Kolben- und Ringe-Update

Der grundlegende Aufbau von Kolben und Ring ist weitgehend derselbe wie bei der Erfindung des ersten Verbrennungsmotors. Der Kolben ist immer noch ein rundes Metallstück, das im Zylinder auf und ab gleitet. Und die Ringe werden immer noch verwendet, um die Kompression abzudichten, das Durchblasen der Verbrennung zu minimieren und das Öl zu kontrollieren.

Trotz Ähnlichkeiten mit früheren Gegenstücken ist die Kolbenkonstruktion zu einem sehr komplizierten Prozess geworden, bei dem sogar die Form sorgfältig in einem Computermodellierungsprogramm namens Finite-Elemente-Analyse (FEA) aufgezeichnet wird. Kolben sind heutzutage auch nicht wirklich rund. Viele sind speziell so konzipiert, dass sie im kalten Zustand eine elliptische Form haben, die sich zu einer runden Form ausdehnt, wenn sich der Motor auf Betriebstemperatur erwärmt. Allerdings übt die durch den Verbrennungsprozess verursachte Kraft den größten Teil des anfänglichen Drucks auf den Kolbenbodenbereich aus, wenn sich die Flammenfront ausdehnt.

Bei Kolbenringen setzt sich der Trend zu dünneren Stahlringen mit fortschrittlicher Oberflächenbeschichtung fort. Auch wenn dies nicht direkt auf Direkteinspritzung und Zwangsansaugung zurückzuführen ist, entwickeln sich die Oberflächenbeschichtungen für Kolbenringe ständig weiter, um den hohen Anforderungen dieser Motoren gerecht zu werden. Typischerweise verwendet jeder neue Motor, der heute auf dem Markt ist, Stahl für alle Ringe sowie eine Art PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition).

Während sich Kolbenmaterialien und -designs im Laufe der Jahre weiterentwickelt haben, um höhere Drücke und Wärmeausdehnungen auszugleichen, kann die Auswahl eines Kolbens, der für die Bedingungen in der Brennkammer optimiert ist, eine Herausforderung darstellen, da so viele Variablen zu berücksichtigen sind. Motorenbauer müssen die Art des Materials, den Herstellungsprozess (geschmiedet, gegossen oder geblockt), das Ringpaket einschließlich Beschichtungen, die Kosten usw. berücksichtigen. Geschmiedete Kolben bieten die höchste Festigkeit und Haltbarkeit, sind jedoch möglicherweise nicht für jede Anwendung die beste Wahl, selbst wenn sie erhältlich sind. Billet-Designs bieten Flexibilität hinsichtlich des Designs und mehr Flexibilität bei der Dimensionierung, sind aber auch teurer in der Herstellung, da der Bearbeitungsaufwand groß ist, der erforderlich ist, um einen Aluminiumstopfen in ein verwendbares Teil zu schneiden. Gusskolben werden in großen Stückzahlen hergestellt, sind aber nicht so stabil wie solche, die aus Knüppeln oder Schmiedestücken hergestellt werden. Letztendlich liegt es an den Motorenbauern, die beste Kombination für den Kunden zu ermitteln.

Die Aufladung kleinerer Motoren ist der Trend, dem die OEMs heutzutage folgen. Dadurch können kleinere, kraftstoffeffizientere Motoren eine ähnliche Leistung wie ihre Verwandten mit größerem Hubraum erzielen, aber auch die Belastung und Temperatur, denen die Kolben und Ringe standhalten müssen, erhöht sich. Kleinere Hochleistungsmotoren erfordern einen Kolben aus einem Material, das höheren Temperaturen und Verbrennungsdrücken standhält. Die Gusskolben von gestern reichen für die heutigen Anwendungen mit Benzin-Direkteinspritzung (GDI) oder Turbolader-Direkteinspritzung (TGDI) einfach nicht mehr aus.

Die meisten GDI-Motoren verwenden Nocken mit variabler Ventilsteuerung (VVT). Während VVT möglicherweise viel Spielraum für die Leistungsoptimierung des Motors bietet, erfordert diese Konfiguration tiefere Ventilentlastungen an den Kolbenoberseiten, um den Ventilen beim Vor- und Nachfahren der Nocken genügend Spielraum zu geben. Die Nockenversteller in den meisten Motoren mit VVT können die Nocken um bis zu 40 Grad drehen, und einige können die Nockensteuerung um bis zu 60 Grad verschieben. Das bedeutet viel Nockendrehung. Wenn die Kolben also nicht das richtige Spiel für die Ventilentlastungen haben, könnten wertvolle Metallteile kollidieren, wenn die Ventile zu lange offen gehalten werden.

