¶ Kolbenringe verkokt: warum Ringe klemmen und Öl verbrennen
¶ Das Wichtigste in Kürze
Kolbenringe verkoken, wenn Öl in den Ringnuten bei hoher Temperatur erst zu Lack und dann zu Kohle wird. Beim Diesel beschleunigt Ruß im Öl diesen Vorgang, beim Benziner mit Direkteinspritzung der Kraftstoff, der auf die Zylinderwand trifft. Wächst die Nut zu, verliert der Ring sein Spiel und bleibt stehen.
Was dann passiert, hängt davon ab, welcher Ring klemmt. Die beiden oberen Ringe dichten mit dem Verbrennungsdruck, der hinter sie strömt und sie an die Wand presst. Klemmen sie, strömt Gas vorbei, die Kompression sinkt, der Blow-by steigt. Der Ölabstreifring darunter dichtet kein Gas. Er streift den Ölfilm ab und schickt das Öl durch Bohrungen zurück in den Kolben. Setzt er sich zu, bleibt das Öl auf der Wand, und der Motor verbraucht Öl, obwohl der Kompressionstest gut ausfällt. Genau das verwirrt viele Besitzer.
Beide Schäden verstärken sich gegenseitig. Mehr Blow-by trägt mehr Ölnebel über die Entlüftung in die Ansaugluft, die Rückstände setzen die Nuten weiter zu. Beim Diesel landet die Asche des verbrannten Öls im Partikelfilter. MMHP hat an einem VW T5 nachgemessen, dass rund 50 Liter Öl genügten, um ihn zu füllen.
Die Herstellergrenze von 0,5 Litern auf 1.000 Kilometer liegt etwa beim Zehnfachen dessen, was ein gesunder Motor verbraucht. Chemische Reinigungen, wie sie einige Hersteller vorschreiben, lösen beginnende Ablagerungen manchmal. Eine Erfolgsquote nennt keiner, und Verschleiß an Ringen und Laufbahn bleibt.
Den stärksten Hebel gibt es vor dem Schaden: eine kühle Ringzone, also Kolbenspritzdüsen, die auch bei heißem Öl und niedriger Drehzahl spritzen, und ein Öl mit der richtigen Freigabe. Wird ein Motor instandgesetzt, entscheidet das Honen über die nächsten Jahre. Gefragt sind eine Plateau-Oberfläche mit niedrigen Spitzen und tiefen Ölspeichern, ein Kreuzschliffwinkel mit bekannter Bezugsachse und ein Einlauf unter wechselnder Last statt im Leerlauf.
Das war die kurze Antwort. Wer verstehen will, was in den Ringnuten wirklich passiert, warum der Kompressionstest dabei so oft beruhigt, obwohl der Motor Öl verbrennt, und was beim Honen über Jahre Laufleistung entschieden wird, findet ab hier die Langfassung: mit Animationen zu jedem Ring, den Zahlen der Hersteller und den Zusammenhängen, die in Foren meist durcheinandergehen.
¶ Kolbenringe: drei Ringe, drei Aufgaben
Ein Kolben trägt in einem heutigen Pkw-Motor drei Ringe. Oben sitzt der Kompressionsring, darunter ein Ring, der abdichtet und zugleich Öl abstreift, ganz unten der Ölabstreifring. Mehr als drei Ringe sind nach der Ringbroschüre von MS Motorservice, dem Ersatzteilvertrieb von Kolbenschmidt, heute selten. Die drei teilen sich sechs Aufgaben. Sie sollen das Gas über dem Kolben halten, das Öl vom Brennraum fernhalten, einen genau dosierten Ölfilm auf der Laufbahn stehen lassen, das Öl verteilen, den Kolben beim Kippen stützen und Wärme abführen.
Die letzte Aufgabe wird fast immer vergessen. Rund 70 Prozent der Wärme, die der Kolben aufnimmt, fließt über die Ringe in den Zylinder. Ohne diesen Weg würde ein Kolben laut MS Motorservice innerhalb weniger Minuten fressen. Ein Ring, der in seiner Nut festsitzt, ist deshalb nicht nur undicht. Er ist auch eine verstopfte Wärmebrücke.
¶ Der Gasdruck presst den ersten Ring an
Die eigene Federkraft eines Kompressionsrings ist klein. Den Großteil der Anpresskraft liefert das Gas, gegen das er abdichten soll. Es strömt über den Ring in die Nut, füllt den Raum hinter dem Ring und drückt ihn von innen an die Zylinderwand und von oben auf die untere Nutflanke. MS Motorservice beziffert den Anteil: Bis zu 90 Prozent der gesamten Anpresskraft des Kompressionsrings kommen im Arbeitstakt aus dem Verbrennungsdruck. Die Kraft auf die untere Nutflanke stammt sogar nur aus dem Gas.
Daraus folgen zwei Dinge, die für alles Weitere zählen. Erstens dichtet ein Ring nur, wenn er in seiner Nut frei ist und das Gas hinter ihn kommt. Zweitens dichtet er im Leerlauf schlechter, weil dort wenig Druck im Zylinder steht. MS Motorservice weist ausdrücklich darauf hin, dass das besonders beim Diesel auffällt. Lange Leerlaufzeiten führen zu höherem Ölverbrauch und zu blauem Rauch beim ersten Gasgeben, weil sich Öl im Zylinder und im Abgastrakt sammelt.
¶ Der zweite Ring arbeitet in zwei Berufen
Der zweite Ring sieht nur noch den Druck, der am ersten vorbeikommt. Er hilft beim Abdichten, seine eigentliche Stärke ist aber das Abstreifen. Meist ist er ein Minutenring. Seine Lauffläche ist um 45 bis 60 Winkelminuten konisch, also um knapp ein Grad. Neu liegt er deshalb nur mit der Unterkante an, mit hoher Flächenpressung, und läuft sich schnell rund. Beim Aufwärtshub gleitet er auf dem Ölfilm wie ein Schlitten, beim Abwärtshub gräbt sich die Kante ein und schiebt Öl nach unten. Nach mehreren hunderttausend Kilometern ist der Konus abgetragen, dann arbeitet er wie ein Rechteckring weiter.
¶ Der Ölabstreifring kann sich auf kein Gas verlassen
Der unterste Ring hat keine Hilfe. Auf ihn wirkt kein Verbrennungsdruck, seine Anpressung kommt allein aus der eigenen Spannung, bei modernen Ringen aus einer Feder hinter dem Ringkörper. MS Motorservice formuliert es knapp: Der Gasdruck kann beim reinen Ölabstreifring nicht als Verstärker wirken. Er stellt die Ölfilmdicke ein, mit der die Ringe darüber arbeiten. Gemeint sind 1 bis 3 Tausendstelmillimeter. Dünner wird es zur Mischreibung, dicker steigt der Ölverbrauch.
Merksatz: Die Kompressionsringe dichten mit dem Gas, der Ölabstreifring nur mit seiner Feder. Deshalb fallen sie auch verschieden aus, wenn Ölkohle sie festsetzt.
¶ Was im VW 2.0 TDI verbaut ist
Für den EA189 führt der Ringkatalog von Nippon Piston Ring einen Satz mit 1,75 Millimetern Höhe oben, 2,0 Millimetern in der Mitte und 3,0 Millimetern unten: oben einen Rechteckring, darunter einen Minutenring mit Innenfase unten, unten einen zweiteiligen Ölabstreifring mit Schlauchfeder. Beim EA288 sind es 1,75, 2,0 und 2,0 Millimeter. Das widerspricht der verbreiteten Lehrmeinung, ein Diesel fahre oben immer einen Trapezring. Für viele ältere Diesel stimmt sie, für den VW-2.0-TDI nach dem Katalog nicht.
