Kolbenprofil:
Der Kolben ist das Herzstück eines Automotors. Er ist wechselnden mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt und zählt zu den Schlüsselkomponenten des Motors, die den härtesten Arbeitsbedingungen ausgesetzt sind. Seine Funktion besteht darin, dem Gasdruck standzuhalten und die Kurbelwelle über den Kolbenbolzen zur Pleuelstange zu drehen. Zudem ist der Kolbenboden integraler Bestandteil des Brennraums.
Die Kolbentypen werden im Allgemeinen in Kolben für Dieselfahrzeuge, Kolben für Benzinfahrzeuge und Kolben für allgemeine Zwecke unterteilt.
Die Funktion des Kolbens besteht darin, dem Gasdruck standzuhalten und die Kurbelwelle über den Kolbenbolzen zur Pleuelstange anzutreiben. Der Kolbenkopf ist außerdem ein integraler Bestandteil der Brennkammer. Arbeitsbedingungen: Der Kolben arbeitet unter den Bedingungen hoher Temperatur, hohen Drucks, hoher Geschwindigkeit und schlechter Schmierung. Der Kolben steht in direktem Kontakt mit dem heißen Gas. Die Momentantemperatur kann über 2500 K erreichen. Daher ist die Erwärmung stark und die Wärmeableitungsbedingungen sind sehr schlecht, sodass die Temperatur des Kolbens sehr hoch ist. Die Kolbenkopftemperatur erreicht 600–700 K und die Temperaturverteilung ist sehr ungleichmäßig. Der Kolbenkopf ist einem hohen Gasdruck ausgesetzt, insbesondere dem maximalen Arbeitstaktdruck. Bei Benzinmotoren können die Druckwerte 3–5 MPa und bei Dieselmotoren 6–9 MPa betragen. Dadurch wird der Kolben aufprallt und dem Seitendruck ausgesetzt. Der Kolben bewegt sich mit sehr hoher Geschwindigkeit (8–12 m/s) im Zylinder hin und her. Die Geschwindigkeit ändert sich ständig, wodurch eine große Trägheitskraft entsteht und der Kolben einer hohen zusätzlichen Belastung ausgesetzt ist. Der Kolben arbeitet unter solch harten Bedingungen, die zu Verformungen und beschleunigtem Verschleiß führen können. Hinzu kommen zusätzliche Belastungen, thermische Spannungen sowie die chemischen Auswirkungen von Gasen.
Arbeitsbedingungen des Kolbens:
Der Kolben arbeitet unter Bedingungen hoher Temperatur, hohen Drucks, hoher Geschwindigkeit und schlechter Schmierung. Der Kolben steht in direktem Kontakt mit dem Hochtemperaturgas, und die momentane Temperatur kann über 2500 K erreichen. Daher ist die Erwärmung stark und die Wärmeableitungsbedingungen sind sehr schlecht, sodass die Temperatur des Kolbens sehr hoch ist. Die Oberseite erreicht 600 bis 700 K, und die Temperaturverteilung ist sehr ungleichmäßig. Die Oberseite des Kolbens ist einem hohen Gasdruck ausgesetzt, insbesondere dem maximalen Arbeitstaktdruck. Bei Benzinmotoren beträgt dieser 3 bis 5 MPa, bei Dieselmotoren 6 bis 9 MPa. Dadurch wird der Kolben aufprallt und dem Seitendruck ausgesetzt. Der Kolben bewegt sich im Zylinder mit sehr hoher Geschwindigkeit (8 bis 12 m/s) hin und her, und die Geschwindigkeit ändert sich ständig, wodurch eine große Trägheitskraft entsteht und der Kolben einer großen zusätzlichen Belastung ausgesetzt ist. Der Kolben arbeitet unter solch harten Bedingungen, die zu Verformungen und beschleunigtem Verschleiß führen können, sowie durch zusätzliche Belastungen und thermische Spannungen und die chemische Wirkung von Gasen.
Aufbau des Kolbens:
Im Allgemeinen ist der Kolben zylindrisch. Je nach Betriebsbedingungen und Anforderungen des jeweiligen Motors ist die Struktur des Kolbens selbst unterschiedlich und der Kolben besteht im Allgemeinen aus drei Teilen: dem Kopf, dem Kolbenmantel und dem Kolbenbolzensitz.
