Die Geschichte des Motorkolbens (inkl. vieler Höhen und Tiefen …)

Motoren mögen im Rampenlicht stehen. Aber es ist der einfache Kolben, der den ganzen Druck wirklich bewältigt und Autos, Motorräder, Boote, Züge, Flugzeuge, Kräne und große Industriemaschinen antreibt. Heute werden wir die Geschichte des Motorkolbens beleuchten und wie er letztendlich die Entwicklung der modernen Welt vorangetrieben hat.

Doch bevor wir sprichwörtlich die Kolbenringe abnehmen und den Kolben auf seine frühen Vorfahren zurückführen, wollen wir einen Moment innehalten und seine reziproke Einfachheit genießen.

Der Kolben (noch einmal) vorgestellt

Eine Krone. Ein Schaft. Zwei oder drei Ringe. Vielleicht ein bisschen Motoröl. Und ein gebrochenes Pleuel in der Hand. Mein Partner hatte recht. Das diesjährige Halloween-Kostüm klingt tatsächlich sehr nach einem Kolben. Denn im Wesentlichen sind dies die mechanischen Komponenten, die dazu beitragen, Energie in Bewegung umzuwandeln. Und wie die meisten von uns wissen, spielen sie eine wichtige Rolle in Verbrennungsmotoren sowie in hydraulischen und pneumatischen Systemen.

Obwohl ihre Aufgabe auf dem Papier ziemlich linear klingen mag, ist sie tatsächlich voller Höhen und Tiefen. Tatsächlich gibt es in einem Verbrennungsmotor vier Arten von Auf- und Abwärtsbewegungen, die chemische Energie in Drehbewegung umwandeln.

Aufstieg und Fall des Motorkolbens

Es gibt vier unterschiedliche Stufen (oder Takte) der Kolbenbewegungen. Und in einem Vierzylindermotor zum Beispiel führt jeder Kolben gleichzeitig einen anderen Takt aus, so dass die Kraft gleichmäßig bleibt.

1. Ansaugtakt. Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt Luft und Kraftstoff durch das Einlassventil an.
2. Verdichtungstakt. Der Kolben bewegt sich nach oben und komprimiert das Luft-Kraftstoff-Gemisch für die Zündung.
3. Arbeitstakt. Die Zündkerze erledigt ihre Arbeit, und das Gemisch verbrennt, drückt den Kolben nach unten und erzeugt KRAFt.
4. Ausstoßtakt. Nun bewegt sich der Kolben wieder nach oben und lässt die Abgase über das Auslassventil entweichen.

Ein Zweitaktmotor durchläuft die gleichen Phasen, kombiniert jedoch den Verdichtungs- und Arbeitstakt sowie den Auslass- und Ansaugtakt. Wenn sich der Kolben also nach oben bewegt, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert. Kurz vor dem oberen Totpunkt zündet der Funke, und eine Explosion drückt ihn nach unten, wodurch die KRAFT erzeugt und die Abgase ausgestoßen werden, während gleichzeitig neue Luft und Kraftstoff angesaugt werden.

Und natürlich haben Dieselmotoren keine Zündkerze. Stattdessen verlassen sie sich auf eine stärkere Kompression (daher die höheren Verdichtungsverhältnisse im Vergleich zu Benzinmotoren), um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu verbrennen, was bedeutet, dass der Kolben höheren Belastungen ausgesetzt ist.

Verbrennungsmotoren unterscheiden sich jedoch in Größe und Anwendung. Daher müssen sich, wie Sie wahrscheinlich erwarten, auch Form und Größe der Kolben unterscheiden. Lassen Sie uns mehr darüber erfahren.

Kolbenkonstruktion: Der Anlass steigt

Ja, wie Motoren variieren auch Kolben. Und die Form und Größe des Kolbens kann die Leistung dramatisch verändern. Ich habe es bei meinem Halloween-Kostüm kurz angesprochen, aber der Kolben besteht aus vier Hauptteilen.

