Motoranordnungen erklärt: Reihen-, V- und Boxermotoren

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als die Automobilingenieurkunst mit voller Geschwindigkeit voranschritt, konnte ein 10-Liter-Motor entweder ein Einzylinderaggregat oder etwa ein Reihen-Achtzylinder sein. Damals störte sich niemand an einem 23-Liter-Reihensechszylinder oder einem Siebenzylinder-Sternflugzeugmotor, der in ein Auto verpflanzt wurde.

Mit zunehmender Massenproduktion und wachsendem Kostendruck fiel alles an seinen Platz. Der Einzylindermotor wurde zu einem Relikt der Vergangenheit. Heute liegt der durchschnittliche Hubraum pro Zylinder in einem konventionellen Pkw-Motor zwischen 300 und 600 Kubikzentimetern, mit einer Literleistung von rund 35 PS/l bei einem Saugdiesel bis hin zu 100 PS/l bei einem hochleistungsfähigen Ottomotor. Das sind die optimalen Bereiche für die Massenproduktion – außerhalb davon zu operieren ist schlicht unwirtschaftlich.

Wie sieht die moderne Motorenlandschaft also aus? Allgemein gesprochen:

• Ein 100-PS-Motor hat typischerweise vier Zylinder
• Ein 200-PS-Motor läuft in der Regel mit vier, fünf oder sechs Zylindern
• Ein 300-PS-Motor verwendet häufig acht Zylinder

Doch wie lassen sich diese Zylinder tatsächlich anordnen? Welche Layoutoptionen stehen Ingenieuren beim Entwurf eines Mehrzylindermotors zur Verfügung? Schauen wir uns das genauer an.

Reihenmotoren: Einfach, aber zunehmend unpraktisch

Die wichtigste Frage für jeden Motorenkonstrukteur lautet: Wie lässt sich die Konstruktion vereinfachen – mit niedrigen Fertigungskosten und unkomplizierter Wartung? In dieser Hinsicht gewinnt der Reihenmotor klar. Die Zylinder sind in einer einzigen Reihe angeordnet, und die Hubraumvergrößerung ist so einfach wie das Hinzufügen weiterer Zylinder.

So sehen die Reihenmotorvarianten in der Praxis aus:

• Zwei- und Dreizylindertypen sind bei Pkw vergleichsweise selten, obwohl der Zweizylindermotor dank moderner Kraftstoffeinspritzung und Turboaufladung ein Comeback erlebt – der 85 PS starke Turbozweizylindermotor im Fiat 500 ist ein hervorragendes Beispiel.
• Der Reihenvierzylinder ist das Arbeitstier der Pkw-Welt und deckt Hubraumklassen von 1,0 bis 2,4 Liter ab.
• Reihenfünfzylinder sind eine neuere Entwicklung. Mercedes-Benz legte 1974 mit dem Diesel-Fünfzylinder den Grundstein (dem 300D auf der W123-Plattform), gefolgt vom Audi-Zweiliter-Ottomotor mit fünf Zylindern zwei Jahre später, dann schlossen sich Volvo und Fiat Ende der 1980er Jahre an.
• Reihensechszylinder, seit Langem in Europa wegen ihrer Laufruhe beliebt, werden zunehmend seltener. Ihr noch längeres Geschwistermodell, der Reihen-Achtzylinder, wurde bereits in den 1930er Jahren faktisch aufgegeben.

Der Grund für diesen Trend liegt auf der Hand: Je mehr Zylinder hinzugefügt werden, desto länger wird der Motor – und das schafft ernsthafte Einbauprobleme. Einen Reihensechszylinder quer in einem frontantriebsseitigen Motorraum unterzubringen ist zum Beispiel nur in einer Handvoll Fällen gelungen: dem Austin Maxi 2200 (bei dem das Schaltgetriebe unter dem Motor platziert werden musste) und dem Volvo S80 mit seinem ultrakompakten Getriebe.

