Allgemeines über Kolbenbrüche
Im Motorbetrieb können Kolbenbrüche durch einen Gewaltbruch oder Dauerbruch entstehen.
Ein Gewaltbruch (Abb. 1) wird immer durch einen Fremdkörper ausgelöst, der im Betrieb mit dem Kolben kollidiert. Fremdkörper können abgerissene Teile vom Pleuel, von der Kurbelwelle, den Ventilen oder Ähnliches sein. Auch wenn Wasser oder Kraftstoff in die Zylinder gelangt, kann es zu einem Gewaltbruch des Kolbens kommen.
Die Bruchflächen eines Gewaltbruchs erscheinen grau, nicht verrieben und zeigen keine Rasterlinien. Der Kolben bricht ohne Bruchentwicklung schlagartig.
Bei einem Dauerbruch (Abb. 2) entstehen auf der Bruchfläche Rasterlinien, die den Ausgang und den stufenweisen Fortgang des Bruchs aufzeigen. Die Bruchflächen sind oftmals glänzend verrieben. Ursache eines Dauerbruchs ist eine Überbelastung des Kolbenmaterials.
Überbelastungen treten auf durch:
- klopfende Verbrennung,
- starke Erschütterungen des Kolbens, z. B. wenn der Kolbenkopf gegen den Zylinderkopf läuft,
- Materialfehler,
- zu großes Schaftspiel.
Zu große Kolbenbolzendeformationen durch Überlast (Durchbiegung und Ovalverformung) führen zu Nabenrissen oder Rissen in der Abstützung. Dauerbrüche können außerdem durch Wärmespannungsrisse auf den Kolbenböden verursacht werden.
Kolbenbruch in der Kolbenbolzennabe
Beschreibung
- Bildung eines sogenannten Spaltbruchs bis zum Kolbenboden. Folge: Aufspaltung des Kolbens in zwei Teile (Abb. 1).
- Nabenermüdungsriss in der Mittelachse der Kolbenbolzenbohrung (Abb. 2 und 3).
Beurteilung
Nabenermüdungsbrüche entstehen durch mechanische Überbelastung. Durch die ständige Überbelastung des Kolbenmaterials kommt es verstärkt zu Biegewechselbeanspruchungen und zur Materialermüdung. Eine mangelhafte Ölversorgung begünstigt einen Bruch: Ein Anriss in der Kolbenbolzennabe schreitet dann auch bei normaler Belastung weiter fort. In Folge spaltet sich der Kolben.
Mögliche Ursachen
- Verbrennungsstörungen, insbesondere schlagartige Verbrennung durch Zündverzug.
- Übermäßige oder unsachgemäße Anwendung von Anlasshilfen beim Kaltstart.
- Der Zylinder ist bei stehendem Motor voll Wasser, Kraftstoff oder Öl gelaufen (Flüssigkeitsschlag).
- Leistungssteigerungen (z. B. Chiptuning) unter Verwendung des Serienkolbens.
- Falscher oder gewichtsreduzierter Kolbenbolzen. Durch die Ovalverformung des Kolbenbolzens wird die Bolzenlagerung überbeansprucht.
Kolbenbruch durch Anlauf des Kolbenbodens gegen den Zylinderkopf
Beschreibung
- Anschlagspuren am Kolbenboden (Abb. 1), an der Zylinderkopfplanfläche und beiden Ventile (ohne Abb.).
- Bruch in Kolbenbolzenrichtung infolge von Erschütterungen und Gewalteinwirkung.
- Kolbenschaft in der unteren Ölringnut abgebrochen, Bruchflächen haben Dauerbruchcharakter (Abb. 2).
Beurteilung
Ursache ist eine schnelle Folge harter Schläge beim Anschlagen des Kolbenbodens gegen den Zylinderkopf. Der Kolben wird derart erschüttert, dass Risse entstehen. Außerdem verkantet sich der Kolben im Zylinder und schlägt mit dem Schaft gegen die Zylinderwand. Bei Kolben mit unterem Ölabstreifring (Abb. 2) bricht dabei häufig der Schaft an der unteren Ölringnut.
Mögliche Ursachen
- Zu großes Spiel in der Pleuellagerung oder ein ausgelaufenes Pleuellager, insbesondere in Verbindung mit starkem Übertouren beim Bergabfahren.
- Zu kleines sogenanntes Spaltmaß (Mindestabstand zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf) in der oberen Totpunktlage des Kolbens. Ursachen können sein:
- Kolben mit falscher Kompressionshöhe. Bei der Motorüberholung wird oft die Planfläche des Zylinderblocks nachgearbeitet. Werden nach der Bearbeitung Kolben mit der originalen Kompressionshöhe verwendet, kann der Kolbenüberstand zu groß sein. Daher werden für den Reparaturfall Kolben mit reduzierter Kompressionshöhe angeboten. So bleibt der Kolbenüberstand innerhalb des vom Motorenhersteller festgelegten Toleranzbereichs.*
- Ungenügende Dicke der Zylinderkopfdichtung. Viele Hersteller sehen für denselben Motor Zylinderkopfdichtungen mit unterschiedlicher Dicke vor: Zum einen, um bei der Produktion Additionen von Bauteiltoleranzen auszugleichen, zum anderen, um den Kolbenüberstand bei Reparaturen anpassen zu können. Bei Reparaturen gilt daher: Nur Zylinderkopfdichtungen mit vorgeschriebener Materialdicke verwenden. Dadurch ist garantiert, dass nach der Reparatur das vorgeschriebene Spaltmaß erreicht ist. Wird der Zylinderblock bei einer Reparatur nachgearbeitet oder ersetzt, muss die Dichtungsstärke nach Maßgabe des Motorenherstellers anhand des Kolbenüberstands neu festgelegt werden.
* Motorservice liefert für viele Dieselmotoren Kolben mit reduzierter Kompressionshöhe (KH-). Details siehe Motorservice Katalog „Piston and Components“
Achtung
Eine Freigängigkeitsprüfung, bei der der kalte Motor von Hand durchgedreht wird, ist keine Garantie dafür, dass der Kolben in Betriebtemperatur nicht gegen den Zylinderkopf schlägt. Grund: Durch die Wärmeausdehnung verlängern sich Kolben und Pleuel. Dies verringert den Abstand zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf. Vor allem bei Nutzfahrzeugmotoren mit großen Kolbenkompressionshöhen entstehen nennenswerte Maßveränderungen. Diese reduzieren die Freigängigkeit des Kolbens im oberen Totpunkt um mehrere Zehntel Millimeter.