¶ Ölabstreifringe: wie das Öl in den Kolben zurückfindet
Der Ölabstreifring hat die mühsamste Aufgabe. Er muss bei jedem Abwärtshub den Ölfilm von der Wand nehmen und das Öl irgendwohin schicken. Dafür hat er zwei Stege, die an der Wand anliegen, und dazwischen Durchlässe. Das Öl, das der obere Steg abstreift, läuft durch Schlitze oder Bohrungen im Ringkörper nach hinten in den Nutgrund. Von dort gelangt es durch Bohrungen in der Kolbenwand in den hohlen Kolben und tropft zurück in die Ölwanne. Manche Kolben führen es stattdessen über flache Aussparungen an der Bolzennabe ab, Deckschlitze genannt, manche nutzen beides.
Wie viele Bohrungen ein Kolben hat, wie groß sie sind und wo sie liegen, legt jeder Kolbenhersteller selbst fest und stimmt es im Versuch ab. MS Motorservice schreibt dazu, dass sich eine generelle Aussage zugunsten der einen oder anderen Ausführung theoretisch nur unzureichend treffen lässt. Das einzige Zahlenbeispiel, das sich frei finden ließ, stammt aus einem Versuchskolben in einem Patent von Nippon Piston Ring und Toyota: acht Bohrungen mit 2,0 Millimetern Durchmesser bei 86 Millimetern Bohrung. Die Grafiken zeigen deshalb eine beispielhafte Anordnung.
¶ Zwei Bauarten, die man kennen sollte
Im Pkw-Diesel sitzt meist ein zweiteiliger Ring mit Schlauchfeder. Der Ringkörper ist schmal und biegsam, im Querschnitt ein Doppel-T mit zwei Stegen außen und einem Federbett innen. Hinter ihm liegt eine Schraubenfeder, deren Achse am Umfang entlang läuft. Sie drückt den Ring rundum gleichmäßig an die Wand. Die häufigste Form hat Stege, deren Kanten beidseitig gefast sind, der Dachfasen-Schlauchfederring. MS Motorservice nennt ihn den am weitesten verbreiteten Ölabstreifring überhaupt, mit verchromten Stegen besonders für Diesel geeignet.
Im Pkw-Benziner sitzt meist ein dreiteiliger Ring. Zwei dünne Stahllamellen liegen oben und unten in der Nut, dazwischen ein Spreizer aus gewelltem Stahlband, im Kreis gelegt. Von der Seite gesehen sieht er aus wie ein Streifen Wellblech, auf dessen oberen Wellen die obere Lamelle liegt und auf dessen unteren Wellen die untere. An der Innenkante jeder Welle sitzt eine kleine schräge Lasche. Sie ist nach einem Patent von Nippon Piston Ring um 15 bis 25 Grad gegen die Kolbenachse geneigt, im Beispiel um etwa 20 Grad. Dadurch drückt sie die Lamelle nicht nur nach außen an die Wand, sondern zugleich gegen ihre Nutflanke. Die Lamelle dichtet damit an drei Stellen.
Der Trend geht zu schmaleren Ölringen mit weniger Spannung, weil der Ölring einen großen Teil der Reibung im Ringpaket verursacht. Kolbenschmidt hat das 2011 in der Fachzeitschrift MTZ mit Zahlen gezeigt. Der Ölring eines Seriensatzes im Pkw-Benziner hatte 2,0 Millimeter Höhe und 30 Newton Tangentialkraft, die reibungsarme Variante 1,5 Millimeter und 12 Newton, mit gestufter Lauffläche und Hartstoffschicht nur noch 8 Newton. Weniger Spannung spart Kraftstoff. Sie verzeiht aber weniger, wenn sich Ablagerungen bilden oder die Bohrung nicht rund ist.
¶ Wenn die Rücklaufwege zuwachsen
Setzen sich Schlitze, Federraum und Bohrungen mit Ölkohle oder Schlamm zu, kann das abgestreifte Öl nicht mehr nach innen abfließen. Der Ring liegt dann nicht mehr sauber an oder sitzt ganz fest, und der Ölfilm bleibt auf der Wand stehen. Dass das in der Praxis passiert, belegen die Einbauanleitungen der Ringhersteller selbst. Kolbenschmidt schreibt vor, die Ölkohle mit Spiralbohrer und Windeisen aus den Rücklaufbohrungen zu entfernen, bevor neue Ringe aufgezogen werden.
¶ Kompressionsring oder Ölabstreifring: warum die Kompressionsmessung über den Ölverbrauch schweigt
Im großen Forenthread über den T5 mit CFCA-Motor bei Motor-Talk, fast 900 Antworten lang, kommt dieselbe Frage immer wieder: Wie kann ein Motor einen Liter Öl auf tausend Kilometer verbrennen, wenn die Kompression in Ordnung ist? Ein Teilnehmer bringt es 2018 auf den Punkt: „Die Kompressionsmessung sagt nichts über den Zustand der Ölabstreifringe aus.“ Ein anderer schreibt, er verstehe nicht, warum das nicht wie früher über eine Kompressionsmessung gehe. Die Antwort steht im vorigen Kapitel.
Ein Kompressionstest misst, wie gut die Kompressionsringe und die Ventile das Gas halten. Der Ölabstreifring dichtet kein Gas ab. Er kann komplett verkokt sein, die Kompression bleibt trotzdem gut. Umgekehrt fällt die Kompression erst, wenn der erste oder zweite Ring nicht mehr anliegt.
Daraus ergeben sich zwei Schadensbilder, die von außen gleich aussehen, weil beide Öl kosten:
| Ölabstreifring zugesetzt oder klemmt | Kompressionsring klemmt | |
|---|---|---|
| Leitsymptom | Ölverbrauch ohne sichtbares Leck, blauer Rauch nach Schub oder Leerlauf | Blow-by, Leistungsverlust, beim Diesel schlechter Kaltstart |
| Kompressionstest | oft unauffällig | einzelne Zylinder niedrig |
| Druckverlusttest | unauffällig | Luft entweicht hörbar ins Kurbelgehäuse, am Öldeckel oder an der Entlüftung |
| Glüh- oder Zündkerze | verölt am betroffenen Zylinder | oft ebenfalls verölt, als Folge |
| Blow-by-Messung | lange unauffällig | erhöht |
Ein Kompressions- und ein Druckverlusttest können den Ölring also gar nicht prüfen. Eine Herstellerquelle, die das wörtlich sagt, gibt es nicht. Es folgt aber zwingend aus der Funktion, und trotzdem wird es in Foren ständig verwechselt. Hinzu kommt, dass beide Prüfungen am stehenden Motor laufen. Ein Ring, der erst unter Betriebstemperatur und Gasdruck klemmt, kann kalt unauffällig sein.
¶ Die beiden Bilder hängen zusammen
In der Praxis bleibt es selten bei einem der beiden Fälle. Ein zugesetzter Ölring lässt mehr Öl auf der Laufbahn stehen. Davon gelangt mehr in die Nuten der oberen Ringe, und dort verkokt es bei den höchsten Temperaturen im Kolben. Dann klemmen auch die Kompressionsringe, der Blow-by steigt, und der Motor ist in der Spirale, die das übernächste Kapitel beschreibt. Diese Folgekette ist nicht in einer einzelnen Studie gemessen, sie setzt sich aus den Hersteller-Fällen zusammen. General Motors nennt in einem Werkstattbulletin als Endzustand gerissene oder verrußte Zündkerzen an einzelnen Zylindern, Kia nennt als letzte Stufe den Motortausch.
Das Foto unten stammt von einem zerlegten Motor aus der Werkstatt. Die Ringe sitzen in Ölkohle fest, die Nuten sind zugewachsen.
¶ Riefe oder Macke: wenn ein Ring nur an einer Stelle offen ist
Ein Ring kann rundum dichten und an einer einzigen Stelle offen sein. Eine Längsriefe in der Laufbahn, etwa durch Schmutz oder abgelöste Beschichtung aus dem Abgasrückführungskühler, wie sie beim CFCA-Motor vorkommt, bildet einen Kanal, durch den das Gas am Ring vorbeischießt. Ein Ausbruch an der Ringlauffläche wirkt genauso. Ein Ring sieht dann im ausgebauten Zustand fast gut aus, und trotzdem ist der Zylinder undicht.