V- und Boxermotoren: Kompakt, aber komplex

Wie verkürzt man also einen Reihenmotor? Die elegante Lösung: Man teilt ihn in zwei Hälften, stellt diese nebeneinander und treibt mit beiden eine gemeinsame Kurbelwelle an. Das ist das Wesen des V-Motors.

Die häufigsten V-Motor-Konfigurationen verwenden einen eingeschlossenen Winkel von 60° oder 90° zwischen den Zylinderbänken. Wird dieser Winkel auf 180° ausgedehnt – Zylinder zeigen direkt voneinander weg –, entsteht ein Boxermotor (daher auch die Bezeichnungen B2, B4, B6).

Die Kompromisse im Vergleich zum Reihenmotor sind erheblich:

• Zwei Zylinderköpfe – jeweils mit eigenem Dichtungsring und Krümmern
• Mehr Nockenwellen und eine komplexere Ventilsteuerungsanordnung
• Größere Breite (besonders bei Boxermotoren), was den Einbauraum einschränkt
• Höhere Fertigungskosten und aufwändigere Wartung

Aufgrund dieser Nachteile wird der Boxermotor nur von wenigen Herstellern eingesetzt – Porsche und Subaru sind heute die bekanntesten.

Was ist mit einem noch kompakteren V-Motor durch Verringerung des eingeschlossenen Winkels unter 60°? Es wurde getan – der Lancia Fulvia der 1970er Jahre verwendete einen V4 mit einem nur 23° großen Winkel. Doch es gibt einen Haken: Je kleiner der Winkel, desto schwieriger ist der Motor auszuwuchten. Das bringt uns zu einer der wichtigsten Herausforderungen im Motorenbau.

Motorvibrationen: Kräfte, Momente und wie man sie bändigt

Kein Kolben-Verbrennungsmotor ist völlig vibrationsfrei – das ist konstruktionsbedingt. Doch das Management von Vibrationen ist entscheidend, nicht nur für den Fahrkomfort. Schwere unausgeglichene Vibrationen können Motorkomponenten physisch zerstören, mit all den katastrophalen Folgen, die entstehen, wenn Teile bei hoher Drehzahl losbrechen.

Woher stammen Motorvibrationen? Es gibt drei Hauptquellen:

• Ungleichmäßige Zündabstände – bei einigen Motorkonfigurationen erfolgen die Arbeitstakte nicht in genau gleichen Abständen, was zu Drehmomentschwankungen führt. Ein schwereres Schwungrad kann dies glätten.
• Kolbenträgheitskräfte – wenn Kolben nach oben beschleunigen und oben am Totpunkt abbremsen (und umgekehrt unten), erzeugen sie Trägheitskräfte ähnlich denen, die man beim Bremsen oder Beschleunigen eines Autos spürt.
• Pleuelgeometrie – die Pleuelstange bewegt sich nicht geradlinig, und die Kolbenbewegung ist keine ideale Sinuskurve, was zusätzliche Kraftkomponenten bei Vielfachen der Kurbelwellendrehzahl einbringt.

Diese Trägheitskräfte höherer Ordnung sind im Allgemeinen vernachlässigbar – außer den Kräften zweiter Ordnung, die mit der doppelten Kurbelwellenfrequenz wirken und stets berücksichtigt werden müssen. Wenn Trägheitskräfte in benachbarten Zylindern in entgegengesetzten Richtungen in einem festen Abstand voneinander wirken, erzeugen sie auch Kippmomente, was eine weitere Komplexitätsebene hinzufügt.

Ingenieure haben zwei wesentliche Mittel, um diesen Kräften entgegenzuwirken:

• Wahl einer inhärent ausgewogenen Konfiguration – Zylinder und Kurbelwellenwangen so anordnen, dass sich Kräfte und Momente von Natur aus gegenseitig aufheben.
• Ausgleichswellen einsetzen – sekundäre Wellen mit Gegengewichten, die sich entgegen der Kurbelwelle drehen und gleiche, entgegengesetzte Kräfte erzeugen. Diese erhöhen Kosten und mechanische Komplexität, können aber problematische Vibrationsmoden vollständig neutralisieren.