Kolben für GDI-Motoren sind im Design bis auf den Kolbenbereich sehr ähnlich zu Motoren mit Kanaleinspritzung. Die meisten Kolben in GDI-Motoren haben eine Vertiefung im Boden, die den Kraftstoff nach dem Einspritzen zur Zündkerze leitet. Diese Pfütze aus einem relativ fetten Kraftstoffgemisch wird auf die Zündkerze gerichtet, um die Verbrennung einzuleiten. Nachdem die Zündkerze die Kraftstofflache entzündet hat, kann der Rest des Kraftstoffs in der Kammer verbrannt werden, um ein effizienteres Gemisch zu erzeugen.

Für die meisten Leistungs- und Hochleistungsmotoren sind geschmiedete Kolben die richtige Wahl, da sie aus den haltbarsten Legierungen wie 4032 und 2618 hergestellt werden. Wenn es um die Zugfestigkeit geht, liegen die beiden Legierungen nicht weit auseinander. 4032 hat einen Nenndruck von etwa 55.000 psi und 2618 einen Nenndruck von etwa 65.000 psi. Ein 4032-Kolben ist etwas leichter als ein Kolben aus 2618. Kolben aus 4032-Legierungen haben einen Siliziumgehalt von etwa 10–12 Prozent und sind beliebt für Anwendungen wie Lachgas oder leicht aufgeladene Aufladungsmotoren. Der Siliziumgehalt verleiht dem Aluminium im Vergleich zur 2618-Legierung eine geringere Ausdehnungsrate und kann für eine bessere Haltbarkeit mit einem engeren Abstand zwischen Kolben und Zylinderwand betrieben werden. Kolben aus 4032 haben außerdem den Vorteil, dass sie weniger Geräusche machen, während der Motor auf Betriebstemperatur kommt.

Zur Herstellung eines Gussstücks wird eine Legierung in einen flüssigen Zustand erhitzt und dann in eine Form gegossen, um die Grundform des Kolbens zu erzeugen. Nachdem die Legierung abgekühlt und fest geworden ist, wird die Form entfernt und der Rohguss in seine endgültige Form gebracht. Viele Serienmotoren verwenden Gusskolben, da diese kostengünstig sind und bei niedrigeren Leistungsstufen gut funktionieren. Für Anwendungen mit höherer Leistung, die stärkere Kolben erfordern, ist ein gegossener übereutektischer Kolben eine gute Wahl für mittelschwere Bauarten. Übereutektische Kolben sind nicht so stark wie geschmiedete Kolben aus 4032- oder 2618-Legierung. Daher verwenden die meisten Motorenbauer einen geschmiedeten Kolben für Leistungsanwendungen, bei denen Boost, Lachgas, hohe Drehzahlen oder eine Kombination davon zum Einsatz kommen. Allerdings dehnen sich gegossene hypereutektische Kolben thermisch weniger aus als geschmiedete Kolben, die aus einer 4032-Legierung mit geringer Ausdehnung hergestellt sind. Folglich können übereutektische Kolben ein geringeres Kolben-Zylinder-Spiel aufweisen als geschmiedete Kolben. Übereutektische Kolben sind in der Regel die beste Option für Serienmotoren, insbesondere wenn es um Langlebigkeit und nicht um reine Leistung geht.

OEMs und Aftermarket-Ringhersteller setzen den Trend zu dünneren Ringen mit geringer Spannung fort, um die Reibung zu verringern und sich besser an die Zylinderwand anzupassen. Sie bieten außerdem eine bessere Abdichtung mit weniger Blowby als herkömmliche Ringe aus Sphäroguss. Ein herkömmlicher Kompressionsring aus duktilem Eisen erzeugt etwa 7 bis 8 Pfund Spannung, verglichen mit etwa der Hälfte der Spannung bei dünneren Stahlringen, die in einigen Top-Rennsportklassen verwendet werden. Ein Ring mit einer Dicke von 1,0 mm oder weniger bietet eine deutliche Reduzierung von Reibung und Luftwiderstand, erfordert aber auch ein stärkeres, haltbareres Ringmaterial.

Kohlenstoffstahlringe, die sowohl für Hochleistungsmotoren als auch für OEM-Ersatzsätze neuerer Modelle verwendet werden, sind 35 Prozent stärker als Grauguss. Kohlenstoffstahlringe können mit Molybdän beschichtet, verchromt oder unbeschichtet sein.

