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1 Vier- und Sechszylinder-V-Motoren (außer Rennmotoren) werden in der Regel mit versetzten Kurbelzapfen ausgeführt, damit sich gleiche Zündabstände ergeben.
Normdaten (Sachbegriff): GND : 4133462-0 ( OGND , AKS )
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In einem Hubkolbenmotor führt die Expansion eines Gases über eine Schubkurbel dazu, dass mechanische Energie abgegeben bzw. Arbeit verrichtet wird. Hubkolbenmotoren zählen zu den Kolbenmaschinen .
Die Ausdehnung des Gases in einem Zylinder verrichtet Arbeit an einem Kolben , die durch eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt, und die Kolben können Arbeit über die Pleuel an die Kurbelwelle abgeben (Abb. 1). Zwei Bauformen sind bekannt:
Betrachtet man nur die Bewegung der Teile relativ zueinander, unterscheiden sich die beiden Bauformen nicht. Die Zylinder eines Sternmotors sind drehsymmetrisch um die Kurbelwelle angeordnet, wodurch Unwucht vermieden wird.
Beispiele für Hubkolbenmotoren sind:
Hubkolbenmotoren werden auch nach der Zahl und Anordnung der Kolben je Brennraum eingeteilt:
Sie werden auch nach der Zahl und Anordnung der Zylinder eingeteilt:
Infolge der Hubbewegung der Kolben und Pleuel sowie infolge des ungleichförmigen Übertragungsverhaltens des Kurbeltriebs treten Massenkräfte auf, die sich in den Motorlagern abstützen und benachbarte Strukturen zu Schwingungen anregen.
Die Massenkräfte der linear bewegten Teile des Kurbeltriebes (oszillierende Massen) lassen sich durch folgende Formel näherungsweise berechnen:
Da es sich bei dem Ausdruck in der Klammer um die ersten zwei Glieder einer Reihenentwicklung handelt, bezeichnet man
cos
(
α
)
{\displaystyle \cos(\alpha )}
als Massenkraft 1. Ordnung,
λ
⋅
cos
(
2
α
)
{\displaystyle \lambda \cdot \cos(2\,\alpha )}
als Massenkraft 2. Ordnung.
Theoretisch treten nicht nur 1. und 2. Ordnung auf, sondern unendlich viele ganzzahlige Ordnungen, die jedoch ab der 4. Ordnung aufgrund ihrer geringen Größe meistens vernachlässigbar sind.
Die rotierenden Massen des Kurbeltriebs können durch Gegengewichte an der Kurbelwelle ausgeglichen werden. Oszillierende Massenkräfte 1. und 2. Ordnung können bei Mehrzylindermotoren durch eine geschickte Anordnung der Zylinder vermieden oder vermindert werden. Um diese Massenkräfte völlig auszugleichen, benötigt man mindestens sechs Zylinder beim Viertakt- Reihenmotor oder acht Zylinder beim V-Motor . Bei Motoren mit weniger Zylindern kommen oft Ausgleichswellen zum Einsatz, auf denen entsprechende Ausgleichsunwuchten mit einfacher oder doppelter Kurbelwellen-Drehzahl umlaufen (zum Beispiel Lanchester-Ausgleich (Abb. 2)).
Eine andere Möglichkeit, einen perfekten Massenausgleich zu erreichen (und zwar nicht nur näherungsweise), besteht in der Verwendung von zwei gegenläufig rotierenden Kurbelwellen, wie zum Beispiel beim H-Motor .
Legende:
0 = voll ausgeglichen
1 = voll auszuwuchten
2 = teilweise auszuwuchten
3 = nicht auszuwuchten [7] [8]
Da Hubkolbenmotoren nicht wie etwa Turbinen kontinuierlich laufen, sondern einen in verschiedene Takte aufgeteilten Prozess durchlaufen, kommt es an der Kurbelwelle zu einer Drehzahl- und Momentenpulsation , die um einen stationären Mittelwert schwankt (Abb. 3).
Die Form der Drehunförmigkeit wird bestimmt durch die Anzahl der Zylinder, den Druckverlauf im Zylinder, die Geometrie und die Massen der Motorbauteile sowie das Arbeitsverfahren (z. B. Zweitakt- bzw. Viertaktverfahren ) sowie den Betriebspunkt (Last/Drehzahl) des Motors. Der Nebenantrieb z. B. einer Nockenwelle und der Sekundärantrieb von Nebenaggregaten können ebenfalls einen Einfluss haben.
Diese sogenannte Drehungleichförmigkeit ist die Ursache für Torsions-Schwingungen im nachgeschalteten Antriebsstrang , die häufig auch zu unangenehmen Motorgeräuschen führen. Um diese zu reduzieren, kommen Zweimassenschwungräder oder Torsionsschwingungs- Tilger beziehungsweise - Dämpfer zum Einsatz. Auch ein Wandlergetriebe dämpft die Stöße.
Durch die Knickpleueltechnik und andere Methoden, einen variablen Kurbeltrieb zu erreichen, sollen unter anderem Verdichtungsverhältnis und -verlauf gesteuert werden.
