Kolben

Ein Kolben ist das zylindrische Bauteil, das sich im Zylinder eines Motors auf und ab bewegt, und er ist das Teil, das am unmittelbarsten dafür sorgt, die Energie des verbrennenden Kraftstoffs in mechanische Bewegung umzusetzen. Wenn sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch über ihm entzündet, drücken die sich rasch ausdehnenden Gase mit großer Kraft auf den Kolbenboden und treiben ihn die Laufbuchse hinab. Diese geradlinige Bewegung ist das erste Glied der Kette, die letztlich die Räder dreht.

Der Kolben arbeitet nicht für sich allein, sondern als Teil einer eng abgestimmten Baugruppe. Sein Abwärtsschub wird über die Pleuelstange übertragen, die durch einen Kolbenbolzen mit dem Kolben verbunden ist; der Bolzen verläuft durch die Augen im unteren Teil des Kolbens. Das untere Ende der Pleuelstange ist mit der Kurbelwelle verbunden, deren versetzte Hubzapfen die geradlinige Bewegung des Kolbens in eine Drehung umsetzen. In einem Mehrzylindermotor steigen und fallen die Kolben in einer genau abgestimmten Reihenfolge, sodass sich die Arbeitstakte überlappen und die Kurbelwelle gleichmäßig dreht.

Die Abdichtung ist für die Funktion des Kolbens wesentlich, und das ist die Aufgabe der Kolbenringe, die in rund um den Umfang eingearbeiteten Nuten sitzen. Die oberen Verdichtungsringe verhindern, dass die Hochdruck-Verbrennungsgase am Kolben vorbei ins Kurbelgehäuse entweichen, was Leistung kosten würde, während der untere Ölabstreifring überschüssiges Schmiermittel von der Zylinderwand abstreift und in die Ölwanne zurückführt, sodass nur ein dünner Schmierfilm verbleibt. Verschlissene Ringe verraten sich durch nachlassende Verdichtung und verbranntes Öl.

Die meisten modernen Kolben werden aus Aluminiumlegierung gegossen oder geschmiedet, gewählt, weil sie leicht ist und die Wärme wirksam vom Kolbenboden ableitet – was wichtig ist, da der Kolben extreme und rasch schwankende Temperaturen und Beschleunigungen aushält. Geschmiedete Kolben sind fester und werden in Hochleistungs- und Turbomotoren bevorzugt, während gegossene Kolben günstiger und für den Normalbetrieb ausreichend sind. Der Kolbenboden kann mit Mulden oder Ventiltaschen geformt sein, um die Geometrie des Brennraums zu steuern und ein Anschlagen der Ventile zu vermeiden.

Das Volumen, das ein Kolben überstreicht, während er vom unteren zum oberen Ende seines Hubs wandert, bestimmt den Hubraum dieses Zylinders, und die Summe über alle Zylinder ergibt den Gesamthubraum des Motors, eine der grundlegendsten aller Motorangaben. Die Stellung des Kolbens am oberen Umkehrpunkt im Verhältnis zum Brennraumvolumen bestimmt zudem das Verdichtungsverhältnis mit, das den Wirkungsgrad und den benötigten Kraftstoff stark beeinflusst.

In der Praxis ist der Kolben ein Verschleißteil, das in einer rauen Umgebung arbeitet, und sein Zustand – ebenso wie der seiner Ringe und der Zylinderlaufbahn – ist ein wichtiger Anhaltspunkt für die Verfassung eines Motors. Ihn zu verstehen, macht deutlich, wie der Verbrennungsmotor funktioniert, denn der Kolben ist das bewegte Herzstück, in dem Druck zu Kraft wird.