Eine andere Art von Stahlring ist in Edelstahl erhältlich, dem Material der Wahl für viele Profi-Rennklassen und andere High-End-Anwendungen, Laufringe mit einer Breite von nur 0,7 mm. Edelstahlringe können ohne eine Oberflächenbehandlung wie Gasnitrieren oder PVD mit einer Titan- oder Chromlegierung nicht in einer Gusseisenbohrung eingesetzt werden.

PVD-Beschichtungen sind die neueste Mainstream-Technologie. Diese Beschichtungen bieten eine äußerst geringe Reibung und hervorragende Verschleißeigenschaften. Der einzige Nachteil dieser Beschichtungen sind die Kosten, aber wenn die Marktnachfrage steigt und mehr Anbieter diese Technologie nutzen, werden die Kosten für das Angebot dieser Beschichtungen letztendlich sinken, heißt es

Es ist wichtig, dass sich der Kolbenringsatz und der Kolben hinsichtlich des Spiels zwischen der Rückseite des Kolbenrings und dem Boden der Kolbennut, dem sogenannten Rückenspiel, ergänzen. Wenn das Spiel nicht ausreicht, kann es beim Einbau von Kolben und Ringen höchstwahrscheinlich zu Motorschäden kommen. Ringhersteller empfehlen dringend, die Ringe auf ausreichend Rückenspiel zu prüfen, um sicherzustellen, dass es sich um den richtigen Ringsatz für die Anwendung handelt.

Beschichtungen sind in verschiedenen Zusammensetzungen und Verfahren erhältlich, von Graphit über Keramik bis hin zu Eloxierung und mehr. Kolbenbeschichtungen bieten in bestimmten Anwendungen einige Vorteile. Hersteller und Beschichtungsunternehmen verwenden in vielen Fällen proprietäre Namen für Beschichtungen, aber es gibt im Wesentlichen nur wenige Arten, von Trockenfilm über aufgesprühte Keramik bis hin zu DLC oder PVD, die in die Oberfläche des Metalls imprägnieren. PVD-Beschichtungen scheiden einen dünnen Film (2–10 Mikrometer; 0,0001–0,0004 Zoll) auf der Oberfläche des Rings ab. Der PVD-Beschichtungsprozess wird unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt, was ihn teuer macht, die Hersteller gehen jedoch davon aus, dass die Kosten mit steigender Nachfrage sinken werden.

Beim Gasnitrieren handelt es sich um einen Wärmebehandlungsprozess, bei dem die Oberfläche des Metalls mit Stickstoff imprägniert wird, um das Metall einsatzzuhärten. Bei der Verwendung an Kolbenringen wird die gesamte Oberfläche des Rings bis zu einer Tiefe von etwa 0,001 Zoll einsatzgehärtet, was die Widerstandsfähigkeit gegenüber Seiten- und Stirnverschleiß erheblich verbessert. Gasnitrierte Ringe haben eine Härte, die einer Rockwell-Skala von etwa 68 HRC entspricht, was fast 50 Prozent härter ist als Ringe aus Stahl und viermal härter als Ringe aus Grauguss. Die Ringe sind so hart, dass es praktisch keinen Ringverschleiß gibt. Ringhersteller, die diese Behandlung anwenden, sagen, dass die Zylinder früher verschleißen als die Ringe!

So wie Fast-Food-Restaurants preiswerte Mahlzeiten und Kombinationen anbieten, die ein Sandwich, Pommes Frites und ein Getränk umfassen, sind Kolben- und Ringsätze erhältlich und bei Motorenbauern eine beliebte Wahl. Kolben- und Ringsätze können entweder aus gegossenen, übereutektischen oder geschmiedeten Kolben und einem Satz passender Ringe Ihrer Wahl bestehen. Die Kolben verfügen über neue Kolbenbolzen und sind sowohl mit Standardbohrungen als auch mit übergroßen Bohrungen für bestimmte Motorkombinationen erhältlich. Sie können Zeit und Geld sparen, indem Sie passende Komponenten in einem Paket erhalten.

Man sagt, dass etwa 50 bis 60 Prozent der gesamten Reibung, die ein Motor erzeugt, von den Kolben und Ringen herrührt. Top-Motorenbauer und -hersteller wissen das, weshalb wir jetzt so viele Leistungssteigerungen sehen. Die Herausforderung besteht darin, die Reibung zu reduzieren UND trotzdem die Verbrennung abzudichten und die Energie auf die Kurbelwelle zu übertragen. Wenn man es aber richtig macht, kann sich das durchaus lohnen.