Von allen gängigen Motorlayouts sind nur zwei theoretisch perfekt ausgewuchtet: der Reihensechszylinder und der Boxer-Sechszylinder. Genau deshalb halten BMW und Porsche so hartnäckig an diesen Konfigurationen fest – und warum andere trotz der Einbauhürden zögerlich sind, sie aufzugeben.

Motorauswuchtung nach Konfiguration: Ein praktischer Leitfaden

Schauen wir uns an, wie sich jede wichtige Motorkonfiguration im realen Einsatz in Bezug auf Vibration und Auswuchtung verhält.

Zweizylinder-Reihenmotoren (Kurbelzapfen in gleicher Richtung) verhalten sich hinsichtlich der Auswuchtung ähnlich wie ein Einzylindermotor – beide Kolben steigen und fallen gleichphasig. Der russische Oka verwendete zwei gegenläufige Ausgleichswellen, um mit Trägheitskräften erster Ordnung umzugehen, während Kräfte zweiter Ordnung unkontrolliert blieben. Zwei weitere Ausgleichswellen wären für ein so kleines und erschwingliches Auto völlig unpraktisch gewesen. Viele Zweizylindermotoren – wie der originale Fiat 500 von 1957 und der indische Tata Nano – liefen schlicht ohne Ausgleichswellen und verließen sich auf weiche Motorlager, um die Vibrationen zu absorbieren. Günstig, einfach und für Budgetanwendungen akzeptabel.

Zweizylindermotoren mit Kurbelzapfen bei 180° (Kolben laufen gegenphasig) bieten eine bessere Primärauswuchtung, können aber gleichmäßige Zündabstände nur im Zweitaktbetrieb erreichen – wie bei den Vorkriegs-DKWs und ihren Nachkommen, dem ostdeutschen Trabant.

V-Zweizylindermotoren überleben heute fast ausschließlich auf Motorrädern – Harley-Davidson und seine japanischen Nachahmer sind die offensichtlichen Beispiele. Der NAMI-1 gilt als praktisch das einzige Auto, das jemals dieses Layout verwendete. Gegengewichte an der Kurbelwelle können ihn nahezu vollständig ausgleichen, doch gleichmäßige Zündabstände bleiben unerreichbar.

Dreizylindertypen sind schlechter ausgewuchtet als ein Reihenvierzylinder. Hersteller wie Subaru und Daihatsu bauen Ausgleichswellen serienmäßig ein; Opels Entscheidung, beim Ecotec-Dreizylindermotor für den Corsa der zweiten Generation darauf zu verzichten, sparte zwar Kosten, brachte dem Auto aber nach seinem Debüt im Jahr 1996 einen schlechten Ruf in der deutschen Automobilpresse ein – er wurde als „absolut unmöglich im Stadtverkehr mit variablen Betriebsmodi zu fahren” beschrieben.

Reihenvierzylindermotoren – das weltweit verbreitetste Layout – weisen eine freie Trägheitskraft zweiter Ordnung auf, die nur durch eine mit doppelter Kurbelwellendrehzahl laufende Ausgleichswelle neutralisiert werden kann. Um das entstehende Moment aufzuheben, ist eine zweite gegenläufige Welle erforderlich. Kostspielig, ja – aber Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat und Marken des Volkswagen-Konzerns haben diese Lösung alle eingesetzt, wenn Laufruheanforderungen es verlangten.

Boxer-Vierzylindermotoren schneiden etwas besser ab als ihre Reihenpendants – es verbleibt lediglich ein Kippmoment zweiter Ordnung, das den Motor um seine vertikale Achse zu gieren neigt. Trotzdem kamen sowohl der luftgekühlte Käfer-Motor als auch Subarus Boxeraggregate jahrzehntelang ohne Ausgleichswellen aus.

