ICE-Kolben. Gerät und Zweck

Das Kraftstoffgemisch, das im Motorzylinder verbrennt, setzt Wärmeenergie frei. Dann wird es zu einer mechanischen Aktion, die die Kurbelwelle zum Drehen bringt. Das Schlüsselelement dieses Prozesses ist der Kolben.

Dieses Detail ist nicht so primitiv, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. Es wäre ein großer Fehler, ihn als einfachen Anschieber zu betrachten.

Der Kolben befindet sich im Zylinder, wo er hin- und hergeht.

Während er sich dem oberen Totpunkt (OT) nähert, komprimiert der Kolben das Kraftstoffgemisch. Bei einem Benzin-Verbrennungsmotor erfolgt die Zündung in einem Moment nahe dem Maximaldruck. Bei einem Dieselmotor erfolgt die Zündung direkt aufgrund der hohen Verdichtung.

Der erhöhte Druck der bei der Verbrennung entstehenden Gase drückt den Kolben in die entgegengesetzte Richtung. Zusammen mit dem Kolben bewegt sich die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange, wodurch sie sich dreht. So wird die Energie komprimierter Gase in Drehmoment umgewandelt, das über das Getriebe auf die Räder des Autos übertragen wird.

Während der Verbrennung erreicht die Temperatur der Gase zweitausend Grad. Da die Verbrennung explosionsartig ist, wird der Kolben starken Stoßbelastungen ausgesetzt.

Extreme Belastungen und nahezu extreme Betriebsbedingungen erfordern besondere Anforderungen an das Design und die Materialien, die für seine Herstellung verwendet werden.

Bei der Konstruktion von Kolben sind einige wichtige Punkte zu beachten:

• die Notwendigkeit, eine lange Lebensdauer zu gewährleisten und daher den Verschleiß des Teils zu minimieren;
• ein Durchbrennen des Kolbens im Hochtemperaturbetrieb verhindern;
• sorgen Sie für eine maximale Abdichtung, um einen Gasdurchbruch zu verhindern;
• Reibungsverluste minimieren;
• sorgen für eine effiziente Kühlung.

Das Kolbenmaterial muss eine Reihe spezifischer Eigenschaften aufweisen:

• erhebliche Stärke;
• maximal mögliche Wärmeleitfähigkeit;
• Hitzebeständigkeit und die Fähigkeit, plötzlichen Temperaturänderungen standzuhalten;
• der Wärmeausdehnungskoeffizient sollte klein sein und so nahe wie möglich an dem entsprechenden Koeffizienten des Zylinders liegen, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten;
• Korrosionsbeständigkeit;
• Antifriktionseigenschaften;
• geringe Dichte, damit das Teil nicht zu schwer wird.

Da das Material, das all diese Anforderungen ideal erfüllt, noch nicht geschaffen wurde, muss man Kompromisse eingehen. Kolben für Verbrennungsmotoren bestehen aus Grauguss und Aluminiumlegierungen mit Silizium (Silumin). Bei Verbundkolben für Dieselmotoren kommt es vor, dass der Kopf aus Stahl besteht.

Gusseisen ist ziemlich stark und verschleißfest, verträgt starke Hitze gut, hat Gleiteigenschaften und eine geringe Wärmeausdehnung. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit kann sich der Gusskolben jedoch auf bis zu 400 °C erhitzen. Bei einem Benzinmotor ist dies nicht akzeptabel, da es zu Frühzündungen kommen kann.

Daher werden Kolben für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren in den meisten Fällen durch Stanzen oder Gießen aus Silumin hergestellt, das mindestens 13 % Silizium enthält. Reines Aluminium ist nicht geeignet, da es sich bei Erwärmung zu stark ausdehnt, was zu erhöhter Reibung und Fressen führt. Dabei kann es sich um Fälschungen handeln, auf die Sie beim Kauf von Ersatzteilen an unseriösen Stellen stoßen können. Um dies zu verhindern, wenden Sie sich an die zuverlässigen.

Der Kolben aus Aluminiumlegierung ist leicht und leitet Wärme gut, sodass seine Erwärmung 250 ° C nicht überschreitet. Dies ist für mit Benzin betriebene Verbrennungsmotoren durchaus geeignet. Auch die Gleiteigenschaften von Silumin sind recht gut.

Gleichzeitig ist dieses Material nicht ohne Nachteile. Wenn die Temperatur steigt, wird es weniger haltbar. Und wegen der erheblichen linearen Ausdehnung beim Erhitzen müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die Dichtung um den Umfang des Kopfes herum zu bewahren und die Kompression nicht zu verringern.

Dieser Teil hat die Form eines Glases und besteht aus einem Kopf- und einem Führungsteil (Rock). Im Kopf wiederum lassen sich Boden- und Dichtteil unterscheiden.

