Alles, was Sie schon immer über Kolben wissen wollten – Funktion – Auto und Fahrer

Die Aluminiumblöcke in Ihrem Motor leben in einer feurigen Hölle. Bei Vollgas und 6000 U/min wird ein Kolben in einem Benzinmotor alle 0,02 Sekunden einer Kraft von fast 10 Tonnen ausgesetzt, während wiederholte Explosionen das Metall auf über 600 Grad Fahrenheit erhitzen.

Heutzutage ist dieser zylindrische Hades heißer und intensiver als je zuvor, und für Kolben wird es wahrscheinlich nur noch schlimmer. Während die Automobilhersteller nach höherer Effizienz streben, bereiten sich die Kolbenhersteller auf eine Zukunft vor, in der die leistungsstärksten Benzinmotoren mit Saugmotor 175 PS pro Liter leisten werden, heute sind es 130. Mit der Turboaufladung und der Leistungssteigerung werden die Bedingungen noch härter. Im letzten Jahrzehnt sind die Kolbenbetriebstemperaturen um 120 Grad gestiegen, während der Spitzenzylinderdruck von 1500 psi auf 2200 psi angestiegen ist.

Ein Kolben erzählt eine Geschichte über den Motor, in dem er steckt. Die Krone gibt Aufschluss über die Bohrung, die Anzahl der Ventile und darüber, ob der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird oder nicht. Das Design und die Technologie eines Kolbens können jedoch auch viel über die umfassenderen Trends und Herausforderungen aussagen, denen sich die Automobilindustrie gegenübersieht. Um eine Maxime zu prägen: So wie das Auto geht, so läuft auch der Motor; und so wie der Motor läuft, geht auch der Kolben. Auf der Suche nach einer verbesserten Kraftstoffeffizienz und geringeren Emissionen fordern Automobilhersteller leichtere Kolben mit geringerer Reibung, die auch härteren Betriebsbedingungen standhalten können. Es sind diese drei Aspekte – Haltbarkeit, Reibung und Masse –, die die Arbeitstage der Kolbenlieferanten in Anspruch nehmen.

In vielerlei Hinsicht folgt die Entwicklung des Benzinmotors dem Weg, den der Diesel vor 15 Jahren eingeschlagen hat. Um den 50-prozentigen Anstieg des Zylinderspitzendrucks auszugleichen, verfügen einige Aluminiumkolben jetzt über einen Eisen- oder Stahleinsatz zur Unterstützung des Oberrings. Die heißesten Benzinmotoren benötigen bald einen Kühlkanal oder einen geschlossenen Kanal an der Unterseite des Kolbenbodens, der die Wärme effizienter abführt als die heutige Methode, einfach die Unterseite des Kolbens mit Öl zu besprühen. Die Spritzer spritzen Öl in eine kleine Öffnung an der Unterseite des Kolbens, die die Galerie versorgt. Allerdings ist die scheinbar einfache Technologie nicht einfach herzustellen. Um einen Hohlkanal zu schaffen, muss der Kolben in zwei Teile gegossen und durch Reib- oder Laserschweißen verbunden werden.

Kolben sind für mindestens 60 Prozent der Reibung des Motors verantwortlich und Verbesserungen hier wirken sich direkt auf den Kraftstoffverbrauch aus. Reibungsmindernde, mit Graphit imprägnierte Harzflecken, die im Siebdruckverfahren auf den Rock aufgebracht werden, sind mittlerweile nahezu universell. Der Kolbenlieferant Federal-Mogul experimentiert mit einer konischen Fläche am Ölring, die eine Reduzierung der Ringspannung ohne erhöhten Ölverbrauch ermöglicht. Durch die geringere Ringreibung können bis zu 0,15 PS pro Zylinder freigesetzt werden.

Autohersteller sind auch hungrig nach neuen reibungsmindernden Oberflächen zwischen Teilen, die aneinander reiben oder rotieren. Die harte und rutschige diamantähnliche Beschichtung (DLC) ist vielversprechend für Zylinderlaufbuchsen, Kolbenringe und Kolbenbolzen, wo sie die Notwendigkeit von Lagern zwischen Bolzen und Pleuelstange überflüssig machen kann. Aber es ist teuer und findet in heutigen Autos nur wenige Anwendungsmöglichkeiten.