Wir haben den Kolbenboden (oder Kopf). Hier findet die Verbrennung statt. Der Kolbenhemd ist wie ein Henkelloser Becher, der den Kolben im Zylinder führt. Als Nächstes die Kolbenringe, von denen es zwei Arten gibt: Kompressions- und Ölabstreifringe. Diese dichten den Kolben an der Zylinderwand ab und verhindern, dass überschüssiges Öl und allgemeiner Verbrennungsrückstand in andere Teile des Motors gelangen. Und dann der Kolbenbolzen. Dieser verbindet den Kolben mit der Pleuelstange, so dass die Hin- und Herbewegung auf die Kurbelwelle übertragen wird.

Arten von Motorkolben

Flachkolben

Diese sind oben flach (Überraschung!) und ermöglichen eine effiziente Verbrennungsverteilung, wodurch höhere Verdichtungsverhältnisse möglich sind. Sie sind ziemlich verbreitet und werden in vielen Benzinmotoren verwendet.

Domkolben (konvex)

Diese haben eine erhöhte Mitte, wodurch die Oberfläche des Kolbenbodens vergrößert wird, was das Volumen des Brennraums verringert. Dies erhöht dann das Verdichtungsverhältnis (denken Sie an mehr Energie aus dem Luft-Kraftstoff-Gemisch). Rennmotoren haben sie oft, weil sie mehr KRAFT erzeugen.

Schalenkolben (konkav)

Diese wölben sich nach oben und vergrößern das Volumen des Brennraums, wodurch das Verdichtungsverhältnis gesenkt wird. Turbo- oder Kompressormotoren können sie verwenden, da sie mehr "Ladedruckpotenzial" erzeugen. (Ich glaube jedoch nicht, dass das der Fachbegriff ist.)

Kastenkolben

Diese werden oft in großen Motoren mit niedrigeren Verdichtungsverhältnissen verwendet. Das längere Kolbenhemd hilft, den Kolben zu stabilisieren, so dass er längere Wege effizienter zurücklegen kann. Es hilft auch, einige Belastungen zu verteilen und die Lebensdauer zu verlängern.

Schleppkolben

Auf der anderen Seite, oder sollte ich sagen Schleppseite, haben wir Schleppkolben. Diese haben ein kleineres Kolbenhemd und konzentrieren sich mehr auf Gewichts- und Reibungsreduzierung, was höhere Motordrehzahlen und bessere Leistung in hochdrehenden Motoren ermöglicht.

Hier ist eine direkte Vergleichsanleitung, wie sie aussehen.

Wie groß (und klein) werden Kolben eigentlich?

Einer der größten (wenn nicht der größte) Verbrennungsmotoren ist der Wärtsilä RT-Flex96C-Motor. Er ist monströse 13,5 m hoch und erzeugt 109.000 PS und 7.600.000 Nm Drehmoment über 14 Zylinder. Die Kolben sind also auch ziemlich groß ... Jeder wiegt über 5 Tonnen, ist ca. 6 Meter lang und hat einen Bohrungsdurchmesser von 960 mm. Hier ist ein Video, das mehr zeigt.

Am anderen Ende der Skala hat der angeblich kleinste V12-Motor einen Bohrungsdurchmesser von 11,3 mm und einen Hub von 10 mm. Oder noch kleiner, der George Luhrs Einzylindermotor hat einen Bohrungsdurchmesser von ca. 3,2 mm und einen Hub von ca. 4 mm.

Die Formen und Größen variieren also!

Aber sie sind nicht einfach aus dem Nichts entstanden. Es gibt einen Entwicklungspfad. Und wenn es eine Sache gibt, die wir über Kolben wissen, dann ist es, dass sie immer (oder fast immer) der Situation gewachsen sind.

Der Aufstieg des Motorkolbens zur KRAFT

Die frühen Höhen und Tiefen der Kolben reichen bis 150 v. Chr. zurück, als sie angeblich in Luftpumpensystemen für die Metallbearbeitung (Öfen) verwendet wurden. Von da an schien die Entwicklung der Kolben etwas langsam zu verlaufen, denn die nächste aufgezeichnete Entwicklung erfolgte in Form einer Dampfmaschine – im 18. Jahrhundert.

