Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Die immer weiter steigenden Anforderungen an Verbrennungsmotoren machen auch vor dessen Herzstück – dem Kolben – nicht Halt. Für weniger Gewicht, Reibung oder auch noch mehr Verschleißfestigkeit sind tiefe Kenntnisse über die innermotorischen Prozesse sowie die geeigneten Werkstoffe, Konstruktions- und Bearbeitungsverfahren für Kolben inklusive der erforderlichen Erprobungsmaßnahmen notwendig. Ohne solch spezifisches Know-how kommt kein Fachmann der Kfz-Technik mehr aus, unabhängig ob er in der Konstruktion, der Entwicklung, der Erprobung oder der Instandhaltung tätig ist. Dieses Fachbuch beantwortet diese Fragen ausführlich und in sehr anschaulicher und verständlicher Weise. In dieser zweiten Auflage wurden alle Kapitel überarbeitet und erweitert. Das Kapitel "Motorische Erprobung" wurde beispielsweise um umfangreiche Ergebnisse zum Thema Reibleistungsmessungen und Ölverbrauchsmessungen ergänzt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Kolbenfunktion, Anforderungen und Bauarten

Zusammenfassung
Die im Kraftstoff gebundene Energie wird im Zylinder des Motors während des Arbeitstakts in Wärme und Druck umgesetzt. Dabei steigen die Wärme- und Druckwerte in kurzer Zeit sehr stark an. Dem Kolben als beweglichem Teil des Brennraums fällt die Aufgabe zu, einen Teil dieser frei werdenden Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln. In seiner Grundstruktur ist der Kolben ein einseitig geschlossener Hohlzylinder mit den Bereichen Kolbenboden mit Ringpartie, Kolbennaben und Schaft, Bild 1.1. Der Kolbenboden überträgt über die Kolbennaben, den Kolbenbolzen und die Pleuelstange die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs entstehenden Druckkräfte auf die Kurbelwelle.
Mahle GmbH

2. Kolben-Gestaltungsrichtlinien

Zusammenfassung
Aufgrund der Betriebsanforderungen gängiger Verbrennungskraftmaschinen (Zweitakt-, Viertakt-, Otto- und Dieselmotor) sind in der Regel Aluminium-Silizium-Legierungen die zweckmäßigsten Kolbenwerkstoffe. Großkolben und Nkw-Kolben bzw. deren Kopfe oder Oberteile werden jedoch häufig aus Stahl hergestellt.
Mahle GmbH

3. Simulation der Betriebsfestigkeit von Kolben mittels FEM

Zusammenfassung
Die heutigen Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren sind nur mit hoch effizienten Brenn- und Aufladeverfahren realisierbar. Hinsichtlich spezifischer Leistung und Spitzendruck im Brennraum erreichen moderne Motoren inzwischen Werte, die in der Vergangenheit nur im Rennsport bekannt waren. Besonderen Belastungen sind hierbei die Kolben ausgesetzt, wobei jedoch die hohen Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit und Kosteneffizienz des Bauteils unverändert bleiben. Sie sind im aktuellen globalen Wettbewerbsumfeld die entscheidenden Größen.
Eine Voraussetzung im Vorfeld aufwendiger motorischer Versuche ist die Simulation insbesondere der Betriebsbelastung und der Nachweis der Betriebsfestigkeit des Kolbens. Wichtig hierbei sind präzise, physikalisch fundierte Ansätze und die Anwendung effizienter Rechenverfahren. Im industriellen Umfeld hat sich hierfür die Methode der Finiten Elemente (FEM) als ein Standardverfahren etabliert. Die spezielle Anwendung dieses Verfahrens auf die Motorenkomponente Kolben wird im Folgenden beschrieben.
Mahle GmbH

