KIM I Kapitel 4: Kolben

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Author:
toebber
ID:
279093
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KIM I Kapitel 4: Kolben
Updated:
2014-07-23 10:01:51
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KIM
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KIM I Kapitel 4: Kolben
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  1. Skizzieren sie den Verlauf der Schaftnormalkraft über die vier Takte für einen Volllastpunkt mit hoher Drehzahl und einen Volllastpunkt mit niedriger Drehzahl. Kennzeichnen sie die Kurvenbereicheder einzelnen Takte.
  2. Nennen und erläutern sie unterschiedliche Varianten der Kolbenbodenkühlung.
    • Düse mit druckabhängigem Ventil (öffnet erst ab bestimmtem Druck/Drehzahl) spritzt Öl an die Kolbenunterseite
    • -> Erweiterung -> Öl wird in einen Kühlkanal im Kolben gespritzt -> turbulente Strömungen -> effektive Wärmeanfuhr
  3. Welche besonderen Vorkehrungen sind bei der Kolbenbodenkühlung durch Schmierölanspritzung für den Leerlauf zu treffen?
    • Unterbodenkühlung wird im Leerlauf nicht benötigt
    • deshalb druckabhängiges Ventil, dass erst ab einem bestimmten Druck / Drehzahl ein Anspritzen zulässt
  4. Skizzieren sie einen Pkw-Kolben und weisen sie folgende Bezeichnungen zu:
    Feuersteghöhe
    Ringfeldhöhe
    Kompressionshöhe
    Kolbenkopfhöhe
    Schaftlänge


  5. Ordnen sie die Kolben anhand ihrer Kolbenbodenformen dem jeweiligen Motorentyp zu (Ottomotor,Dieselmotor,DI bzw. IDI).
  6. Wie schwer ist ein typischer Pkw-Kolben? Wie schwer ist ein DI-Dieselkolben für einen ähnlich dimensionierten Motor? Wie sind die Unterschiede zu erklären?
    • Pkw-Otto - 0,3kg
    • Pkw-Diesel - 1kg
    • LKW-Diesel - 2,2kg

    Beim Dieselmotor ist ein Großteil des Brennraums im Kolben untergebracht
  7. Wie ist der Unterschied zwischen einem Glattschaftkolben und einen Kastenkolben? Skizzieren sie die beiden Varianten in einer Ansicht in Richtung der Kolbenbolzenachse und als Querschnitt durch die Nabenmitte.
  8. Was versteht man unter einem gebauten Kolben? Wo werden gebaute Kolben eingesetzt? Worin liegen die Vorteile gegenüber einteiligen Kolben?
    • Gebaute Kolben werden ab einem Kolbendurchmesser von 500mm eingesetzt, da gießen und schmieden bei dieser Größe problematisch wird
    • Vorteile: Kolbenpartien (Kolbenkopf und Schaft) können optional an Funktionen sowie thermische und mechanische Belastungen angepasst werden (z.B. Stahl und Alu)
    • Nachteile: hoher Fertigungsaufwand und Kosten
  9. Zeichnen sie schematisch die beiden Möglichkeiten zur Lagerung des Kolbenbolzens
    - schwimmende Lagerung
    - Klemmpleuel
  10. Wie äußert sich ein typischer Klopfschaden am Kolben?
    • Kraterartige Vertiefungen im Bereich des Feuerstegs und des Kolbenbodens (bis zur Lochbildung im Kolben)
    • Risse im Kolbenboden
    • Ausbrechen von Ringstegen
  11. Wieso kann ein defektes Einspritzsystem beim Dieselmotor einen Kolbenschaden hervorrufen? Wie wird der Kolben beschädigt? Beschreiben sie das Schadensbild.
    • Dauereinspritzung -> brennende Flamme während allen Takten
    • -> Langzeittrockenlauf -> thermische Überlastung -> Ölfilm zwischen Kolben und Buchse reißt ab
    • -> Schmelzen von Kolbenmaterial -> Krater in Kolbenboden
    • -> Ablagerungen -> Schmirgeleffekt
  12. Beschreiben sie die Regelwirkung von Bimetallkolben auf das Laufspiel.
    • Bimetallkolben = aktiver Regelkolben
    • -> Alukolben mit Stahleinlage in der Bolzennabe
    • -> Durchmesservergrößerung in Richtung der Bolzenachse
    • -> Verringerung der Wärmedehnung in Laufrichtung
  13. Wie unterscheiden sich Regelkolben von üblichen Kolben? Wieso werden Regelkolben eingesetzt und was bewirken sie? Was versteht man unter passiven und aktiven Regelgliedern?
    • Regelkolben: Beeinflussung der Wärmedehnung ("Regelung"); Verbesserung der Laufruhe; durch Eingießen von Stahl oder Bimetall in den Schaft des Kolben
    • passiv: Wärmefluss in bestimmte Richtung behindern (z.B. vom Kolbenboden zum Schaft -> Schaft primär Führungsaufgabe)
    • aktiv: aktive Beeinflussung der Wärmedehnung -> z.B. Dehnung in Kolbenbolzenrichtung vergrößern
  14. Welche Probleme hinsichtlich der Ölversorgung im Bereich der Kolbenbolzenlagerung ergeben sich bei Turbomotoren mit hohen Ladedrücken schon bei niedrigen Drehzahlen? Wirkt sich in diesem Falle eine hohe oder eine niedrige Kolbenmasse positiv aus? Wie ist dies zu erklären?
    • Problem: Zylinderinnendruckverlauf ermöglicht erst sehr späten und kurzen Anlagewechsel -> Ladedruck drückt Kolben auf Bolzen und die Massenkräfte auch -> Bolzenoberseite ohne Öl
    • Lösung: schwerer Kolben -> hohe Massenträgheit -> Pleuel geht nach unten Kolben will nach oben -> Anlagewechsel -> Ölpolster an der Bolzenoberseite kann sich bilden
  15. Wie verändert sich das Laufspiel des Kolbens beim Warmlauf? Welche folgen hat das für die konstruktive Auslegung des Kolbens? Wo liegen die speziellen Probleme?
    • für möglichst ruhigen Motorlauf in allen Betriebszuständen abgestimmt
    • -> Kaltstart / Betriebstemperatur -> Regelkolben -> Wärmedehnung in Kolbenbolzenrichtung -> kleines Spiel auf Druck- und Gegendruckseite
  16. Zeichnen sie einen Kolbenschnitt mit Ansicht von oben zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Bimetallkolbens. Wieso werden dies Kolben verwendet? Wie wirkt der entsprechende Mechanismus und was bewirkt er?
    • Die Schaftpartien erfahren Krümmung durch Wärmedehnung
    • Biegemoment im Schaft -> Durchmesservergrößerung in Bolzenrichtung
  17. Beschreiben sie die Vor- und Nachteile von geschlitzten Kolben im Vergleich zu ungeschlitzten Ausführungen.
    • Geschlitzte Kolben: Trennung von Kolbenkopf und Kolbenschaft mit einem Luftspalt
    • -> Wärmefluss zum Schaft wird verringert -> Führungsaufgabe des Schafts steht im Vordergrund
  18. Aus welchen Gründen werden insbesondere bei Dieselmotoren Ringträgerkolben eingesetzt?