Nicolas-Joseph Cugnot, ein französischer Militäringenieur, stellte 1769 ein dampfbetriebenes Fahrzeug her und war damit einer der ersten, der die kolbengetriebene KRAFT nutzte. Allerdings war es angeblich etwas unberechenbar in seiner Richtung und Geschwindigkeit.

Doch wie bei einer großen Lokomotive wurden die Entwicklungen, sobald sie einmal ins Rollen kamen, schwer zu verlangsamen.

Meilenweit voraus

Im Jahr 1794 entwarf Robert Street einen Einzylindermotor, der unten einen kohlebefeuerten Ofen und oben eine Kühlmanschette hatte. Dies war angeblich der erste Flüssigkraftstoffmotor (Benzin).

Kraftstoff wurde in den Zylinder geleitet, und Luft wurde manuell gepumpt, damit der Kolben aufsteigen konnte. Der kohlebefeuerte Ofen verdampfte den Kraftstoff, entzündete ihn und drückte dann den Kolben nach oben, um einen Schwingbalken anzutreiben, der mit Entwässerungspumpen in Kohlebergwerken verbunden war. Wenn der Kolben abkühlte, senkte die Schwerkraft ihn, zog den Balken und trieb den Kolben der Pumpe am gegenüberliegenden Ende an.

Langsam, ja. Aber nichtsdestotrotz wichtig.

Laufen auf Dampf

Bisher liefen Motoren mit Kohle, die außerhalb des Zylinders (in einem Ofen) verbrannt wurde, was sie zu externen Verbrennungsmotoren machte.

Die Verbrennung machte ihre ersten Schritte im Motorblock, als Samuel Morley 1826 seinen "Gasmotor" erfand. Obwohl sehr ineffizient, zündete sein Design Kraftstoff (ein Kohlegas-Luft-Gemisch), was zu einem Druckanstieg im Zylinder führte. Eine Premiere für die damalige Zeit.

Obwohl ich denke, dass wir Robert Boyle, der die zugrunde liegenden Gasprinzipien hier im Jahr 1662 entdeckte, einen besonderen Klaps auf die Schulter geben müssen.

Boyles Gesetz besagt, dass bei konstanter Temperatur das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zum vom Gas ausgeübten Druck ist. Oder anders ausgedrückt, ein Gas passt in einen geschlossenen Raum, aber wenn dieser schrumpft, steigt der Druck.

Ersetzen Sie „geschlossener Raum“ durch „Zylinder“, und Sie haben fast Morleys Entdeckung.

Behalten Sie dies im Hinterkopf, denn nicht lange nach Samuel Morleys Motorkonstruktion trat Benoît Paul Émile Clapeyron auf den Plan. Hier ist, was er entdeckte…

Die ideale Situation

Im Jahr 1834, 8 Jahre nach Morleys Motorkonstruktion, verband Benoît Paul Émile Clapeyron, ein französischer Ingenieur, Boyles Gesetz mit anderen bereits existierenden Gasgesetzen. Er schlug ein neues Gesetz vor, das uns half, das Verhalten von Gasen und den Einfluss der Gastemperatur in geschlossenen Räumen besser zu verstehen. Was er vorschlug, war das ideale Gasgesetz. (Siehe hier für seine Herleitung)

Wenn wir nach P, dem Druck, umstellen, sehen wir, dass bei Kompression und Volumenabnahme der Druck ansteigt. Berücksichtigt man dann, dass beim Zünden des Kraftstoffs auch die Temperatur ansteigt, dann steigt der Druck noch schneller an, was eine ganze Menge mehr KRAFT bedeutet.

Wessen Schultern trägt die Kompression? Richtig. Unser bescheidener Kolben.