Reihenfünfzylindermotoren haben ausgeglichene primäre Trägheitskräfte, leiden aber unter einem rollenden Biegemoment, das ständig durch den Motorblock wandert – was eine außerordentlich steife Struktur erfordert. Mercedes-Benz, Audi und Volvo begegneten dem durch verfeinerte Motorlager und Gegengewichte (wie beim aufgeladenen 2,5-Liter-TFSI im Audi TT RS), während Fiats Ingenieure noch einen Schritt weiter gingen und eine vollständige Ausgleichswelle einsetzten.

Eine interessante Randnotiz: Fast alle Fünfzylindermotoren sind im Grunde Vierzylindermotoren mit einem zusätzlich angebauten Zylinder. Dieser modulare Ansatz ermöglicht gemeinsame Kolben, Pleuelstangen und Ventiltriebkomponenten – nur Block, Kopf und Kurbelwelle (mit Zapfen im 72°-Abstand) müssen geändert werden.

V6-Motoren, die Reihensechszylinder abgelöst haben, weisen dieselben Auswuchteigenschaften wie ein Dreizylindermotor auf – was bekanntlich nicht ideal ist. Der allererste Mercedes-Benz-V6 (der M112 mit drei Ventilen pro Zylinder) begegnete dem mit einer im Tal zwischen den Bänken angebrachten Ausgleichswelle. Der Drei-Liter-Sechszylinder der PSA-Gruppe platzierte eine im Zylinderkopf. Andere Hersteller entschieden sich für eine sorgfältige Kurbelzapfenversetzung – wie beim Audi-V6 –, um Vibrationen ohne zusätzliche Komplexität zu minimieren. V6-Motoren mit 90° eingeschlossenem Winkel bringen ein weiteres Problem: inhärent ungleichmäßige Zündabstände, die ein schweres Schwungrad nur teilweise glätten kann.

V8-Motoren mit 90° Bankwinkel und Kurbelwellenzapfen in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen sind sehr gut ausgewuchtet. Gleichmäßige Zündabstände sind erreichbar, und es verbleiben nur zwei restliche Kippmomente – die durch Gegengewichte an den Endlagern der Kurbelwelle leicht behoben werden können. Das ist ein wesentlicher Grund, warum amerikanische Ingenieure den V8 so begeistert aufgenommen haben: Sie tolerieren schlicht keine Vibrationen.

V4-Motoren waren selten und sind in Pkw heute so gut wie ausgestorben. Der europäische Ford-V4 (verbaut im Taunus, Capri und Saab 96) sowie der eigenwillige V4 des Saporoshez benötigten beide eine Ausgleichswelle für Kippmomente erster Ordnung. Kompaktheit und Kosten waren die treibenden Faktoren – die Auswuchtung war zweitrangig.

V10-Motoren teilen dieselben Auswuchteigenschaften wie ein Reihenfünfzylinder. Das hielt die Konstrukteure von Formel-1-Motoren, dem Dodge Viper oder dem Dodge RAM nicht davon ab, sie einzusetzen – wenn man die Leistung braucht, managt man die Vibrationen.

Was die exotischeren Layouts betrifft: Der Boxer-Achtzylinder (wie im Porsche 917 Rennsportwagen) ist effektiv zwei Boxer-Vierzylinder auf einer gemeinsamen Kurbelwelle, während V12- und Boxer-Zwölfzylindermotoren auf zwei Reihensechszylinder reduzierbar sind – was ihre außergewöhnliche Laufruhe erklärt.

VR6, VR5 und W-Motoren: Volkswagens genialer Packaging-Streich

Wir haben zuvor Schmalwinkel-V-Motoren wie den Lancia Fulvia erwähnt. Jahrzehntelang wurden diese gemieden – schwerer auszuwuchten als 60°- oder 90°-Layouts, mit Packaging-Vorteilen, die den Aufwand nicht zu lohnen schienen. Dann verschoben sich die Prioritäten.

