Kolbentechnologie der Modellmotoren

Kraftmaschinen mit Kolben, Kurbeltrieb und innerer Verbrennung allgemein auch als Verbrennungsmotoren bezeichnet werden seit über 100 Jahren zur Wandlung der chemisch in den meist flüssigen Brennstoffen gebundenen Energie in mechanische Arbeit genutzt. Bisher konnten den Verbrennungsmotor nur Gasturbinen im Bereich hoher Leistungen und geringem Leistungsgewicht verdrängen. Ursache ist der relativ hohe Wirkungsgrad der Energiewandlung der mit erträglichem Aufwand von keiner anderen Wärmekraftmaschine erreicht wird.
Der Kolben als eines der wesentlichen Bauteile des Verbrennungsmotors dient der beweglichen Abdichtung des Verbrennungsraums und der Übertragung der Gaskräfte auf den Kurbeltrieb. Hierbei muß gleichzeitig die von den heißen Verbrennungsgasen übertragene Wärme vom Kolbenboden abgeleitet und die durch den Kurbeltrieb entstehende Normalkraft an der Zylinderwand abgestützt werden. Bei Zweitaktmotoren übernimmt der Kolben weiterhin noch die Steuerung des Ladungswechsels.

Die hohe Belastung von Modellmotorenkolben wird an nachstehenden Kennzahlen deutlich:

Modellmotoren PKW-Motoren F1-Motoren
Kolbengeschwindigkeit: [m/s] 18 – 25 8 – 15 25
Kolbenflächenleistung: [kW/cm2]
 0,3 – 0,9 0,2 – 0,5 0,9
Literleistung: [kW/dm3] 150-600 50-150 220

Kolbenwerkstoff

Kolben von Modellmotoren unter 5 cm3 Hubraum werden fast ausnahmslos ohne Kolbenringe ausgeführt. Um die vorstehend beschriebenen Anforderungen erfolgreich zu bewältigen kommt dem Werkstoff des Kolbens eine Schlüsselfunktion zu. Kolben moderner Hochleistungsmodellmotoren bestehen ausnahmslos aus Aluminiumlegierungen. Aufgrund der geringen Dichte und hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen können ausreichende Materialquerschnitte für den Wärmeabfluss vom Kolbenboden bei gleichzeitig geringem Gewicht realisiert werden. Die spaltfreie Abdichtung der kolbenringlosen Kolben über den gesamten Betriebsbereich gelingt durch Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kolbens an die thermische Ausdehnung der Laufbuchse. Man nutzt hierbei den Effekt, daß sich der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumlegierungen  mit steigendem Gehalt des Legierungselements Silicium verringert (siehe Abb.1).
Wärmedehnung-Si-Gehalt

Für hartverchromte Messing-, Bronze- und Aluminium-Zylinderlaufbuchsen haben sich Si-Gehalte von 24 – 30 % bewährt. Kolbenlegierungen mit übereutektischem Gefüge (Si-Gehalt >12,5%) enthalten primär ausgeschiedene Siliciumkristalle deren hohe Härte dem Kolbenwerkstoff ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Fresssicherheit verleihen. Durch pulvermetallurgische Herstellungsprozesse, insbesondere das sogenannte Sprühkompaktieren kann eine Verteilung und Größe der Si-Primärkristalle erreicht werden die optimale Reibparameter und maximale Festigkeiten gewährleisten.
Eine Legierung, die den oben genannten Anforderungen in idealer Weise gerecht wird und in großem Maßstab in modernen Modellmotoren eingesetzt wird ist die von der Fa. PEAK durch sprühkompaktieren hergestellte Aluminiumlegierung DISPAL S 226. Mit Modellmotoren deren Kolben aus dieser Legierung bestehen sind zahlreiche Weltrekorde aufgestellt und mehrere Weltmeistertitel errungen worden. Sie kann (auch in kleineren Mengen) von der Fa. Liquidyn (www.liquidyn.com) bezogen werden.

Kolbendesign

Die Gestaltung der Hauptabmessungen des Kolbens von Modellmotoren kann mit relativ wenigen, einfachen Formeln beschrieben werden:
Kolbenzeichnung

– gesamte Kolbenlänge:                                 L ~ s + (0,5 ….. 1)mm
– Kompressionshöhe:                             Lkomp ~ (0,4 ….. 0,45) * Dk
– Augenabstand:                                           a ~ (0,4 ….. 0,45) * Dk
– Durchmesser der Kolbenbolzenbohrung:    d ~ (0,28 ….. 0,35) * Dk
– Wandstärke des Kolbenschafts:                 w ~ (0,04 ….. 0,1) * Dk
– Wandstärke des Kolbenbodens:                 s ~ 0,07 * (Di * pz)½       (für DISPAL S 226 T6)
Di:  Innendurchmesser des  Kolbenbodens (mm)
pz:  maximaler Zünddruck (MPa)

Kolbenbearbeitungstipps

* Die Bearbeitung der Kolbenwerkstoffe, insbesondere der Legierung DISPAL S226, kann trotz der sehr harten Si-Primärkristalle mit Schnellarbeitsstählen oder besser Hartmetallwerkzeugen unter Inkaufnahme eines relativ hohen Werkzeugverschleißes vorgenommen werden. Ein Pressen oder Schmieden von Kolben aus dem Werkstoff DISPAL S 226 bringt keinen Festigkeitsvorteil, da das Gefüge hierbei nicht mehr modifiziert wird.
* Vor der Fertigbearbeitung des Kolbenaußendurchmessers (einpassen) sollten die bearbeiteten Kolben einer mehrstufigen Wärmebehandlung unterzogen werden, um eingebrachte Bearbeitungsspannungen zu verringern und die Volumenstabilität (“Wachsen”) des Materials im Motorbetrieb zu erhöhen. Das “Wachsen” des unbehandelten Materials im Motorbetrieb entspricht der thermischen Ausdehnung bei (10-20)°C Temperaturerhöhung. Eine in 4 Sufen von 120°C bis 180°C gesteigerte Wärmebehandlung mit Ofenaufheizung und -Abkühlung des Kolbenmaterials sowie einer Haltezeit von etwa 3 Stunden hat sich hierbei bewährt.
* Die Abweichung der Kolbenbolzenbohrung von der Senkrechten zur fertigbearbeiteten Zylindermantelfläche des Kolbens sollte 0,005mm nicht überschreiten.
* Eine Abweichung der Spaltgeometrie zwischen Zylinder und Kolben von (0,001 bis 0,002)mm bedeutet einen Leistungsverlust von ca. 5% (bei Motoren ohne Resonanzrohr).