¶ So wird die Ursache eingegrenzt
Die Reihenfolge, in der eine Werkstatt prüft, entscheidet, ob am Ende die richtigen Teile getauscht werden:
- Ölverbrauch sauber messen. Volkswagen schreibt in seinen Werkstattanweisungen für den US-Markt ein festes Verfahren vor, elektronisch oder per Waage. Der zweite Teil der Messung beginnt erst nach mindestens 1.014 Kilometern. VW weist selbst darauf hin, dass ein Fehler von nur 50 Gramm beim Wiegen das Ergebnis deutlich verfälscht. Ein Blick auf den Messstab reicht nicht, zumal Kraftstoff im Öl den Stand anhebt und den Verbrauch versteckt (mehr dazu im Artikel über Ölverdünnung).
- Andere Wege ausschließen. Turbolader, Ventilschaftdichtungen und die Kurbelgehäuseentlüftung verbrauchen ebenfalls Öl. Audi hat beim Benziner EA888 zuerst das Druckregelventil der Kurbelgehäuseentlüftung getauscht, nicht die Ringe.
- Blow-by messen. Er reagiert früher als die Kompression. Wie das geht und welche Werte auffällig sind, steht im Artikel Ölverbrauch 2.0 TDI: Die Kettenreaktion, die im DPF endet.
- Kompression und Druckverlust prüfen. Ist beides gut und der Verbrauch trotzdem hoch, rückt der Ölring nach vorn.
- Endoskop. Es zeigt ölige Kolbenränder, polierte Laufbahnen und Riefen. In die Ringnut selbst schaut es nicht.
¶ Verkokung in der Ringnut: wie ein Ring festwächst
Öl, das in die Ringnut gelangt, bleibt dort nicht lange flüssig. Die oberste Nut ist die heißeste Stelle im Kolben, an der noch Öl hinkommt. Wie heiß sie wird, ab welcher Temperatur die Ablagerungen beginnen und wie die Chemie dahinter funktioniert, erklärt der Artikel Öltemperatur: Warum heißes Öl Motoren schneller altern lässt ausführlich. Hier geht es um das, was in der Nut daraus wird.
¶ Woraus die Kohle in der Nut besteht
Beim Ottomotor ist oxidiertes Öl der wichtigste Baustein. Es wird erst zu Lack, dann zu Kohle. Beim Diesel kommt Ruß hinzu, und der verändert die Rechnung. Eine Untersuchung von Hyundai, veröffentlicht als SAE-Paper 980526, fand, dass Ruß im Öl die Ablagerungen in der ersten Ringnut schon unterhalb von 260 Grad beschleunigt. Oberhalb wirken Temperatur und Rußgehalt zusammen.
Wie der Ruß ins Öl kommt, hat eine Dissertation an der Universität Nottingham an einem Common-Rail-Diesel untersucht. Der Hauptweg ist die Wand: Rußteilchen wandern aus dem heißen Brennraumgas in den kühleren Ölfilm an der Laufbahn, und die Ringe schaben sie beim nächsten Abwärtshub ins Kurbelgehäuse. Nach rund 15.000 Kilometern liegt etwa ein Gewichtsprozent Ruß im Öl. Bei Abgasrückführungsraten über 20 Prozent wird der zurückgeführte Ruß zur Hauptquelle.
Kommt Kraftstoff im Öl dazu, sinkt die Reserve an Dispergiermitteln, die den Ruß in der Schwebe halten. Ist sie erschöpft, ballt sich der Ruß zusammen. Dass das die Nutablagerungen weiter beschleunigt, ist aus zwei Befunden zusammengesetzt, nicht in einer Studie gemessen. Die Richtung ist aber eindeutig.
¶ Warum auch Benziner mit Direkteinspritzung betroffen sind
Beim Direkteinspritzer trifft flüssiger Kraftstoff auf Kolben und Laufbahn. Diese Wandfilme verdampfen verzögert und sind eine Hauptquelle von Rußteilchen. Der Benziner bekommt damit ein Rußproblem im Öl, das dem des Diesels ähnelt, dazu Kraftstoffverdünnung beim Kaltstart und reibungsoptimierte Ringe mit wenig Spannung. Ein reines Problem der Direkteinspritzung ist das Klemmen aber nicht. Toyotas bekanntester Fall, der 2AZ-FE mit fast zwei Millionen betroffenen Fahrzeugen, ist ein Saugrohreinspritzer.
¶ Der Trapezring reinigt sich selbst
Ringhersteller haben gegen das Festwachsen eine eigene Form entwickelt. Der Trapezring hat schräge Flanken, je nach Hersteller um 6, 15 oder 20 Grad geneigt. Bei jedem Wechsel der Anlageseite des Kolbens im oberen und unteren Totpunkt bewegt sich der Ring radial in der Nut, und die schrägen Flanken reiben die Kohle ab. MS Motorservice nennt genau diesen Zweck: Trapezringe werden eingesetzt, um Ölkohle in den Nuten zu bekämpfen, die Ringe sonst festsetzen würde. Bevorzugt sitzen sie in der ersten Nut von Dieselmotoren.
¶ Der Feuersteg poliert die Laufbahn
Auch oberhalb des ersten Rings sammelt sich Kohle, am Feuersteg. Harte Ablagerungen dort polieren bei jedem Hub die Laufbahn im oberen Bereich blank. Der Kreuzschliff verschwindet, der Ölfilm hat keinen Halt mehr, Ringverschleiß und Ölverbrauch steigen. Cummins hat dagegen für einen großen Lkw-Diesel eigens Laufbuchsen mit einem Abstreifring oben in der Buchse eingeführt, der die Kohleschicht am Feuersteg dünn hält. Als Folgen der Politur nennt das Werkstattbulletin von 2015 Ölverbrauch über dem Grenzwert, häufige Regenerationen des Partikelfilters und gealtertes Öl.
¶ Wie die Ölnormen das Klemmen prüfen
Wie ernst die Branche das Thema nimmt, zeigen die Prüfläufe, die jedes Motoröl für eine ACEA-Klasse bestehen muss. Der Kolbensauberkeitstest für Pkw-Öle läuft auf einem VW-TDI, heute als CEC L-117-20. Grenzwert für das Ringstecken: null. Kein einziger Ring darf am Ende festsitzen. Beim Vorgänger CEC L-78 auf dem 1.9 TDI lief der Motor 54 Stunden im Wechsel aus 30 Minuten Leerlauf und 180 Minuten Volllast bei 4.150 Umdrehungen. Als klemmend gilt ein Ring, der sich in der Nut von Hand nicht mehr frei bewegen lässt.
Die Branche nutzt den TDI also gerade deshalb als Prüfmotor, weil seine Ringe empfindlich sind. Das ist zugleich das stärkste Argument für ein Öl mit der richtigen Freigabe, das der Artikel Welches Öl für meinen VW TDI? erklärt. Die Prüfläufe arbeiten allerdings mit frischem Öl über kurze Zeit. Wie sich ein Öl nach 30.000 Kilometern Longlife-Intervall verhält, prüfen sie nur indirekt.
¶ Die Blow-by-Spirale: wie ein klemmender Ring sich selbst verschlimmert
Ein klemmender Ring bleibt selten ein stabiler Zustand. Er setzt einen Kreislauf in Gang, der sich mit jeder Runde verstärkt. Der Artikel Ölverbrauch 2.0 TDI: Die Kettenreaktion, die im DPF endet beschreibt die Stationen im Kurbelgehäuse und in der Entlüftung ausführlich. Hier steht, wie die Ringe in diesen Kreislauf eingebunden sind.
Der Kreislauf hat fünf Stationen. Klemmt ein Ring, strömt mehr Gas am Ringpaket vorbei. Dieses Gas reißt Öl von der Laufbahn mit und trägt es als Nebel ins Kurbelgehäuse. Die Kurbelgehäuseentlüftung führt den Nebel in die Ansaugluft. Im Brennraum entstehen aus dem mitverbrannten Öl Ruß und Rückstände, und mehr Ruß im Brennraum bedeutet über die Laufbahn mehr Ruß im Öl. Damit wachsen die Nuten schneller zu, und der Ring klemmt stärker.