Ein Siegel der Genehmigung

Bislang haben die meisten unserer Zeitachsen der Motorenentwicklung gefolgt. Doch 1852 erfand John Ramsbottom den Kolbenring und ersetzte damit größtenteils Hanf- und Lederäquivalente.

Ein Schritt in die richtige Richtung, sicherlich, aber er führte zu ungleichmäßigem Verschleiß. Also verbesserte er ihn.

Und 1855 kam Ramsbottoms geteilter Kolbenring auf den Markt und wurde zum Standard in Kolbenmotoren.

Keine Kompression. Mehr Eindruck.

Étienne Lenoir verbesserte 1860 das Kolbenspiel und erfand den ersten Zweitaktmotor. Für seine Zeit war das Design ziemlich besonders, wobei der Kolben eine wichtige, doppelt wirkende Rolle spielte.

Im Gegensatz zu modernen Motoren komprimierte Lenoirs Motor das Kraftstoffgemisch vor der Zündung nicht und hatte außerdem zwei Arbeitstakte für jeden Auf- und Abwärtszyklus. Mit anderen Worten, einen Arbeitstakt an jedem Ende. Eine doppelt effiziente Methode. Diese Konstruktionen folgten angeblich denen von Philippe Lebon (von 1801).

Pat, Pat, Pat, Pat (4 Takte …)

1862 theoretisierte Alphonse Beau de Rochas die idealen Bedingungen für einen effizienten Verbrennungsmotor. Darin enthalten war eine Viertakt-Zyklusfolge: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Im Gegensatz zu Lenoirs Zweitaktmotor von 1860 schlug de Rochas vier Takte für optimale Effizienz vor.

Nikolaus Otto bekam Wind davon und entwickelte 1876 den ersten Viertaktmotor, der das Potenzial einer Motor- und Kolbenpartnerschaft komplett veränderte. (Es ist vielleicht erwähnenswert, dass Otto 1861 auch einen Zweitakt-Gasmotor gebaut hat, der sich gut bewährte und 1867 auf der Pariser Weltausstellung Gold gewann!)

Rund um den Benz

Als Nächstes kam Karl Benz. 1879 entwickelte er seinen ersten Zweitaktmotor und erhielt 1880 ein Patent dafür. Er vermarktete ihn, entwickelte ihn weiter und stellte ihn schließlich ab.

Denn 1886 nutzte er sein Wissen und patentierte das erste "praktische" benzinbetriebene Auto, das einen Einzylinder-Viertaktmotor verwendete und erstaunliche ~0,7 PS leistete (ja, da ist ein Dezimalpunkt drin!).

Von Rädern... zu Flügeln und Rädern

Mit einem funktionierenden Motor, der Menschen erfolgreich bewegt, ohne zu explodieren, ist es doch nur menschliche Natur zu sehen, ob man ihn auch in die Luft bringen könnte, oder? Die Gebrüder Wright dachten das auch, und ihr Flugzeug, der Wright Flyer, verwendete 1903 einen ähnlichen Viertaktmotor – er verwendete auch einen Aluminiummotorblock!

Sie sehen, bis dahin wurden Kolben meist aus schwerem Gusseisen hergestellt. Doch mit zunehmender Nachfrage nach Motoren stieg auch die Nachfrage nach Leistungsverbesserungen. Und die Reduzierung des Gewichts von Komponenten schien ein intuitiver Bereich zu sein, den es zu erforschen galt.

Im Jahr 1920 entwickelte Karl Schmidt die ersten Kolben aus einer Aluminiumlegierung (einer Al-Cu-Legierung, die in der Luftfahrt verwendet wird). Die Leute stellten jedoch bald fest (als ihre Motoren kaputt gingen), dass die verwendete Al-Cu-Legierung aufgrund des hohen Eisengehalts eher spröde war. Also verließ Eisen die Bühne, und Nickel und Kobalt traten ein, was die Elastizität verbesserte.