Unten

Es ist die Hauptarbeitsfläche des Kolbens, die den Druck expandierender Gase wahrnimmt. Seine Oberfläche wird durch den Gerätetyp, die Platzierung von Düsen, Kerzen, Ventilen und das spezifische CPG-Gerät bestimmt. Für ICEs, die Benzin verwenden, wird es flach oder konkav mit zusätzlichen Ausschnitten hergestellt, um Ventildefekte zu vermeiden. Der konvexe Boden verleiht eine erhöhte Festigkeit, erhöht jedoch die Wärmeübertragung und wird daher selten verwendet. Concave ermöglicht es Ihnen, eine kleine Brennkammer zu organisieren und ein hohes Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, was besonders bei Dieselaggregaten wichtig ist.

Dichtungsteil

Dies ist die Seite des Kopfes. Darin sind am Umfang Nuten für Kolbenringe eingebracht.

Kompressionsringe spielen die Rolle einer Dichtung und verhindern das Austreten von komprimierten Gasen, und Ölabstreifer entfernen Schmiermittel von der Wand und verhindern, dass es in die Brennkammer gelangt. Öl fließt unter dem Kolben durch die Löcher in der Nut und kehrt dann in die Ölwanne zurück.

Der Abschnitt der lateralen Seite zwischen der Kante des Bodens und dem oberen Ring wird als Feuer- oder Hitzezone bezeichnet. Er erfährt die maximale thermische Wirkung. Um ein Durchbrennen des Kolbens zu verhindern, ist dieser Riemen breit genug ausgeführt.

Führungsteil

Verhindert, dass sich der Kolben während der Hin- und Herbewegung verzieht.

Um die Wärmeausdehnung zu kompensieren, ist die Schürze krummlinig oder kegelförmig ausgebildet. An der Seite wird in der Regel eine Gleitbeschichtung aufgebracht.

Im Inneren befinden sich Vorsprünge - zwei Zuflüsse mit Löchern für den Kolbenbolzen, auf den der Kopf aufgesetzt wird.

An den Seiten sind im Bereich der Vorsprünge kleine Einkerbungen angebracht, um thermische Verformungen und das Auftreten von Riefen zu verhindern.

Da das Temperaturregime des Kolbens sehr belastend ist, ist die Frage seiner Kühlung sehr wichtig.

Kolbenringe sind der wichtigste Weg, um Wärme abzuführen. Durch sie wird mindestens die Hälfte der überschüssigen Wärmeenergie abgeführt, die auf die Zylinderwand und dann auf den Kühlmantel übertragen wird.

Ein weiterer wichtiger Kühlkörperkanal ist die Schmierung. Ölnebel im Zylinder, Schmierung durch das Loch in der Pleuelstange, Zwangssprühen mit einer Öldüse und andere Methoden werden verwendet. Mehr als ein Drittel der Wärme kann durch Umwälzen des Öls abgeführt werden.

Außerdem wird ein Teil der thermischen Energie zum Erhitzen des frischen Teils des brennbaren Gemischs, das in den Zylinder eingetreten ist, aufgewendet.

Die Ringe halten die gewünschte Kompression in den Zylindern aufrecht und führen den Löwenanteil der Wärme ab. Und sie machen etwa ein Viertel aller Reibungsverluste im Verbrennungsmotor aus. Daher kann die Bedeutung der Qualität und des Zustands der Kolbenringe für den stabilen Betrieb des Verbrennungsmotors kaum überschätzt werden.

Normalerweise gibt es drei Ringe - zwei Kompressionsringe oben und einen Ölabstreifer unten. Es gibt jedoch Optionen mit einer anderen Anzahl von Ringen - von zwei bis sechs.

Die Nut des Oberrings aus Silumin ist mit einem Stahleinsatz versehen, der die Verschleißfestigkeit erhöht.

Ringe werden aus speziellen Gusseisensorten hergestellt. Solche Ringe zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Elastizität, Verschleißfestigkeit, niedrigen Reibungskoeffizienten aus und behalten ihre Eigenschaften lange bei. Zusätze von Molybdän, Wolfram und einigen anderen Metallen verleihen den Kolbenringen zusätzliche Hitzebeständigkeit.

Neue müssen eingeschliffen werden. Wenn Sie die Ringe ausgetauscht haben, lassen Sie den Verbrennungsmotor unbedingt einige Zeit laufen und vermeiden Sie intensive Betriebsbedingungen. Andernfalls kann es bei ungeläppten Ringen zu Überhitzung, Elastizitätsverlust und in manchen Fällen sogar zum Bruch kommen. Die Folge können Dichtungsversagen, Leistungsverlust, Eindringen von Schmiermittel in die Brennkammer, Überhitzung und Durchbrennen des Kolbens sein.