Im gesunden Motor ist die Entlüftung dabei ein Nebenweg. Messungen am Prüfstand ordnen ihr ungefähr ein Zehntel des Ölverbrauchs zu. Forscher am MIT fanden bei niedriger Last, dass rund 90 Prozent des verbrauchten Öls direkt in den Brennraum gelangen. Bei klemmenden Ringen verschiebt sich das Verhältnis. General Motors nennt in einem Werkstattbulletin über die Entlüftung angesaugtes Öl ausdrücklich als Ursache von Ringnutablagerungen. Wie groß der Nebelanteil bei einem geschädigten TDI ist, hat außer MMHP niemand veröffentlicht. In unseren Messungen an solchen Motoren lief der weitaus größte Teil über den Nebel, wie der Artikel über Blow-by und Ölnebel im Detail zeigt.
¶ Der Diesel-Ast: Asche, Differenzdruck, Kraftstoff im Öl
Öl, das verbrennt, hinterlässt Asche aus seinen Additiven. Beim Diesel landet sie im Partikelfilter und verbrennt dort nicht. Asche löst selbst keine Regeneration aus. Sie nimmt aber dem Ruß den Platz weg und treibt den Differenzdruck hoch, und genau daran misst das Steuergerät die Beladung. Untersuchungen am MIT zeigen, dass Asche die Druckempfindlichkeit eines Filters gegenüber Ruß bis zu einem typischen Reinigungsintervall mehr als verdoppeln kann. Moderne Steuergeräte rechnen die Asche heraus, aber mit einem modellierten Ölverbrauch. Ein Motor, der real deutlich mehr Öl verbrennt, füllt seinen Filter schneller, als das Modell annimmt. Mehr Regenerationen bedeuten mehr Nacheinspritzung, mehr Kraftstoff im Öl, dünneres Öl und, so zeigen Laborversuche zur Vernebelung, mehr Nebel.
Wie viel verbranntes Öl ein Filter verträgt, lässt sich nur als Spanne sagen. MMHP hat an einem T5 mit CFCA-Motor und klemmenden Ringen nachgemessen: Über rund 50.000 Kilometer setzte er etwa 50 Liter Öl durch, dann war der Partikelfilter voll. Die Laufleistung ist dabei weniger sicher als die Ölmenge. Je nach Filtergröße und Fahrprofil liegen unsere Erfahrungswerte zwischen 30 und 60 Litern. Rechnet man dagegen mit den Grenzwerten, bei denen VW-Steuergeräte den Filtertausch anzeigen, rund 70 bis 80 Gramm Asche beim 1.6 und 2.0 Common-Rail-TDI, 110 Gramm beim T6, kommt man auf 10 bis 50 Liter. Die Steuergerätegrenze ist ein vorsichtiger Austauschwert, keine physikalische Grenze, und nicht alle Asche bleibt im Filter. Das erklärt einen Teil des Unterschieds. Beides stimmt in der Größenordnung überein: Es geht um eine zweistellige Literzahl, und ein Teil davon ist nach 150.000 Kilometern schon durch ganz normalen Verbrauch belegt.
¶ Der Benziner-Ast verläuft anders
Beim Benziner mit Otto-Partikelfilter gilt diese Kette so nicht. Der Filter regeneriert meist von selbst im Schiebebetrieb, wenn Sauerstoff durch den heißen Filter strömt. Eine Nacheinspritzung wie beim Diesel gibt es dort in der Regel nicht. Kraftstoff im Öl kommt beim Direkteinspritzer vor allem aus Kaltstarts, dem Aufheizen des Katalysators und kurzen Fahrten. Seit wann es Partikelfilter gibt, erklärt auch, warum das Thema heute drängender ist als vor zwanzig Jahren. Den ersten Serien-Partikelfilter brachte Peugeot im Mai 2000. Seit der Abgasnorm Euro 5, für alle Neufahrzeuge ab Januar 2011, kommt praktisch kein Diesel-Pkw mehr ohne Filter aus. Beim Benziner begann der VW-Konzern im Juni 2017. Früher ging angesaugter Ölnebel einfach durch den Auspuff. Heute bleibt seine Asche im Filter.
¶ Herstellergrenzwerte: was 0,5 Liter auf 1.000 Kilometer wirklich bedeuten
Wie viel Öl ein Motor verbrauchen darf, steht in der Betriebsanleitung. Die Zahlen haben sich über die Jahrzehnte deutlich verschoben:
| Hersteller und Modell | Angabe in der Betriebsanleitung | Quelle |
|---|---|---|
| VW Transporter T1 und T2 | 0,5 bis 1,4 l je 1.000 km | Technische Daten |
| VW LT (ältere Ausgabe) | bis zu 2,0 l je 1.000 km | Betriebshinweise |
| BMW 3er E30 | max. 0,15 l je 100 km, also 1,5 l je 1.000 km | Motorraum |
| VW Touran 1T (Ausgabe um 2008) | bis zu 1,0 l je 1.000 km, in den ersten 5.000 km auch darüber | Prüfen und Nachfüllen |
| Mercedes-Benz C-Klasse W204 | bis zu 0,8 l je 1.000 km | Motoröl |
| VW Passat B8, Caddy | bis zu 1 l je 2.000 km | Motoröl |
| Škoda Octavia III, Audi Q3 | bis zu 0,5 l je 1.000 km | Motoröl |
| Audi Q7 3.0 TDI (englische Ausgabe, eigene Einsicht) | bis zu 0,5 l je 1.000 km, in den ersten 5.000 km höher | Engine oil |
Der wichtigste Satz steht nicht in dieser Tabelle. Ein gesunder moderner Pkw-Motor verbraucht nach Angaben von MS Motorservice weniger als 0,05 Prozent seines Kraftstoffverbrauchs an Öl. Bei acht Litern auf hundert Kilometer sind das rund 0,04 Liter je 1.000 Kilometer. Die zulässige Grenze liegt also etwa beim Zehnfachen dessen, was ein gesunder Motor braucht. Sie ist eine Gewährleistungsschwelle, die Einlauf, Volllast und Streuung zwischen den Motoren abdeckt. Dass ein Motor mit diesem Verbrauch gesund ist, sagt sie nicht. Aus Sicht von Instandsetzern ist sie großzügig.
Für den Partikelfilter hat die Grenze eine einfache Folge. Bei 0,5 Litern auf 1.000 Kilometer sind 30 Liter nach 60.000 Kilometern verbrannt, bei einem Liter schon nach 30.000. Mit dem oben beschriebenen Fassungsvermögen ist klar, warum ein Motor, der am Rand der Herstellergrenze verbraucht, seinen Filter weit vor dessen geplanter Lebensdauer füllen kann. Wie der Mythos vom „normalen Liter“ entstanden ist, steht im Artikel über Öl-Mythen.
¶ Was gegen klemmende Ringe hilft, und was nicht
Für das Freilösen festsitzender Ringe gibt es zwei Welten: die Werkstattverfahren der Fahrzeughersteller und die Dose aus dem Zubehör. Belegt ist nur die erste.
Drei Hersteller haben eigene Reinigungsverfahren veröffentlicht, alle für Benzinmotoren, und alle arbeiten von oben, durch die Kerzenbohrung direkt in den Brennraum:
| Hyundai, 2023 | Kia, 2020/21 | General Motors, 2014 | |
|---|---|---|---|
| Menge je Zylinder | 50 cm³, mehrfach | 50 bis 66,5 cm³, zweimal | 118 bis 147 ml |
| Besonderheit | Unterdruck im Kurbelgehäuse zieht das Mittel in die Ringzone, Motor heiß | Zylinder mit 2 bis 3 bar Druckluft beaufschlagt | kein Kolben im oberen Totpunkt |
| Einwirkzeit | zweimal mindestens 2 Stunden | über Nacht, mindestens 8 Stunden | 2,5 bis 3 Stunden, ausdrücklich nicht länger |
| Danach | Ölwechsel mit Filter Pflicht | Ölwechsel mit Filter | Ölverbrauch neu bewerten |
| Wenn es nicht reicht | nächste Stufe des Bulletins | Motortausch | neue Kolben und Ringe |
Alle drei setzen die Reinigung als erste Stufe ein, und alle drei sehen eine nächste Stufe vor, wenn sie nicht reicht. Eine Erfolgsquote nennt keiner. Toyota und Audi haben bei ihren bekannten Fällen gleich andere Kolben eingebaut. Toyotas Reparatursatz für den 2AZ-FE enthielt neben neuen Kolben und Ringen vier neue Kolbenspritzdüsen. Toyota nennt im Bulletin keine Ursache, die Düsen im Satz deuten aber darauf hin, dass die Kühlung des Kolbens Teil der Lösung war. Das ist unsere Lesart, nicht Toyotas.
