AlsKolben bezeichnet man imMaschinenbau beweglicheBauteile, die zusammen mit dem umgebenden Gehäuse einen abgeschlossenen Hohlraum bilden, dessenVolumen sich durch dieBewegung verändert. Dieses Prinzip kann in verschiedenen Bauformen verwirklicht werden: mit auf- und abbewegten Hubkolben, rotierenden Drehkolben oder anderes.
Eine einfache, verbreitete und schon in der Antike bekannte Ausführung ist eine runde Scheibe, die in ein rohrförmigesGehäuse, denZylinder, eintaucht. Die jeweilige Stellung des Kolbens im Gehäuse bestimmt die Größe des Hohlraumes.
InMotoren werden in diesen so geschaffenen veränderbaren Hohlräumen einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium ein Teil seinerEnergie entnommen, die dann in einer Arbeitsmaschine genutzt werden kann. InPumpen undVerdichtern hingegen wird Energie zugeführt, wobei derDruck und bei Gasen auch die Temperatur des Mediums steigt.
Maschinen, in denen Kolben die Energie übertragen, gehören zu denKolbenmaschinen. Zur Energieübertragung in der Maschine können Kolben und Gehäuse mit Zu- undAbleitungsrohren undVentilen zusammenwirken.
Der Kolben, selten auch das Gehäuse, ist das Bauteil, mit dem der Energieaustausch vorgenommen wird. Bei Hubkolben werden Kräfte meist überKurbeltriebe mitPleueln oder überKolbenstangen in den Kolben eingeleitet. In Freikolbenmaschinen arbeitet der Kolben typischerweise aufGasfedern.
Die Form eines Kolbens, das Material, aus dem er besteht, sein Weg und die Geschwindigkeit, mit der er sich bewegt, unterliegen vielfältigen Faktoren. Das verwendeteFluid, die auftretenden Kräfte und Temperaturen sowie die Art der Maschine führen zu sehr unterschiedlichen Ausführungen.
Schnitt durch den Zylinder einer doppelwirkenden Dampfmaschine mit Scheibenkolben
Hubkolben gibt es als Scheibenkolben, Tauchkolben und Plungerkolben:
Scheibenkolben sind dünnePlatten, die am Rand gegen den Zylinder abdichten. Sie wirken in der Regel über eine Kolbenstange, die außen geführt wird und ein Verkanten verhindert. Bei Kurbeltrieben ist das Pleuel über einenKreuzkopf angeschlossen, der die Seitenkraft von der Kolbenstange fernhält.
Bei Tauchkolben sind die abdichtende Platte und der Kreuzkopf zu einem Bauteil vereinigt. Die Seitenkräfte werden auf den Zylinder übertragen.
Die schlank und zylindrisch geformten Plungerkolben fahren durch eine feststehende Dichtung (typisch eineStopfbuchse) im Arbeitsraum ein und aus. Die Form des Arbeitsraums ist bei Pumpen weitgehend frei wählbar.
Die bis heute (2016) am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen sind derOttomotor (Benzin) und derDieselmotor. Hier wird anhand dieser Maschine der Einsatz des oben beschriebenen Prinzips erläutert.
Technologisch bestehen zwischen Diesel- und Ottomotor-Kolben aufgrund der unterschiedlichen Verbrennungsprozesse wesentliche Unterschiede:
Dieselkolben sind sowohl thermisch als auch mechanisch höher belastet und müssen daher in der ersten Kolbenringnut mit einem eingegossenen Ringträger aus einemaustenitischen Gusseisen („Niresist“) verstärkt werden, um ein Ausschlagen der Nut und Materialübertrag auf den Ring durch Mikroverschweißungen zu verhindern. Bei sehr hoch belasteten Kolben werden in der Bolzenbohrung Messingbuchseneingedehnt.Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Kolben von Dieselmotoren mit direkter Einspritzung ist die Bodenmulde, in der der eingespritzte Kraftstoff mit der Luft verwirbelt und vermischt wird. Thermisch hoch belastete Kolben (insbesondere Renn-, Flug- oderTurbodiesel-Motoren) werden oft mit Spritzdüsen (für Motoröl) zur Kühlung des Kolbenbodens realisiert. Dabei kann der Kolben mit einem umlaufenden Ölkanal versehen sein oder nur durch Bodenanspritzung gekühlt werden.Bei langsamlaufenden Großmotoren kann der Kolben auch durch Umlaufkühlung gekühlt werden. Das Medium wird dem Kolben dabei durch ein teleskopierbares Rohr zugeführt.