Der Kopf bezieht sich auf die Oberseite des Kolbens und den Teil der Ringnut. Die Oberseite des Kolbens hängt vollständig von den Anforderungen der Brennkammer ab, und die flache oder nahezu flache Gestaltung der Oberseite hilft dem Kolben, die Kontaktfläche mit dem heißen Gas zu reduzieren, sodass die Spannung gleichmäßig verteilt wird. Die meisten Benzinmotoren verwenden Kolben mit flacher Oberseite, und einige Motoren (wie Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und neue Benzinmotoren mit Direkteinspritzung) benötigen eine komplexere Form an der Oberseite des Kolbens mit einer bestimmten Tiefe von Vertiefungen als Teil der Brennkammer, um die Verbrennungseffizienz zu verbessern und die Verpuffung zu minimieren, um die Anforderungen der Gasgemischbildung zu erfüllen. Die Nuten des Kolbens werden Ringnuten genannt und dienen zum Einbau der Kolbenringe. Die Funktion des Kolbenrings besteht darin, abzudichten, Luftlecks zu verhindern und das Eindringen von Öl in die Brennkammer zu verhindern.
Als Kolbenhemd bezeichnet man den unteren Teil des Kolbens, der dazu dient, die vertikale Stellung des Kolbens bei der Hin- und Herbewegung so weit wie möglich aufrechtzuerhalten, also den Führungsteil des Kolbens.
Die Form des Kolbenhemds ist sehr speziell, insbesondere bei leichten Personenkraftwagen wie Autos. Der Designer geht von der Struktur und Leistung des Motors aus und verwendet häufig seinen Verstand auf das Kolbenhemd, um die Motorstruktur so kompakt und glatt wie möglich zu gestalten.
Der Kolbenbolzensitz ist der tragende Teil des Kolbens, der über den Kolbenbolzen mit der Pleuelstange verbunden ist und sich oberhalb des Kolbenschafts befindet. Die Besonderheit des Kolbenbolzensitzes bei Hochgeschwindigkeitsmotoren besteht darin, dass sich die Bohrung im Bolzensitz nicht zwangsläufig auf derselben Mittellinie wie der Kolben befindet, sondern etwas versetzt sein kann, nämlich zu der Seite, wo der Kolben während des Arbeitstakts die Zylinderwand berührt. Dadurch wird beim Richtungswechsel des Kolbens zum oberen Totpunkt der Kontakt des Kolbens mit der Zylinderwand verringert und so das Motorgeräusch reduziert.
Der Unterschied zwischen dem Kolben eines Benzinmotors und eines Dieselmotors:
Es gibt keinen Unterschied in der Hauptstruktur. Der größte Unterschied zwischen dem Benzinmotor und dem Dieselmotor besteht im Zündmodus und in der Luftansaugung: Der Benzinmotor gelangt mit brennbarem Gas, das mit Öl und Gas gemischt ist, in den Zylinder, und der Dieselmotor ist reine Luft; Der Benzinmotor wird durch eine Zündkerze gezündet, und der Dieselkraftstoff wird aus der Kraftstoffeinspritzöffnung in den Diesel eingespritzt, nachdem die Druckluft die Selbstentzündungstemperatur des Diesels erreicht hat, und der Dieselkraftstoff verbrennt aufgrund der hohen Temperatur im Zylinder zu diesem Zeitpunkt spontan.
Wenn Sie über den Unterschied sprechen möchten, liegt der wahrscheinlichste am Kolbenmantel, da die meisten Dieselmotoren einen längeren Kolbenhub als Benzinmotoren haben und der Mantel möglicherweise eine spezielle Form aufweist, die der Bewegung des Schwungrads entspricht. Dies ist jedoch nicht bei allen Dieselmotoren der Fall.
Vergleichen wir den Kolben eines Zweiventil-Benzinmotors mit dem eines Dieselmotors: Der Unterschied liegt im oberen Bereich des Kolbens. Der Kolben eines Benzinmotors ist flach, während der Kolben eines Dieselmotors oben einen Brennraum hat. Das ist der größte Unterschied. Vergleichen wir nun den Kolben eines Mehrventil-Benzinmotors mit dem eines Dieselmotors: Beide haben oben einen Brennraum. Der Benzinmotor ist jedoch einfacher aufgebaut. Der Abstand zwischen den Kolbenringnuten ist bei Dieselmotoren größer als bei Benzinmotoren. Die Nut der Ölabstreifringnut ist bei Dieselmotoren gelocht. Bei Benzinmotoren ist dies nicht der Fall. Insgesamt besteht kein Unterschied.