Spülungen, die man ins alte Öl gibt, werben mit freien Ringen und besserer Kompression. Unabhängige Messungen dazu wurden nicht gefunden, weder vom ADAC noch von der Fachpresse. Technisch spricht wenig dafür, dass ein Mittel im Ölkreislauf die erste Ringnut wirksam erreicht. Ihre Oberseite liegt im Brennraum, von unten kommt Öl nur als Spritzöl und über den Ölring hin. Die Hersteller gehen deshalb bewusst von oben an die Ringe heran. Gelöste Teilchen müssen anschließend mit einem Ölwechsel aus dem Motor, sonst landen sie im Sieb und in den Lagern, wie der Artikel über Öl-Mythen beim Thema Motorspülung beschreibt.
⚠️ WARNUNG, Flüssigkeit im Zylinder: Reinigungsmittel in der Kerzen- oder Glühkerzenbohrung können einen Flüssigkeitsschlag auslösen, wenn der Motor startet, bevor alles abgesaugt ist. Beim Diesel mit seiner hohen Verdichtung ist das besonders gefährlich. Die Herstellerverfahren schalten deshalb Einspritzung und Zündung stromlos und drehen den Motor mit offenen Bohrungen durch, bevor er wieder läuft.
Bei mechanischem Schaden hilft keine Chemie. Verschlissene Ringe, Riefen, ein gebrochener Ring oder eine verschlissene Nut bleiben, was sie sind. MS Motorservice fasst die Erfahrung der Ringhersteller in einem Satz zusammen: Neue Ringe allein lassen einen verschlissenen Motor eine Weile länger laufen, den Ölverbrauch verbessern sie nicht. Die Ringe sind an übermäßigem Ölverbrauch fast immer beteiligt, aber selten die Ursache.
¶ Kolbenkühlung: der Hebel an der Wurzel
Wenn die Temperatur in der ersten Ringnut den Takt der Verkokung vorgibt, dann liegt der wirksamste Hebel nicht in der Nut, sondern darunter. Kolben moderner Dieselmotoren werden von unten gekühlt. Eine Spritzdüse im Kurbelgehäuse spritzt Öl gegen die Kolbenunterseite oder in einen Kühlkanal im Kolben, der hinter der Ringzone verläuft. Das Öl nimmt Wärme auf und fällt in die Wanne zurück. Nach einer Berechnung von MAHLE senkt ein Kühlkanal direkt am Ringträger die Temperatur am Grund der ersten Nut um rund 50 Grad.
¶ Die Spritzdüsen öffnen erst ab einem Mindestdruck
Die Düsen sind mit einem federbelasteten Ventil verschlossen. Sie öffnen erst ab einem Mindestöldruck, damit im Leerlauf genug Öl für die Lager bleibt. Ein Patent eines Ölpumpenherstellers nennt dafür in der Regel 2 bar, ein Patent von BMW etwa 2 bar bei konventioneller Pumpenregelung. Zwischen dem ersten Abheben des Ventils und dem vollen Strahl liegt ein Druckbereich, das Ventil öffnet nicht schlagartig. Die Patentschrift des Pumpenherstellers beschreibt den Nachteil dieser Lösung ohne Umschweife: Bei sehr hohen Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Drehzahlen werden die Kolben nicht gekühlt. Genau dann ist das Öl dünn, die Pumpe dreht langsam, und der Druck reicht nicht für die Düse.
Wie stark die Kühlung wirkt, hat Ford mit der Universität Nottingham an einem 2,4-Liter-Diesel gemessen, dessen Düsen sich abschalten ließen. Ohne Spritzkühlung lagen die Kolben 23 bis 88 Grad heißer. Dass Hersteller die Kühlung trotzdem zeitweise zurücknehmen, hat gute Gründe. Ein kalter Motor wird schneller warm, wenn die Kolben nicht gekühlt werden, Kohlenmonoxid sinkt, die Pumpe braucht weniger Antriebsleistung. Beim EA288 regelt VW deshalb den Öldruck zweistufig, mit 1,8 bis 2,0 bar in der Niederdruckstufe und 3,8 bis 4,2 bar in der Hochdruckstufe, je nach Last, Drehzahl und Öltemperatur.
¶ Was mehr Förderleistung an dieser Stelle ändert
Mehr Förderleistung hebt den Druck dort, wo die Serienpumpe ihren Sollwert nicht schafft: bei heißem Öl und niedriger Drehzahl. Die Düsen spritzen dann früher und stabiler, in Situationen, in denen sie mit der Serienpumpe noch geschlossen sind. Wo die Regelung des Motors den Sollwert ohnehin erreicht, regelt sie die Mehrleistung weg. Der Effekt gilt also nicht im ganzen Kennfeld, sondern genau in dem Bereich, den der Pumpenhersteller in seinem Patent als Schwachstelle beschreibt. Dass mehr Förderleistung zugleich das Öl kühler hält, im Schnitt um 10 bis 15 Grad, und warum das für die Ringzone zählt, erklärt der Artikel über Öltemperatur. Wie Förderleistung und Druck zusammenhängen, steht im Artikel Warum mehr Förderleistung die bessere Wahl ist.
MMHP hat diesen Zusammenhang in Feldversuchen an verschiedenen Diesel- und Benzinmotoren untersucht. Gemessen wurden der Ölverbrauch vor und nach einer Erhöhung der Kolbenkühlung, dazu Blow-by und Ölnebeleintrag. Das Ergebnis war eindeutig: Mehr Kolbenkühlung bremst das Verkoken der Ringnuten, mit weniger Verschleiß an Ringen und Laufbahn. Einzelne Fahrzeuge und Motoren nennen wir bewusst nicht, das Problem betrifft praktisch alle Motoren mit Partikelfilter.
Ein Allheilmittel ist das nicht. Den größten Nutzen hat eine stärkere Kolbenkühlung ab Neuzustand oder direkt nach einer Instandsetzung, solange die Ringe frei sind. Verschleiß an Ringen und Laufbahn macht sie nicht rückgängig, und kühleres Öl repariert keine bestehende Verkokung. Bei einem Motor, der schon klemmt, lässt sich die Lebensdauer allenfalls etwas strecken. Mit Motoreninstandsetzern, die genau deshalb das Ölsystem bei der Instandsetzung gleich mit erneuern, arbeiten wir zusammen. Der Schaden einer zu schwachen Kolbenkühlung fällt erst spät auf, dann, wenn die Nuten schon zugewachsen sind.
An dieser Stelle bitten wir um Verständnis, dass wir die Messreihen dieser Feldversuche nicht im Einzelnen veröffentlichen. Sie sind über Jahre entstanden und gehören zum Wert unseres Unternehmens. Was wir zeigen, ist der Teil, der Ihnen beim Verstehen hilft.
¶ Kolbenringprofile: welches Profil wofür
Wer einen Ringsatz bestellt, findet im Katalog Kürzel wie R, M, NM, IFU oder DSF. Dahinter stecken Querschnitte, die für ganz bestimmte Aufgaben entwickelt wurden. Die Übersicht zeigt die wichtigsten Profile der Kompressionsringe, jeweils in ihrer Nut, mit der Lauffläche an der Wand:
Ein paar Profile verdienen einen zweiten Blick.