4. Kolbenwerkstoffe

Zusammenfassung
Aus den Funktionen des Kolbens und den auf ihn wirkenden Belastungen leitet sich ein spezielles Anforderungsprofil an den Kolbenwerkstoff ab. Ist ein geringes Kolbengewicht das Ziel, wird ein Werkstoff mit niedriger Dichte bevorzugt. Neben der konstruktiven Gestaltung ist die Festigkeit des Werkstoffs für die Belastbarkeit des Kolbens entscheidend. Der zeitliche Verlauf der Belastungen erfordert sowohl gute statische als auch dynamische Festigkeitseigenschaften. Aufgrund der Wärmebelastung ist auch die Temperaturfestigkeit wichtig.
Für das Temperaturniveau ist die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs von Bedeutung. In der Regel ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, da sie zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Kolben führt. Niedrige Temperaturen lassen nicht nur eine höhere Werkstoffbeanspruchung zu, sondern wirken sich am Kolbenboden auch günstig auf Prozesskenngrößen wie Füllungsgrad und Klopfgrenze aus.
Mahle GmbH

5. Kolbenkühlung

Zusammenfassung
Mit den steigenden spezifischen Leistungen sind die Kolben in modernen Verbrennungsmotoren zunehmenden thermischen Belastungen ausgesetzt. Um ihre Betriebssicherheit zu gewährleisten, müssen sie daher so effektiv wie möglich gekühlt werden.
Im Zylinder wird die im Kraftstoff gebundene chemische Energie bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt. Der Kolben als bewegliche Wand des Brennraums wandelt einen Teil dieser Wärme in mechanische Arbeit um und treibt über das Pleuel die Kurbelwelle an. Die nicht in mechanische Arbeit umgewandelte Wärme wird teilweise mit dem Abgas abgeführt. Der andere Teil wird durch Konvektion und Strahlung auf die den Brennraum begrenzenden Motorteile übertragen. Zusätzlich zu den mechanischen Beanspruchungen führt dies zu einer teilweise lokal sehr hohen thermischen Belastung dieser Bauteile.
Mahle GmbH

6. Bauteilprüfung

Zusammenfassung
Die Bauteilfestigkeit des Kolbens kann auf unterschiedliche Weise abgesichert werden. Meist wird hierfür die Finite-Elemente-Methode, seltener eine DMS-Messung oder der Pulserversuch eingesetzt. In der rechnerischen Bauteilanalyse lassen sich alle relevanten thermischen und mechanischen Belastungen sowie Schrumpf-, Fuge- und Eigenspannungen analysieren. Basis der Modellgestaltung ist die ideale, durch den CAD-Datensatz beschriebene Kontur. Die Bewertung der Berechnungs- und DMS-Messergebnisse erfolgt mit temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten. Diese basieren auf statistisch abgesicherten Versuchswerten und wurden an Probestaben ermittelt, die aus Kolben entnommen und vor dem Versuch bei Prüftemperatur vorgealtert wurden. So ist sichergestellt, dass die ungünstigsten Werkstoffkennwerte zugrunde gelegt werden.
Mahle GmbH

7. Motorische Erprobung

Zusammenfassung
Im vergangenen Jahrzehnt hat die Simulationsrechnung einen zunehmend größeren Stellenwert in der Entwicklung eingenommen. Die Bedeutung des Motorenversuchs ist dadurch jedoch keineswegs in den Hintergrund gerückt. Er dient vielmehr nicht mehr nur der direkten Bauteilentwicklung, sondern auch der Validierung von neuen Simulationsprogrammen und dem systematischen Erarbeiten von Konstruktionsrichtlinien. Zur Verkürzung der teuren Laufzeiten werden heute auch bei der Entwicklung der Motormechanik verstärkt umfangreiche Sondermesstechniken eingesetzt. Ohne sie lassen sich Mechanismen und Hintergrunde nicht mehr ausreichend genau verstehen. Die einzelnen motorischen Probleme werden dabei präzise analysiert, entsprechend kritische Randbedingungen und Laufprogramme definiert und komplexe Mess- und Auswerteverfahren entwickelt und diese – soweit möglich – automatisiert.
Mahle GmbH

Backmatter

Weitere Informationen

Premium Partner

    Bildnachweise