Beurteilung und Behandlung von ungewöhnlichen Kolbenklopfgeräuschen
Bei laufendem Motor ist ein ungewöhnliches Kolbenklopfgeräusch zu hören. Das ungewöhnliche Geräusch des Kolbenklopfzylinders tritt im oberen Teil des Zylinders auf und ist ein rhythmisches „Klick“-Geräusch, ähnlich dem Schlagen mit einem kleinen Hammer auf den Betonboden. Im Leerlauf ist das Geräusch klar und deutlich. Besonders bei niedrigen Motortemperaturen ist das Geräusch deutlich wahrnehmbar, bei steigender Temperatur nimmt es ab oder verschwindet sogar ganz.
Beurteilungsmethode für den Kolbenklopfzylinder:
(1) Ölzylinder für Zylinder abschalten. Um die Position des Zylinders zu bestimmen, wird die Ölzufuhr zu einem bestimmten Zylinder unterbrochen. Das Geräusch wird deutlich reduziert oder verschwindet ganz. Bei Wiederaufnahme der Ölzufuhr ist ein deutliches „Klicken“ zu hören, das darauf hinweist, dass der Zylinderkolben gegen den Zylinder schlägt.
(2) Um weiter zu bestätigen, dass der Zylinderkolben gegen den Zylinder klopft, kann der Injektor des Zylinders entfernt werden, eine kleine Menge aufgeladenes Motoröl der Klasse CD (das eine abdichtende Funktion hat) wird in den Zylinder gegeben, und dann wird der Injektor eingebaut, der Motor wird gestartet, das Klopfgeräusch verschwindet oder wird schwächer, und nach dem Laufen tritt das Klopfgeräusch erneut auf, was zweifellos darauf hindeutet, dass der Kolben gegen den Zylinder klopft.
Die Hauptgründe für das Klopfen des Kolbenzylinders in der Produktion sind folgende:
(1) Der Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand ist zu groß. Der Standardabstand zwischen Kolbenhemd und Zylinder des Motors der Serie WD615 beträgt 0.143–0.182, und die maximale Verschleißgrenze liegt bei 0.35–0.40.
(2) Nachdem der Motor eine Zeit lang gelaufen ist, ist der Zylinderkolben abgenutzt. Bei unzureichender Schmierung vergrößert sich der Spalt zwischen Kolben und Zylinder aufgrund von Verschleiß und es tritt eine schwerwiegendere Stufe am unteren Teil des ersten Luftrings auf, sodass der Kolben auf den Zylinder trifft und ein ungewöhnliches Geräusch verursacht.
(3) Nach einer gewissen Betriebsdauer sind Kolbenhemd und Zylinder stark abgenutzt, was zu einer erheblichen Unrundheit und einem Klopfen des Zylinders führt.
(4) Einzelne Pleuelstangen verformen sich aus verschiedenen Gründen, was zu einer Exzentrizität des Kolbens führt, den Spalt vergrößert und den Zylinder klopft. Das Klopfen des Kolbens am Zylinder führt zu hohem Kraftstoffverbrauch, Motorölkanalisierung, hohem Kraftstoffverbrauch und ungünstiger Wirtschaftlichkeit. Wenn der Kolben stark gegen den Zylinder klopft, wird auch der Kolben gequetscht und der Zylinder beschädigt, sodass die Pleuelstange bricht und der Zylinderblock beschädigt wird.
Bei Kolbenklopfen können folgende Methoden angewendet werden:
(1) Nach dem Starten des Motors ist bei niedriger Temperatur ein Klopfgeräusch zu hören. Sobald die Temperatur wieder im Normalbereich liegt, verschwindet das Geräusch und der Motor kann vorübergehend ausgeschaltet werden, um weiterzulaufen.
(2) Wenn die Motortemperatur normal ist und ein deutliches Klopfgeräusch auftritt, sollte ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb so weit wie möglich vermieden und der Motor so schnell wie möglich zerlegt und repariert werden.
(3) Nach dem Entfernen des Zylinderkopfs und dem Herausziehen des Kolbens stellt sich heraus, dass der Zylinder stark unrund oder verspannt ist oder der Spalt zwischen Kolben und Zylinder zu groß ist. Er sollte ausgetauscht werden, und die Zylinderlaufbuchse, der Kolben und der Kolbenring sollten ausgetauscht werden.
(4) Wenn eine Verformung der Pleuelstange festgestellt wird, sollte diese möglichst ausgetauscht werden.