Der Rechteckring ist die einfachste und häufigste Form. Eine Auszählung aller Ringsätze im Europa-Katalog von Nippon Piston Ring, 2.163 Sätze für Pkw, Transporter und ältere Nutzfahrzeuge, ergibt für die erste Nut zu 73 Prozent den Rechteckring. Das ist eine Näherung über die Sätze, kein Marktanteil, zeigt aber die Größenordnung. Beschichtete Rechteckringe werden ab Werk ballig geschliffen, damit sie nicht erst einlaufen müssen.
Der Twist ist der Grund für die vielen Fasen an der Innenseite. Eine Innenfase oder ein Innenwinkel lässt den gespannten Ring zur schwächeren Seite kippen. Sitzt die Fase oben, kippt er positiv, sitzt sie unten, kippt er negativ. Der negative Twist, wie beim Minutenring mit Innenfase unten im EA189, dichtet außen unten und innen oben ab und versperrt dem Öl den Weg in die Nut. Das hilft im Teillast- und Schubbetrieb, wenn im Brennraum Unterdruck herrscht. Sobald Gasdruck in die Nut kommt, drückt er den Ring flach, der Twist wirkt also nur ohne Gas. Damit sich der negative Twist und der Konus der Lauffläche nicht gegenseitig aufheben, bekommt ein negativ twistender Minutenring laut MS Motorservice einen größeren Laufflächenwinkel von etwa 2 Grad.
Der Trapezring ist die Antwort auf die Verkokung, wie oben beschrieben. Welchen Winkel ein Trapezring hat, hängt vom Hersteller ab: Motorservice und Kolbenschmidt nennen 6, 15 und 20 Grad, Nippon Piston Ring 7 und 3 Grad, Riken 6, 10 und 15 Grad. Ein Trapezring passt nie in eine Rechtecknut und umgekehrt.
Der Nasenring hat unten an der Lauffläche eine Ausdrehung, in der sich das abgestreifte Öl sammelt. Heute ist er meist mit dem Minutenring kombiniert. Für die zweite Nut ergibt dieselbe Katalogauszählung zu 51 Prozent den Minutenring und zu 43 Prozent den Nasenminutenring.
Der L-Ring geht auf ein britisches Patent von P. de K. Dykes aus dem Jahr 1947 zurück. Sein L-förmiger Querschnitt lässt das Gas so auf den Ring wirken, dass er nicht flattert. Er findet sich heute vor allem im Motorsport.
Die Ringe sind über die Jahrzehnte deutlich niedriger geworden. Im Motorsport-Katalog von MAHLE lässt sich die Entwicklung der oberen Ringe verfolgen, von 2,38 Millimetern um 1920 über 1,59 Millimeter Mitte der Sechziger bis zu 0,99 Millimetern aus Stahl im Jahr 2016. Ein halb so hoher Ring mit halber Spannung erzeugt dieselbe Flächenpressung bei halber Reibung. Bei verzogenen Bohrungen passt sich ein solcher Ring aber kaum noch an.
¶ Welcher Ölring wo sitzt
Bei den Ölabstreifringen ist die Landschaft übersichtlicher. Einteilige Ölringe aus Grauguss werden laut MS Motorservice im modernen Motorenbau nicht mehr eingesetzt. Im Pkw-Diesel dominiert der zweiteilige Ring mit Schlauchfeder, im Pkw-Benziner der dreiteilige Stahlbandring, zunehmend ergänzt durch schmale zweiteilige Stahlringe. Bei Zweitaktmotoren mit Gemischschmierung gibt es gar keinen Ölring.
¶ Spiele: Stoß, Nut und Kolben in Hundertsteln
Ein Kolbenring sitzt nie stramm. Er braucht Luft an drei Stellen, und jede davon ist ein Funktionsmaß.
¶ Stoßspiel: warum der Ring nie geschlossen sein darf
Der Stoß ist die Lücke zwischen den Ringenden. Er muss auch bei Betriebstemperatur offen bleiben. Schließt er sich, stoßen die Enden zusammen, der Ring kann radial nicht mehr nachgeben und verformt sich. MS Motorservice rechnet ein Beispiel vor: Ein Ring mit 100 Millimetern Durchmesser, der sich um 180 Grad erwärmt, wird am Umfang um 0,57 Millimeter länger. Er braucht also mindestens 0,6 Millimeter Stoß. Die Bohrung wächst mit, aber weniger und oben stärker als unten.
Für den EA189 nennt der VW-Reparaturleitfaden 0,20 bis 0,40 Millimeter am ersten und zweiten Ring, 0,25 bis 0,50 Millimeter am Ölring, Verschleißgrenze 1,0 Millimeter. Gemessen wird mit der Fühlerlehre, den Ring rechtwinklig etwa 15 Millimeter tief in die Bohrung geschoben, im unverschlissenen unteren Bereich. Der Ringhersteller Hastings gibt dazu eine Merkregel: Jeder Hundertstelmillimeter mehr Bohrung vergrößert den Stoß um rund drei Hundertstel, genau gerechnet um π. Ein Ring, der oben im verschlissenen Zylinder gemessen wird, zeigt deshalb ein größeres Spiel, als er hat.
Bei VW sind die Stöße der beiden oberen Ringe gleich. Beim Lkw-Diesel Caterpillar C15 ist der zweite Stoß dagegen fast doppelt so groß wie der erste. Der Grund ist der Druck zwischen den Ringen: Kann das Gas, das am ersten Ring vorbeikommt, nicht schnell genug weiter, hebt es den ersten Ring von seiner Flanke. Nippon Piston Ring schreibt, dass Hersteller in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren den oberen Stoß verkleinert und den zweiten vergrößert haben, um bei Ringen mit wenig Spannung den Ölverbrauch zu senken.
¶ Höhenspiel: die Luft in der Nut
Das Höhenspiel ist die Luft zwischen Ring und Nutflanken. Es muss groß genug sein, damit der Ring warm nicht klemmt und das Gas hinter ihn gelangt. Ist es zu groß, flattert der Ring, pumpt Öl nach oben und läuft ballig ein. Für den EA189 nennt VW neu 0,06 bis 0,09 Millimeter am ersten, 0,05 bis 0,08 am zweiten und 0,03 bis 0,06 am Ölring, Verschleißgrenze 0,25 bzw. 0,15 Millimeter. MS Motorservice ist strenger und erklärt einen Kolben ab mehr als 0,12 Millimetern für verschlissen. Der Unterschied erklärt sich aus der Rolle: VW bewertet seinen eigenen Kolben, Motorservice gibt eine Praxisgrenze für den Fall, dass ein neuer Ring in eine alte Nut kommt. Und es gilt ein Satz, den kaum ein Forum kennt: Neue Ringe in verschlissenen Nuten helfen nicht.
¶ Kolbenspiel: Hundertstel, die mit der Temperatur wandern
Für den EA189 nennt der Reparaturleitfaden einen Kolbendurchmesser von 80,96 und eine Bohrung von 81,01 Millimetern. Das ergibt ein Einbauspiel von 0,05 Millimetern. Gemessen wird der Kolben etwa 15 Millimeter über der Unterkante, quer zur Bolzenachse. Das MAHLE-Fachbuch „Kolben und motorische Erprobung“ nennt für Pkw-Diesel mit Graugussblock übliche Einbauspiele von 0,6 bis 0,9 Promille des Durchmessers. Der EA189 liegt mit 0,62 Promille am unteren Rand.
Ein Kolben ist dabei weder rund noch zylindrisch. Er ist oval, in Richtung des Kolbenbolzens um 0,3 bis 0,8 Prozent des Durchmessers kleiner, weil sich die Masse der Bolzennaben dort stärker ausdehnt, und er ist oben und unten eingezogen. Aluminium dehnt sich etwa doppelt so stark wie Grauguss. Würden sich Kolben und Bohrung gleichmäßig um 100 Grad erwärmen, wäre das kalte Spiel rechnerisch aufgebraucht. Dass er trotzdem nicht frisst, liegt an genau dieser Form, an der kühleren Schaftunterseite und daran, dass er warm im elastischen Schaftbereich bewusst mit Überdeckung läuft.