150°/90° oder 120°/120° (um 30° versetzte Hubzapfen)
120°/120° (um 60° versetzte Hubzapfen)
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Der Kolbenring ist ein Dicht element auf dem Kolben beispielsweise eines Verbrennungsmotors oder eines Kolbenverdichters .
Kolbenringe haben mehrere Aufgaben:
Kolbenringe sind keine geschlossenen Ringe, sondern haben auch im eingebauten Zustand am Umfang eine Öffnung, den sog. Ringstoß . Im freien, d. h. nicht eingebauten Zustand sind Kolbenringe nicht kreisrund, sondern haben eine definierte unrunde Form und eine Öffnung – die Maulweite . Erst im Einbauzustand werden die Ringe in Kreisform gedrückt. Je nach Anforderungen an E-Modul , mechanische Festigkeit und Verschleißwiderstand werden Kolbenringe aus Guss - oder Stahlwerkstoffen gefertigt.
Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens sind teilweise Beschichtungen auf den Ringen notwendig. Dabei kommen elektrochemische Verfahren , wie z. B. Verchromen, oder thermische Spritzschichten sowie keramische Beschichtungen zum Einsatz. Auf Stahlringen wird häufig die an der Zylinderlauffläche liegende Randschicht durch Nitrieren gehärtet.
In heutigen Verbrennungsmotoren werden in der Regel jeweils drei Kolbenringe pro Zylinder verwendet. Ihre Ausführung unterscheidet sich nach der Einbaulage auf dem Kolben, da die Aufgabe eines Ringes von seiner Position auf dem Kolben abhängt. Der oberste Ring – dem Verbrennungsraum am nächsten gelegen – ist der sog. Kompressionsring und muss in erster Linie abdichten und Wärme ableiten. Der unterste Ring, der Ölabstreifring, streift Schmieröl von der Zylinderwand ab und dosiert dabei den Ölfilm, auf dem die oberen Kolbenringe während des Hubs gleiten. Der mittlere Ring dichtet gegen Verbrennungsgase ab und kann durch Wechselwirkung mit der Bewegung des ersten Ringes das Blowby des Motors erheblich beeinflussen. Diesem zweiten Kolbenring fällt aber auch noch eine wichtige Aufgabe bei der Steuerung des Ölhaushaltes des Motors zu. Der Ölfilm muss sowohl für hinreichend gute tribologische Bedingungen sorgen als auch dünn sein, um die Ölverluste durch Abdampfen gering zu halten. Im Bereich der oberen Kolbenringe beträgt die Ölfilmdicke zum Teil weniger als ein Tausendstelmillimeter und ist damit geringer als die Rautiefe von Kolben und Zylinder.
Die Hauptaufgabe der K-V-Ringe ist es, den Brennraum gegenüber dem Kurbelgehäuse abzudichten und den Wärmefluss vom Kolben zum Zylinder zu gewährleisten. Darüber hinaus sind sie aber auch zur Regelung des Schmierölhaushaltes von großer Bedeutung.
Kompressionsringe sind einteilige Ringe, die ihren Anpressdruck an die Zylinderwand hauptsächlich aus dem Gasdruck beziehen. Um die Abdichtung beim Start zu sichern und ein Ringflattern bei hohen Drehzahlen zu vermeiden, sind die Ringe durch Biegespannung zwischen freier und eingebauter Form mechanisch vorgespannt. Die Höhe des Anpressdruckes wird in der Regel in Form der Tangentialkraft des Ringes angegeben. [1]
Die Hauptaufgabe des Ringes in der untersten Kolbennut ist das Abstreifen des Öles von der Zylinderwand, d. h., der Ölabstreifring hat einen wesentlichen Einfluss auf den Ölhaushalt eines Verbrennungsmotors. Um den Schmierölverbrauch wirkungsvoll zu beeinflussen, stehen verschiedene ein-, zwei- oder dreiteilige Bauformen zur Auswahl.
Das Stoßspiel der Kolbenringe ist der Abstand – also der Stoß – zwischen den Kolbenringenden im eingebauten Zustand. Zur Messung des Stoßspiels – dem Abstand zwischen den Kolbenringenden – muss sich der Kolbenring im Zylinder senkrecht zur Zylinderwand bzw. Laufbahn befinden. Am besten schiebt man die Kolbenringe mit dem Kolben im Zylinder in die richtige Position. Dadurch werden sie ausreichend ausgerichtet. Die Zylinderwand dürfte im Bereich kurz unterhalb der oberen Ringkanten am meisten abgeschliffen sein. Hier sollte auch das Stoßspiel gemessen werden. Die Messung kann sehr gut mit einer Fühlerlehre durchgeführt werden. Als Richtwert für das Stoßspiel gibt ein Kolbenhersteller (Grand-Sport) folgende Formel an: mindestens 0,036 mm Stoßspiel je 10 mm Bohrung => 57er Bohrung = mindestens 0,21 mm Stoßspiel. [2]
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