Charakteristisch für Kolben von Ottomotoren ist die deutlich geringere Wandstärke, die wegen des geringeren Gewichts höhere Motor-Drehzahlen erlaubt. Im Bereich der ersten Kolbenringnut kann teilweise eine Hartanodisierung zur Verminderung von Verschleiß und Mikroverschweißungen zum Einsatz kommen.
Der Kolbenboden trägt teilweise flache Taschen zur Aufnahme der in den Brennraum hineinragendenVentile.
Das Kolbenhemd dient der Führung des Kolbens im Zylinderrohr und ist bei den meisten Kolben mit einem Gleitlack beschichtet. Es trägt bei älteren Bauarten oft innen einen eingegossenen Stahl-Streifen (Regelkolben, „Regelplatte“, „Autothermik-Kolben“), um das Durchmesserwachstum beim Erwärmen zu steuern. Zur Gewichtsersparnis ist heute bei vielen schnelllaufenden Viertaktmotoren das Kolbenhemd an den Seiten (an den Kolbenbolzen-Öffnungen) nach innen versetzt („Kasten“-Kolben).
Beim Gelenkkolben[2][3] sind der abdichtende Kolbenboden mit den Kolbenringen und das Kolbenhemd, das die Seitenkräfte aus dem Pleuel auf den Zylinder überträgt, zwei Bauteile, die über den Kolbenbolzen gelenkig verbunden sind. Der Spalt zwischen den beiden Teilen verringert die Wärmeverluste aus dem Brennraum.
Der Kolben trägt eine oder mehrereNuten für die Kolbenringe, deren oberste die Kompressionsringe sind und zumindest ein unterer als Ölabstreifring dient. PKW-Kolben besitzen zum überwiegenden Teil zwei Kompressions- und einen Ölabstreifring. Für Rennmotoren kommen auch sogenannte Zwei-Ring-Kolben mit nur einem Kompressionsring zum Einsatz.BeiZweitaktern können die Kolbenhemden auch mit Fenstern versehen sein. Zusätzlich haben die meisten Zweitaktkolben Sicherungsstifte in den Kolbenringnuten, um ein Verdrehen und Verklemmen der Kolbenringstöße in den Steuerfenstern des Zylinders zu verhindern. Bis in die 1950er-Jahre gab esZweitaktmotoren mitNasenkolben, die denGaswechsel bei Querstromspülung verbessern sollten. Seit den 1930er-Jahren haben Zweitaktmotoren mitUmkehrspülung nachAdolf Schnürle jedoch in der Regel einen flachen oder leicht gewölbten („bombierten“) Kolbenboden.
Die Kraftübertragung des Kolbens auf dasPleuel geschieht über denKolbenbolzen. Dieser wird in der Regel im Kolben in der nach innen verdickten Partie des Kolbenhemds in Bohrungen festgelegt und im Pleuelauge drehbar gelagert. Diese Bohrung trägt oft am Ende Nuten fürSicherungsringe („Seegerringe“), um das seitliche Auswandern des Kolbenbolzens zu begrenzen.
Kolben ohne (links) und mit (rechts) Kolbenbolzen-Desachsierung
Im Kfz-Bereich ist die Achse des Kolbenbolzens um ca. 0,5–1,5 mm aus der Kolbenmitte zur druckbelasteten Seite hin versetzt.[4] Ohne diese Desachsierung würde der Kolben die Anlageseite nach demoberen Totpunkt (OT) unter vollem Verbrennungsdruck wechseln (sogenanntesKolbenkippen). Infolge der Desachsierung wechselt der Kolben die Anlageseite bereits vor dem OT, wenn der Kompressionsdruck erst im Aufbau ist. Das verringert den Verschleiß des Kolbens und reduziert die Motorgeräusche.
Ein Einschnitt von Buchse + Kolben
Im Kolbenboden liegender Brennraum bei einem vorkammerlosenDieselmotor, siehe auchM-Verfahren
Kolben eines Zweitaktdieselmotors mit einer Masse von 570 kg
↑Patentanmeldung EP0028287A1: Luftverdichtende - Hubkolben - Brennkraftmaschine. Angemeldet am 12. Juli 1980, veröffentlicht am 13. Mai 1981, Erfinder: Ludwig Elsbett et al.
↑Patent EP0154939B1: Ölgekühlter, zweiteiliger Gelenkkolben. Angemeldet am 7. März 1985, veröffentlicht am 27. Dezember 1990, Erfinder: Ludwig Elsbett et al.