    • Der 1. Kolbenring liegt in einem durch metallische Bindung fest im Kolben verbundenen Ringträger -> gut bei hohen Drücken und Temperaturen
    • Einsatz beim Turbodiesel -> wegen der hohen thermischen und mechanischen Belastung
  19. Aus welchen Gründen ist es sinnvoll, Kolben mit einer möglichst ebenen brennraumseitigen Oberfläche auszuführen?
    • kompakter Brennraum
    • Fläche zur Wärmeübertragung so klein wie möglich halten
  20. Zeichnen sie die folgenden Kolbenbauformen in der Ansicht von oben und von der Seite:
    - Ottomotor mit HERON-Brennraum
    - Wirbelkammer-Dieselmotor
    - direkteinspritzender Dieselmotor
  21. Wie ist der Mechanismus des Wärmeflusses am Kolben? Schätzen sie die anteiligen Einzelwärmeflüsse prozentual ab.
    • Der Kolben nimmt ca. 50% der Verbrennungswärme auf (Wärmeaufnahme D^2)
    • Wärmeabtransport über die Kolbenringe (Wärmeabgabe D)und zu geringen Anteilen über Schaft und Gehäuseluft
    • mögliche Spritzkühlung mit Öl
  22. An welcher Stelle werden bei einem DI-Dieselmotor die höchsten Temperaturen gemessen? welche maximalen Werte werden dort ermittelt?
  23. An welcher Stelle werden bei einem flachen Ottomotorkolben die höchsten Temperaturen gemessen? Welche maximalen Werte werden dort ermittelt?
  24. Wieso ist bei großen Motoren eine Kolbenbodenkühlung notwendig? Erläutern sie in deutlicher Form.
    • große Motoren = große Bohrung
    • -> Sehr große Wärmeaufnahme (D^2)
    • -> geringe Wärmeabgabe (D)
    • -> Kolbenbodenkühlung notwendig
  25. Warum ist die Ferusteghöhe eine so wesentliche Größe bei der Konstruktion von Kolben?
    • Die Feuersteghöhe sollte möglichst klein sein, da sich HCs im Spalt nicht verbrannt werden und umverbrannt ausgestossen werden
    • -> hohe Schadstoffemissionen
    • bei einem kleinen Spalt ist allerdings die Temperaturbelastung des Kolbenrings sehr hoch und kann diesen zerstören
    • -> Kompromiss notwendig
  26. Was versteht man unter Pendelschaftfkolben und welche Vor- und Nachteile besitzen diese?
    • Funktionstrennung zwischen Schaft (Führung des Kolbens) und Kolbenboden (Abdichtung der Gaskräfte)
    • -> für extreme Belastungen
    • -> Boden und Schaft beweglich auch Bolzen gelagert
    • -> verschiedene Materialien möglich
  27. Skizzieren sie einen desachsierten und einen geschränkten Kurbeltrieb.
  28. Zeichnen sie bitte in einer Draufsicht und einer Seitenansicht (Schnitt):
    einen Vorkammer-Dieselkolben
    einen Wirbelkammer-Dieselkolben
    einen Direkteinspritzer-Dieselkolben
    Wo liegen die wesentlichen Unterschiede? Erläutern und begründen sie diese.
  29. Zeichnen sie bitte in zwei Seitenansichten:
    einen Formel 1-Kolben
    einen Pkw-Ottomotoren-Kolben
    Wo liegen die wesentlichen Unterschiede? Gehen sie auf diese Punkte ein und erläutern sie, wieso gewisse Unterschiede beim Rennmotor sinnvoll sind bzw. beim Pkw-Motor notwendig sind.
    • Formel 1: leichter; hohe Verdichtung; wenig Komfort / Führung des Kolbens -> Anlagewechsel laut; Kaltlauf "egal" -> viel Spiel im kalten Zustand  ist ok
    • Otto: ausreichender Feuersteg für lange Lebensdauer; Führung / Wärmedehnung regeln

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