Die Leistungskurve

Es ist schwer, genau zu bestimmen, wann, aber etwa zu dieser Zeit begannen sich die Kolbenböden zu verändern. Zum Beispiel wurde der Automobilrennsport immer beliebter, und Domkolben tauchten immer häufiger in Motoren auf (wahrscheinlich wegen ihres KRAFTPotenzials?).

Und wie bei der Einführung von Aluminium führte auch der Zweite Weltkrieg zu raschen Entwicklungen bei Verbrennungsmotoren. Luftfahrtingenieure machten sie effizienter und leistungsstärker – nur um sie dann komplett fallen zu lassen und Düsentriebwerke die Oberhand gewinnen zu lassen (zumindest bei größeren, schnelleren Flugzeugen).

Mehr Kolben in mehr Kuchen

Viertaktmotoren waren nun gut etabliert. Sie verbreiteten sich in immer mehr Lebensbereichen, und mehr Ingenieure konnten sie nutzen. Und wie wir es immer tun, verändern wir Dinge.

Die Materialwissenschaft holte immer noch auf, und es gab einen Übergang weg von Aluminiumkolben. Aufgrund der höheren Kräfte und Temperaturen bei Diesel- (und einigen Hochleistungs-) Motoren wurden Kolben aus zwei Materialien hergestellt.

Der Kolbenboden bestand aus einer Stahllegierung, das Kolbenhemd aus Aluminium. Stahl bot bessere Festigkeit, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität, während Aluminium dazu beitrug, das Gewicht niedrig zu halten. Derselbe Markt sah auch Kolben mit längeren Schäften, um die Seitenlasten zu stabilisieren und bessere Kühlsysteme zu ermöglichen.

Standfest unter Druck

Schneller Vorlauf in die Gegenwart, und Kolbenkonstruktionen ändern sich immer noch. Wir haben seitdem die Einführung von Kurzschaftkolben (Gleitkolben) erlebt, die Gewicht und Reibung reduzieren und somit die Motoreffizienz und -leistung verbessern.

Ovalität und Zylinderlaufbahnkonturierung sind ebenfalls populärer geworden. Dies hilft weiter, die Auswirkungen der Wärmeausdehnung und Reibung zu kontrollieren.

Heck, wir verwenden sogar mehr davon auf einmal. V8s sind gekommen (und gegangen?...), 9-Zylinder-Sternmotoren in Flugzeugen, W12s und sogar der monströse RT-Flex96C-Motor. Kolben haben einen langen Weg zurückgelegt, und ich bin sicher, sie werden weiterhin angepasst, verbessert und für weitere Nischenanwendungen zugeschnitten werden.

Aber was für mich interessant ist, ist, dass neben der Entwicklung von Kolben und ihren Motoren eine völlig andere Art der mechanischen Bewegung stattfand …

Von Knall zu Zisch

Während Verbrennungsmotoren auf viele Mini-Explosionen angewiesen sind, um Kolben zu bewegen, verwenden pneumatische Systeme Druckluft, um diese zu bewegen. Und ihre Gezisch-schichte ist genauso interessant. Es ist also Zeit für einen Crashkurs in pneumatischen Systemen.

Weggeblasen

Pneumatische Systeme scheinen bei unseren eher haarigen, primitiven Jäger- und Sammler-Vorfahren ihren Anfang genommen zu haben. Sie nutzten sie als Blasrohre zur Jagd! (Angeblich lieferten sie einen Druck von 1-3 psi…).

Damals wurden sie, glaube ich, nicht als pneumatische Werkzeuge identifiziert, denn das Wort „Pneumatik“ leitet sich vom Wort „Pneuma“ ab, was im Altgriechischen „Wind“ bedeutet.

Und das ist ziemlich passend, denn der griechische Mathematiker Heron von Alexandria erfand einige der ersten wirklich pneumatischen Geräte. Eines davon war die „Äolipile“, oft als eine der ersten Dampfmaschinen angesehen. (Obwohl ich nicht glaube, dass sie den Maschinen von 1900 ähnelte…). Dennoch erzeugte Luftdruck eine Rotationsbewegung, und dies öffnete die Tür dafür, wie Wärmeenergie in mechanische umgewandelt werden konnte.