„Die [Hersteller] diskutieren häufig über DLC, aber ob sie es in Serienautos schaffen, ist ein Fragezeichen“, sagt Joachim Wagenblast, leitender Direktor der Produktentwicklung bei Mahle, einem deutschen Autoteilezulieferer.

Immer ausgefeiltere Computermodelle und präzisere Fertigungsmethoden ermöglichen auch komplexere Formen. Zusätzlich zu den Schalen, Wölbungen und Ventilvertiefungen, die für das Spiel und zum Erreichen eines bestimmten Verdichtungsverhältnisses erforderlich sind, verfügen asymmetrische Schürzen über einen kleineren, steiferen Bereich auf der Druckseite des Kolbens, um Reibung und Spannungskonzentrationen zu reduzieren. Wenn Sie einen Kolben umdrehen, sehen Sie konische Wände, die kaum dicker als 0,1 Zoll sind. Dünnere Wände erfordern eine strengere Kontrolle der Toleranzen, die bereits in Mikrometern oder Tausendstelmillimetern gemessen werden.

Dünnere Wände erfordern auch ein besseres Verständnis der thermischen Ausdehnung eines Objekts, das sich manchmal innerhalb von Sekunden von unter dem Gefrierpunkt auf mehrere hundert Grad erwärmen muss. Das Metall in Ihrem Motor dehnt sich beim Erhitzen nicht gleichmäßig aus. Daher erfordert die Optimierung von Toleranzen Konstruktionserfahrung und präzise Bearbeitungsfähigkeiten, um leichte Exzentrizitäten in den Teilen zu erzeugen.

„Nichts, was wir herstellen, ist absichtlich gerade oder rund“, sagt Keri Westbrooke, Direktorin für Technik und Technologie bei Federal-Mogul. „Wir bauen immer eine gewisse Entschädigung ein.“

Die Kolben von Dieselmotoren durchlaufen eine eigene Entwicklung, da der Spitzenzylinderdruck auf 3600 psi ansteigt. Mahle und Federal-Mogul prognostizieren eine Verlagerung von Kolben aus Aluminiumguss hin zu geschmiedeten Stahlkolben. Stahl ist dichter als Aluminium, aber dreimal stärker, was zu einem Kolben führt, der höheren Drücken und Temperaturen besser standhält, ohne dass das Gewicht zunimmt.

Stahl ermöglicht eine deutliche Änderung der Geometrie durch Verkürzung der Kompressionshöhe des Kolbens, definiert als der Abstand von der Mitte des Kolbenbolzens bis zur Oberseite der Krone. Dieser Bereich macht 80 Prozent des Kolbengewichts aus, kürzer bedeutet also im Allgemeinen leichter. Entscheidend ist, dass eine niedrigere Kompressionshöhe nicht nur die Kolben schrumpfen lässt. Es ermöglicht außerdem einen kürzeren und leichteren Motorblock, da die Deckhöhe reduziert wird.

Mahle fertigt Stahlkolben für hochmoderne Turbodieselanwendungen, wie den vierfachen Le-Mans-Gewinner Audi R18 TDI und den LMP2-Skyactiv-D-Motor von Mazda. Das Unternehmen wird noch in diesem Jahr mit der Auslieferung der ersten Stahlkolben für einen leichten Seriendieselmotor, einen 1,5-Liter-Vierzylinder von Renault, beginnen.

Die anhaltende Relevanz des Verbrennungsmotors ist auf die kontinuierliche Weiterentwicklung seiner Komponenten zurückzuführen. Kolben sind nicht sexy. Sie sind nicht so modern wie eine Lithium-Ionen-Batterie, nicht so komplex wie ein Doppelkupplungsgetriebe oder so interessant wie ein Torque-Vectoring-Differenzial. Doch nach mehr als einem Jahrhundert des Automobilfortschritts erzeugen Hubkolben weiterhin den größten Teil der Kraft, die uns bewegt.