Stahlkolben, wie MAHLE sie seit 2014 auch für Pkw-Diesel von Renault liefert, dehnen sich ähnlich wie die Graugussbohrung und kommen deshalb mit kleinerem Spiel aus.
Neue Kolben verlieren in der ersten Warmlaufphase dauerhaft einige Hundertstelmillimeter Durchmesser. Wer nach 200.000 Kilometern das Spiel nachmisst, kann das ursprüngliche Maß deshalb nicht mehr erkennen. Zylinder, die oben am Umkehrpunkt mehr als 0,10 Millimeter (Benziner) bzw. 0,15 Millimeter (Diesel) verschlissen sind, gehören laut MS Motorservice bearbeitet, weil ein neuer Kolben mit scharfkantigen Ringen sonst an die Verschleißkante schlägt. Für den 2.0 TDI gibt es Ersatzkolben in der Reparaturstufe 0,50 Millimeter, mit einer Bohrung von 81,51 statt 81,01 Millimetern. Übermaß macht einen Kolben nicht haltbarer, es gleicht nur den Abtrag aus. Wie sich Lagerspiele bei einer Instandsetzung auf den Öldruck auswirken, steht im Artikel Öldruck nach Motorinstandsetzung zu niedrig? Die Ursachen.
¶ Honen: warum eine Laufbahn absichtlich rau sein muss
Eine Zylinderlaufbahn, die spiegelglatt ist, wäre ein Fehler. Auf ihr könnte sich kein Ölfilm halten. Die Bohrung wird deshalb gehont: mit Honleisten aus gebundenem Korn, die sich drehen und gleichzeitig auf und ab fahren. Aus beiden Bewegungen entsteht das typische Kreuzschliffbild, ein Netz feiner Riefen. In den Tälern steht das Öl, auf den Plateaus dazwischen gleitet der Ring.
Honen hat zwei Aufgaben, und die erste wird oft unterschätzt. Es stellt die Geometrie her: rund, gerade, auf Maß. MS Motorservice nennt für Bohrungen zwischen 80 und 120 Millimetern eine zulässige Formabweichung von 0,015 Millimetern. Gebohrt wird mit montierten Hauptlagerdeckeln, danach bleibt ein Honaufmaß von etwa 0,08 Millimetern. Im eingebauten Motor verzieht der angezogene Zylinderkopf die Bohrung um Tausendstel. Audi hont deshalb mit einer Platte, die diese Verspannung nachbildet, und konnte die Tangentialkraft der Kolbenringe dadurch um etwa 35 Prozent senken. Der Honmaschinenhersteller Gehring geht noch weiter und hont die Bohrung gezielt unrund, damit sie erst im Betrieb rund wird.
Die zweite Aufgabe ist die Oberfläche. Heute wird sie in Stufen erzeugt, beim Plateauhonen. Zuerst schafft ein grober Stein Maß und Form, dann ein feinerer die Grundrauheit, zuletzt nimmt ein sehr feiner Stein in wenigen Hüben mit leichtem Druck nur die Spitzen ab. Übrig bleiben flache Plateaus mit tiefen Tälern. MS Motorservice gibt die Folge mit Körnung 150 für das Vorhonen, 280 für das Fertighonen und 400 bis 600 für das Plateau an. Die Abträge passen genau zusammen: 0,06 plus 0,02 Millimeter ergeben das Honaufmaß von 0,08 Millimetern.
¶ Die Sollwerte, die kaum jemand kennt
Für die Oberfläche gibt es Kennwerte nach Norm. Rpk beschreibt die Spitzen, die beim Einlauf abgetragen werden, Rk den tragenden Kern, Rvk die Täler, in denen das Öl steht. Was diese Größen bedeuten und wie sie mit Fertigungsstreuung zusammenhängen, erklärt der Artikel Fertigungstoleranzen: Warum jeder Motor ein Unikat ist. MS Motorservice nennt als Sollwerte:
| Kenngröße | Pkw, Otto und Diesel | Nutzfahrzeug-Diesel |
|---|---|---|
| Ra | 0,15 bis 0,40 µm | 0,30 bis 0,50 µm |
| Rpk, die Spitzen | unter 0,20 µm | 0,20 bis 0,40 µm |
| Rk, der Kern | 0,20 bis 0,60 µm | 0,50 bis 1,50 µm |
| Rvk, die Täler | 1,40 bis 1,80 µm | 1,50 bis 2,00 µm |
| Honwinkel | 25 bis 45 Grad | 40 bis 60 Grad |
Die Täler sind beim Pkw mehrfach tiefer als die Spitzen hoch sind. Genau das ist das Prinzip: wenig, was abgetragen werden muss, viel Raum für Öl. Hinzu kommt bei Grauguss eine Forderung, die man unter dem Mikroskop sieht. Mindestens 20 Prozent der Graphitlamellen müssen nach dem Honen offen sein, sie dienen als zusätzliche Ölspeicher. Ein Ringhersteller beschreibt die Gegenrichtung: Zu viel Rvk bedeutet Ölverbrauch, zu wenig bedeutet Verschleiß.
¶ Körnung: vom Vorhonen zum Plateau
Welche Rauheit ein Stein erzeugt, hängt von Korn und Kornwerkstoff ab. Der Honwerkzeughersteller Sunnen hat das für Grauguss mit Siliziumkarbid-Steinen tabelliert: Körnung 150 ergibt einen Mittenrauwert um 0,75 bis 1,00 Mikrometer, 280 rund 0,30, 400 rund 0,15 und 600 rund 0,08 Mikrometer. Ein Diamantstein gleicher Körnungszahl hinterlässt dagegen eine deutlich rauere Fläche, bei 220 etwa 2,0 statt 0,5 Mikrometer. Deshalb wird Diamant zum Vorhonen genutzt und mit feineren Steinen oder Bürsten für das Plateau kombiniert.
Zwei Fehler sind häufig. Ein zu feiner Stein beim Vorhonen schneidet nicht, er verschmiert das Material und schließt die Graphitlamellen. Und ein Stein, der sich zusetzt, glasiert: Er rutscht nur noch über die Fläche. Tenneco nennt in seiner Fehlertabelle für zu flache und zu steile Winkel, zu feine und zu raue Flächen jeweils die Ursache an der Maschine. Honbürsten und federnde Steine aus dem Zubehör können die Oberfläche auffrischen, die Geometrie verbessern können sie nicht. Sie folgen jedem Verzug. MS Motorservice schreibt deshalb ausdrücklich, dass sie keine Reparatur- oder Instandsetzungsmethode sind.
¶ Moderne Laufbahnen und was davon instandsetzbar ist
Nicht jede Bohrung ist heute nur gehonter Grauguss. Audi hat 2004 beim 3.0 TDI eine Laserbelichtung eingeführt, die Graphit freilegt und Öltaschen erzeugt. Audi nannte bis zu 75 Prozent weniger Ölverbrauch und bis zu 90 Prozent weniger Verschleiß. Opel strukturiert die Bohrung seit 2002 im Bereich des oberen Umkehrpunkts mit dem Laser, nach 160.000 Kilometern wurden 70 bis 85 Prozent weniger Ölverbrauch gemessen. Andere Hersteller verzichten ganz auf eine Buchse und spritzen eine Eisenschicht auf das Aluminium, bei Škoda 0,15 Millimeter dick.
| Laufbahn | Übermaß in der Werkstatt? |
|---|---|
| Graugussblock (EA189, EA288) | ja, Bohren und Plateauhonen, Übermaßkolben |
| Graugussbuchse im Alublock | begrenzt durch die Wanddicke der Buchse |
| Alusil, Lokasil | nur mit Diamantwerkzeug, Freilegen der Siliziumkristalle und beschichtetem Kolben |
| Nikasil | nein, die Schicht muss neu aufgebracht werden |
| Gespritzte Eisenschicht | nein, nach einem Übermaß wäre die Schicht weg |
Für den 1.4 TSI schreibt VW im Reparaturleitfaden sogar ausdrücklich, die Zylinderbohrung niemals mit Werkstattmitteln zu bearbeiten. Bei TDI-Motoren mit Graugussblock ist die klassische Instandsetzung dagegen möglich.