Den Atem rauben

Im 17. Jahrhundert entfernte Otto von Guericke die Luft und schuf 1650 eine revolutionäre Vakuumpumpe. Sie erzeugte ein Teilvakuum, was an sich schon cool ist, aber noch cooler, weil es anderen ermöglichte, den Luftdruck genauer zu untersuchen, insbesondere dessen Einfluss auf Atmung und Verbrennung.

Im Laufe der Industriellen Revolution entwickelte sich die Pneumatik weiter. Und viele Theorien wurden Realität, was die Art und Weise veränderte, wie wir Pneumatik später nutzen (oder nutzen könnten). Zum Beispiel baute Alfred Beach, der amerikanische Erfinder, 1867 eine pneumatische U-Bahn in New York.

Kurz darauf, im Jahr 1871, erfand Samuel Ingersoll den Presslufthammer (großartig für den Bergbau) und 1890 Charles Brady King den pneumatischen Hammer.

Die helle Druck-Seite des Lebens

Natürlich haben sich die Entwicklungen im 20. und 21. Jahrhundert fortgesetzt, wo viele pneumatische Systeme heimlich in vielen Fertigungs- und Alltagsanwendungen zu finden sind.

Während Sie also einen Kolben eines Verbrennungsmotors im Motor eines Autos, Busses oder Zuges finden, finden Sie pneumatische Kolben in Brems- und Federungssystemen oder sogar in den Türen! Natürlich hat sich die Pneumatik über den Automobilbereich hinaus ausgebreitet – Sie finden sie in der Materialhandhabung, Lebensmittelverarbeitung und ausgefallenen Gaming-Setups und vielleicht sogar in einigen wirklich beeindruckenden Werkzeugsammlungen.

Vielleicht stellt sich nun die Frage…

Worin unterscheiden sich pneumatische Kolben und Kolben von Verbrennungsmotoren?

Am einfachsten ist es wahrscheinlich, mit den Gemeinsamkeiten zwischen Pneumatik-Kolben und IC-Kolben zu beginnen. Beides sind Kolben. Beide wandeln Druck in sich wiederholende Auf- und Abwärtsbewegungen um – meistens als Mittel, um etwas anderes zu bewegen (z. B. Räder, Aktuatoren, Werkzeuge). Beide benötigen auch Dichtungen, entweder Kolbenringe oder O-Ringe. Aber darüber hinaus unterscheiden sie sich.

Im Allgemeinen werden pneumatische Systeme für schnelle, sich wiederholende Aufgaben eingesetzt (z. B. Montagelinien, Materialtransport, Lebensmittelproduktion und Werkzeugbau – tatsächlich ist die natürliche „Kompressibilität“ von Luft besonders gut für die Stoßdämpfung). Verbrennungsmotoren hingegen werden für Anwendungen eingesetzt, die kontinuierliche Leistung erfordern (z. B. Fahrzeuge und schwere Maschinen).

Natürlich ist Druckluft auch sicherer als Kraftstoffe. Ich würde mein Essen lieber selbst rauchen, glaube ich…

Obwohl sie also ähnlich funktionieren, erfüllen die Kolben sehr unterschiedliche wechselseitige Aufgaben.

Ein Pneu-Kolben der besonderen Art

Wie wir wissen, werden Kolben und pneumatische Systeme überall eingesetzt. Aber das Team hier bei MetMo hat eine Lücke (oder ein Vakuum, wenn man so will) auf dem Markt entdeckt. Denn es gibt noch einen weiteren Bereich, in dem Kolben und Pneumatik zusammen übernehmen könnten… einen Bereich, der uns sehr am Herzen liegt. Und einer, der aus vielen gefährlichen und, wagen wir zu sagen, hiss-terischen Situationen entstanden ist…

Doch fürs Erste: Bleiben Sie dran und lassen Sie sich umhauen. Wir sprechen bald wieder mit Ihnen.