Anwendungen: Ferrari 458 Italia (abgebildet), 458 Spider

Motortyp: DOHC V-8

Hubraum: 274 cu in, 4497 ​​cm³

Spezifische Leistung: 125,0 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 9000 U/min

Bohrung: 3,70 Zoll

Gewicht: 2,1 Pfund

Anwendungen: Ford Fiesta (abgebildet), Focus

Motortyp: DOHC-Reihendreizylinder mit Turbolader

Hubraum: 61 cu in, 999 cm³

Spezifische Leistung: 123,1 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 6500 U/min

Bohrung: 2,83 Zoll

Gewicht: 1,5 Pfund

Anwendungen: Ram Heavy Duty (abgebildet)

Motortyp: Reihensechszylinder-Diesel mit Stößelstange und Turbolader

Hubraum: 408 cu in, 6690 ccm

Spezifische Leistung: 55,3 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 3200 U/min

Bohrung: 4,21 Zoll

Gewicht: 8,9 Pfund

Anwendungen: Ford F-150, Mustang (abgebildet)

Motortyp: DOHC V-8

Hubraum: 302 cu in, 4951 ccm

Spezifische Leistung: bis zu 84,8 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 7000 U/min

Bohrung: 3,63 Zoll

Gewicht: 2,4 Pfund

Anwendungen: Dodge Dart; Fiat 500 Abarth (abgebildet), 500L, 500 Turbo

Motortyp: SOHC-Reihenvierzylinder mit Turbolader

Hubraum: 83 cu in, 1368 cm³

Spezifische Leistung: bis zu 117,0 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 6500 U/min

Bohrung: 2,83 Zoll

Gewicht: 1,5 Pfund

Anwendungen: Schwerlastkraftwagen (abgebildet ist International Prostar)

Motortyp: SOHC-Reihensechsdiesel mit Turbolader

Hubraum: 14.948 cm³

Spezifische Leistung: bis zu 40,1 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 2000 U/min

Bohrung: 5,39 Zoll

Gewicht: 26,4 Pfund

Anwendungen: Dodge Viper (abgebildet)

Motortyp: Schubstangen-V-10

Hubraum: 512 cu in, 8382 cm³

Spezifische Leistung: 76,4 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 6400 U/min

Bohrung: 4,06 Zoll

Gewicht: 2,8 Pfund

Anwendungen: Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (abgebildet), Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator

Motortyp: DOHC V-6 mit zwei Turboladern

Hubraum: 213 cu in, 3496 cm³

Spezifische Leistung: bis zu 105,8 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 6500 U/min

Bohrung: 3,64 Zoll

Gewicht: 2,6 Pfund

Anwendungen: Scion tC (abgebildet); Toyota Camry, RAV4

Motortyp: DOHC-Reihenvierzylinder

Hubraum: 152 cu in, 2494 cm³

Spezifische Leistung: bis zu 72,2 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 6500 U/min

Bohrung: 3,54 Zoll

Gewicht: 2,5 Pfund

Anwendungen: Kettensäge MS441 CM Magnum (abgebildet), Kettensäge MS441 C-MQ Magnum

Motortyp: Zweitakt-Einzylinder

Hubraum: 4 cu in, 71 cm³

Spezifische Leistung: 79,7 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 13.500 U/min

Bohrung: 1,97 Zoll

Gewicht: 0,4 Pfund

Anwendungen: Dodge Challenger SRT Hellcat

Motortyp: aufgeladener Stößel-V-8

Hubraum: 376 cu in, 6166 cm³

Spezifische Leistung: 114,7 PS/l

Maximale Motordrehzahl: 6200 U/min

Bohrung: 4,09 Zoll

Gewicht: 3,0 Pfund

Mit zunehmender Belastung der Kolben steigen auch die Anforderungen an die Pleuel. Höhere Verbrennungsdrücke führen zu einer stärkeren Belastung der Stangen, die die Kolben mit der Kurbel verbinden. Mit der seltenen Ausnahme exotischer Titanteile werden Pleuel normalerweise entweder aus pulverisiertem Stahl hergestellt, in einer Form komprimiert und erhitzt oder für Hochleistungsanwendungen aus Stahlmaterial geschmiedet. Der größte technologische Wandel sind gerissene Pleueldeckel sowohl für Pulvermetall- als auch für geschmiedete Pleuel. Zuvor wurden die Stange und die Endkappe des Kurbelzapfens als separate Teile hergestellt. Stäbe mit rissigen Kappen kommen als einzelnes, kastenschlüsselförmiges Stück aus der Form. Das Ende des Kurbelzapfens wird geätzt und dann mit einer Presse in zwei Teile eingerastet. Die dadurch entstehende unregelmäßige Oberfläche verbessert die Ausrichtung; sorgt für eine sicherere Verbindung zwischen Kappe und Stange; und ermöglicht eine schlankere und leichtere Pleuelbaugruppe.

