Anlageflächen am Pleuelauge. Dies ist eine kostengünstige Variante, bei der der Bolzen jedoch ungleichmäßig verschleißt und die Relativgeschwindigkeit zwischen den bewegten Teilen hoch ist. Sie wird vornehmlich bei kleinen Motoren verwendet.

Bei der schwimmenden Lagerung ist der Kolbenbolzen sowohl zum Kolben als auch zum Pleuel beweglich montiert. Hier übernehmen Sprengringe kolbenseitig die axiale Fixierung. Diese Variante wird bevorzugt eingesetzt. Die Herstellungskosten sind höher, aber das Verschleißverhalten ist günstiger, weil der Bolzen freie Drehbewegungen ausführen kann und somit die Schmierung unkritischer ist.

Durch die Gas- und Massenkräfte wird der Bolzen auf Biegung, Abplattung (Ovalverformung), Scherung und Pressung beansprucht. Dabei ist insbesondere die Ovalverformung sehr kritisch, da sie zu einer starken Belastung für die Kolbenbolzennabe führt und Spaltbrüche verursachen kann.

Kritisch ist auch die Schmierung des Kolbenbolzens. Sie erfolgt meist durch die Öldämpfe und Ölplanschen. Reicht dies nicht aus, so besteht die Möglichkeit, durch eine Längsbohrung des Pleuels, Öl ins Pleuelauge zu fördern. Günstig wirkt sich auch eine Kolbenbodenkühlung aus, da das abtropfende Öl die Schmierung unterstützt.

Zu hohe Drehzahlen, Schmierungsprobleme oder eine Schiefbelastung wirken sich auf die Sicherungsringe aus und können zu Brüchen führen.

Werkstoffe und Fertigung

Als Werkstoffe kommen hochwertige Stähle, z.B. leg. Einsatzstähle, Nitrierstähle, o.Ä. zum Einsatz. Sie werden als Rohmaterial gegossen oder gewalzt bzw. geschmiedet. Nach der spanenden Bearbeitung erfolgt die Wärmebehandlung. Anschließend werden die Bolzen hochglanzgeschliffen oder geläppt.

Aus Gewichtsgründen sind die Bolzen in der Regel als Hohlbolzen ausgeführt.

Die Laufbuchse bildet den Reibpartner zum Kolben und zu den Kolbenringen. Dieses tribologische System muss so ausgelegt sein, dass sich ein günstiges Reib- und Verschleißverhalten ergibt. Die Laufbuchse übernimmt die folgenden Aufgaben.

Aufgaben

• Begrenzung des Arbeitsraums
• Kinematische Führung des Kolbens
• Wärmeabfuhr (Wandwärme und ein großer Teil der Kolbenwärme)
• Gleitbahn für die Abdichtung mit Hilfe der Kolbenringe
• Gleichverteilung und Bevorratung des Ölfilms (Hohnbild)
• Evtl. Aufnahme der Steueröffnungen bei 2-Takt-Motoren

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Reibkräfte zwischen dem Kolben bzw. den Kolbenringen und der Laufbuchse
• Evtl. Einspannkräfte bei sog. nassen Buchsen
• Temperaturgradienten in der Laufbuchse in Längsrichtung und entlang dem Umfang
• Temperaturgradienten von der Laufbuchse zum Gehäuse (z.B. durch ungleiche Kühlung), hierdurch thermische Spannungen und Deformationen
• Mischreibung durch Kolben und Kolbenringe führt zu Verschleiß
• Ablagerungen (Kesselstein), Verschmutzungen und Korrosion
• Kavitation, verstärkt durch elektrochemische Korrosion (bei sog. nassen Buchsen