¶ Kreuzschliffwinkel: flach, steil, spiral
Kaum eine Zahl wird in Foren so oft wiederholt wie „45 Grad“. Und kaum eine stiftet so viel Verwirrung, weil verschiedene Quellen verschiedene Winkel nennen und dasselbe meinen. Der Winkel entsteht aus zwei Geschwindigkeiten: wie schnell die Honahle auf und ab fährt und wie schnell sie sich dreht. Der halbe eingeschlossene Winkel folgt der Beziehung tan(α/2) = Hubgeschwindigkeit geteilt durch Umfangsgeschwindigkeit. Mehr Drehzahl macht den Winkel flacher, mehr Hub macht ihn steiler.
Die scheinbar widersprüchlichen Angaben lösen sich auf, sobald man die Bezugsachse kennt:
| Quelle | Angabe | Bezug |
|---|---|---|
| MS Motorservice, Pkw | 25 bis 45 Grad | nicht genannt, vermutlich eingeschlossen |
| MS Motorservice, Nutzfahrzeug | 40 bis 60 Grad | wie oben |
| Hastings, mit Bezug auf Sunnen | 45 Grad zueinander oder 22 bis 32 Grad zur Horizontalen | beides genannt |
| Tenneco Nural | 120 Grad | nicht genannt |
| Spiralgleithonen nach Patent | 120 bis 170 Grad, typisch 130 bis 140 | eingeschlossen, Halbierende in Umfangsrichtung |
22 bis 32 Grad zur Horizontalen sind 44 bis 64 Grad eingeschlossen, also dasselbe wie 40 bis 60 Grad. Ob die 120 Grad bei Tenneco ein steiles Bild meinen oder 60 Grad von der anderen Seite gemessen, ist aus der Quelle nicht eindeutig. Bei einem Honwinkel sollte deshalb immer eine Skizze mit der Bezugsachse stehen.
Ein bester Winkel für alle Fälle existiert nicht. Die Forschung an der französischen Hochschule ENSAM hat zwei günstige Fenster gefunden: das klassische um 40 bis 60 Grad und das Spiralgleithonen um 120 bis 140 Grad. Bei 130 Grad war die Reibung des Ringpakets deutlich weniger empfindlich gegenüber der Plateau-Rauheit als bei 50 Grad. Dazwischen, zwischen etwa 70 und 110 Grad, empfiehlt niemand etwas. Bei Deutz-Motoren lag der Ölverbrauch mit Spiralgleithonung rund zehn Prozent unter dem laserstrukturierter Laufbahnen, und die laserstrukturierten Laufbahnen waren nach 700 Betriebsstunden um rund 30 Prozent stärker verschlissen. Für Spritzschichten, Nikasil und übereutektisches Aluminium empfiehlt Hastings flachere Winkel von 10 bis 15 Grad, ohne die Bezugsachse zu nennen.
Dass der Winkel die Ringe drehen lässt, liest man oft. Die Ringe drehen sich tatsächlich, nach MS Motorservice etwa 5 bis 15 Mal in der Minute, angetrieben vom Kippen des Kolbens und von der Honstruktur. Ein flacher Winkel soll weniger, ein steiler mehr Rotation bewirken. Eine Messung, die das für einen bestimmten Winkel belegt, ließ sich nicht finden. Die Drehung erklärt übrigens auch, warum der Stoßversatz bei der Montage nur für den ersten Start zählt. Danach wandern die Stöße.
¶ Einlaufen: die ersten Kilometer entscheiden
Die Spitzen eines frisch gehonten Profils sind genau das, was beim Einlaufen ohnehin abgetragen würde. Plateauhonen nimmt diesen Teil vorweg, ganz verschwindet er aber nicht. In den ersten Betriebsstunden tragen die Ringe Hub für Hub die verbliebenen Spitzen ab, der Ring passt sich der Bohrung an, und der feine Abrieb geht ins Öl. Die Täler bleiben als Ölspeicher erhalten. Bei einer Messung, die der Ringhersteller Total Seal veröffentlicht hat, rundete schon das Durchdrehen des Motors von Hand die Spitzen erkennbar ab.
¶ Warum zu schonend genauso schadet wie zu hart
Tenneco schreibt in einem Werkstattbulletin, dass nach Angabe von Fachleuten rund 90 Prozent der Ölverbrauchsprobleme nach Diesel-Überholungen auf falsches Einlaufen zurückgehen. Gemeint ist meist das Gegenteil von dem, was viele tun. Verzögerter Einlauf oder lange Schwachlast erzeugen eine glatte, lackartige Schicht aus Öl- und Kraftstoffbestandteilen auf der Laufbahn, unter der der Kreuzschliff noch zu sehen ist. Die Ringe gleiten darüber, ohne sich anzupassen, und dichten nie richtig. Tenneco unterscheidet davon die Politur, die später im Motorleben entsteht, wenn Ölkohle am Feuersteg die Laufbahn spiegelblank reibt. An einem Turbomotor stieg der polierte Anteil der Laufbahn bei 360 statt 355 PS im selben Zeitraum von 5 auf 14 Prozent.
Daraus folgt keine Empfehlung zum Dauervollgas. Die Herstellerlinie ist eindeutig: Last ja, Leerlauf und Dauer-Schwachlast nein. MS Motorservice empfiehlt nach einer Instandsetzung wechselnde Drehzahlen bis zwei Drittel der Höchstdrehzahl, keine lange Bergfahrt und kein langes Bergabrollen mit Motorbremse, den Ölstand alle 50 bis 100 Kilometer zu prüfen und nach 1.000 Kilometern Öl und Filter zu wechseln. MAHLE schreibt für Rennmotoren, dass ein unbelasteter Prüfstand die Ringe nicht einlaufen lässt. Neue Serienmotoren brauchen dagegen keinen besonderen Einlauf mehr, ihre Laufflächen sind werkseitig vorbearbeitet. Dass die Hersteller trotzdem einen höheren Verbrauch in der ersten Zeit zulassen, steht in vielen Betriebsanleitungen, beim Audi Q7 3.0 TDI etwa für die ersten 5.000 Kilometer.
¶ Woran man erkennt, dass die Ringe sitzen
Foren nennen 500 bis 1.000 Kilometer, gemessen wird das selten. Es gibt bessere Zeichen als den Kilometerstand. Der Blow-by sinkt und bleibt dann stabil, und der Ölverbrauch pendelt sich auf niedrigem Niveau ein. MAHLE nennt für Rennmotoren einen stabilen Kurbelgehäusedruck als Zeichen dafür, dass die Ringe sitzen. Wer nach einer Instandsetzung den Blow-by einmal am Anfang und einmal nach einigen hundert Kilometern misst, hat einen ehrlicheren Beleg als jede Faustregel.
¶ Siehe auch
- Ölverbrauch 2.0 TDI: Die Kettenreaktion, die im DPF endet
- Öltemperatur: Warum heißes Öl Motoren schneller altern lässt
- Fertigungstoleranzen: Warum jeder Motor ein Unikat ist
- Öldruck nach Motorinstandsetzung zu niedrig? Die Ursachen
- VW T5 2.0 BiTDI (CFCA): Der Sonderfall
- Ölverdünnung: Diesel im Motoröl erkennen
- Warum mehr Förderleistung die bessere Wahl ist
Transparenzhinweis: MMHP entwickelt, testet und fertigt seit über 25 Jahren eigene Produkte für die Automobilbranche, darunter Lösungen für die Ölversorgung von VW-TDI-Motoren. Kolben, Kolbenringe und Honarbeiten verkaufen wir nicht. Die Zusammenhänge in diesem Artikel stützen sich auf Unterlagen der Ring- und Kolbenhersteller, Werkstattbulletins der Fahrzeughersteller, Normen, Patente und Fachbeiträge, die Quellen stehen jeweils am Satz. Die Ergebnisse aus eigenen Messungen sind als solche gekennzeichnet. Die Animationen sind schematisch, Spiele und Ölfilme sind stark vergrößert.