Nichtmetallische Kolben: Keramik und Verbundwerkstoffe bieten im Vergleich zu Aluminium den Reiz einer geringeren Wärmeausdehnung, eines geringeren Gewichts sowie einer höheren Festigkeit und Steifigkeit. In den 1980er Jahren nutzte Mercedes-Benz einen Zuschuss der deutschen Regierung, um einen 190E-Motor mit Kohlenstoff-Verbundkolben zu entwickeln, der 24.000 Kilometer ohne Probleme lief. Obwohl die Technologie solide ist, war die Herstellung der limitierende Faktor. Eine NASA-Studie aus dem Jahr 1990 ergab, dass die Herstellung eines einzelnen Kolbens aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Rohling 2.000 US-Dollar kostete. Die Alternative war ein zeitaufwändiges Handauflegen.

Wankelrotoren: Okay, okay, wir wissen, dass es kein Hubkolben ist, aber der dreieckige Rotor aus Gusseisen ist das Kolbenanalogon des Wankelmotors, weil er Verbrennungsenergie in Drehmoment umwandelt. Da kein neuer Mazda RX in Sicht ist, scheint unsere einzige Hoffnung auf eine Wiederbelebung des Rotationsmodells Audi zu sein, das uns mit einem Wankel-Range-Extender in seinem Plug-in-Hybrid-Konzept Audi A1 e-tron von 2010 geärgert hat.

Ovale Kolben: Zu einer Zeit, als Zweitaktmotoren für Motorräder die Norm waren, brachte Honda 1979 einen Viertaktmotor zum World Motorcycle Grand Prix. Er gilt als einer der seltsamsten Motoren der Geschichte. Hondas NR500 GP-Motorrad wurde von einem V4-Motor mit einem V-Winkel von 100 Grad, ovalen Zylindern mit jeweils acht Ventilen und zwei Pleueln pro Kolben angetrieben. Das Abdichten der ovalen Kolben erwies sich als schwierig (das ursprüngliche Geschäft von Soichiro Honda bestand darin, Kolbenringe an Toyota zu liefern), aber das war eine der geringsten Sorgen des Teams. Die Motorräder schied regelmäßig bei World GP-Rennen aus und schaffte es gelegentlich nicht, sich zu qualifizieren. Innerhalb von drei Jahren kehrte Honda zu einem traditionellen Zweitakt-Rennmotor zurück.

Gegenkolbenmotoren: Der dieselbetriebene Zweitakt-Gegenkolben-Gegenzylindermotor (OPOC) von EcoMotors verspricht eine Effizienzsteigerung von bis zu 15 Prozent gegenüber einem herkömmlichen Selbstzündungsmotor. Durch die Platzierung der Brennkammer zwischen zwei Kolben hat das Unternehmen die Zylinderköpfe und den Ventiltrieb eliminiert, die erhebliche Wärmeverluste und Reibung verursachen. Ein OPOC-Motor mit weniger Teilen sollte auch billiger und leichter sein, wenn er nicht mit dem fantastischen Fish-Vergaser im Regal landet.

Eric Tingwall hat einen Abschluss in Maschinenbau und Journalismus, eine Kombination, die er mit dem Traum verfolgte, bei Car and Driver zu arbeiten. Während er seinen Traum verwirklichte, hat er Autoteile halbiert, ist mit 50 Meilen pro Stunde in ein stehendes Autoattrappe gefahren, hat den Virginia International Raceway mit den heißesten Hochleistungsautos umrundet und die Physik hinter dem verrückten, winkenden, aufblasbaren Schlauchmann mit seinen schlagenden Armen erklärt .

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Auto und Fahrer, Ausgabe Mai 2023