Zwei Entwicklungen veränderten das Spiel:

• Hydraulische Motorlager wurden weit verbreitet und dämpften die Vibrationsübertragung dramatisch, unabhängig von der theoretischen Auswuchtung des Motors.
• Der Motorraum wurde zunehmend beengt, was Kompaktheit zum wertvollen Gut machte. Wer hätte sich vorgestellt, dass ein bescheidener Kompaktwagen einen 2,8-Liter-Sechszylindermotor verbirgt? Volkswagen machte es möglich.

Der Volkswagen VR6 – wobei „VR” für V-Reihen steht – treibt das Schmalwinkelkonzept weiter als Lancia es je tat und verwendet einen 15°-Winkel zwischen den Bänken. Das Ergebnis ist so kompakt, dass er effektiv als versetzter Reihenmotor funktioniert, und bemerkenswerterweise verwendet er einen einzigen Zylinderkopf für beide Bänke. Ein 2,8-Liter-Sechszylindermotor, der dort passt, wo ein konventioneller V6 nicht hineinpassen würde – erstmals verbaut im dritten Volkswagen Golf.

Von dort liefen Volkswagens Ingenieure mit dem Konzept:

• Der VR5 entstand als VR6 mit einem entfernten Zylinder.
• Der W8 kombinierte zwei verkürzte VR-Einheiten (je vier Zylinder) auf einer gemeinsamen Kurbelwelle – verbaut in der Oberklasse-Limousine Passat.
• Der W12 debütierte 1998 im W12 Roadster Concept: zwei VR6-Motoren, im 72°-Winkel auf einer Kurbelwelle vereint.
• Der W16 – mit vier Turboladern – treibt den Bugatti Veyron auf 431 km/h und ist damit die extremste Serienanwendung dieser Architektur.

Warum gab es diese Layouts nicht früher? Modernes computergestütztes Design machte sie möglich. Die Optimierung von Bankwinkel, Kurbelzapfenpositionen, Zündreihenfolge und Auswuchteigenschaften über derart komplexe Geometrien wäre ohne die ab den 1990er Jahren verfügbare Rechenleistung praktisch unmöglich gewesen. Allein die Kurbelwelle eines W12 ist ein Albtraum für jeden Zerspanungsmechaniker – ein Bauteil, das nur dann Sinn ergibt, wenn ein Computer jede Toleranz geprüft hat.

Was im realen Motorendesign wirklich zählt

Wenn es eine Erkenntnis aus alldem gibt, dann diese: Theoretische Auswuchtung ist selten der entscheidende Faktor, wenn ein Ingenieur ein Motorlayout wählt. Die eigentlichen Prioritäten sind:

• Packaging – passt der Motor in den Motorraum?
• Gewicht und Leistungsdichte – was ist das beste Verhältnis für die jeweilige Anwendung?
• Fertigungskosten – können Komponenten über eine Modellreihe hinweg geteilt werden?
• Modularität – zunehmend bauen Hersteller ganze Motorenfamilien auf einer gemeinsamen Kolben- und Bohrungsarchitektur auf, von Dreizylinderaggregaten für Einsteiger bis hin zu Zwölfzylinder-Flaggschiffen

Das aktuelle Motorenprogramm von Mercedes-Benz ist ein Paradebeispiel des modularen Ansatzes: Eine gemeinsame Architektur bildet die Grundlage für Motoren mit sehr unterschiedlichen Leistungsklassen und Zylinderzahlen.

Und was Vibrationen betrifft – es lohnt sich, daran zu erinnern, dass theoretische und tatsächliche Auswuchtung zwei sehr unterschiedliche Dinge sind. Selbst ein perfekt ausgewuchteter Reihensechszylinder wird vibrieren, wenn seine Kurbelwellenbaugruppe nicht sorgfältig ausgewuchtet ist oder wenn sich Kolben und Pleuelstangen merklich im Gewicht unterscheiden. Reale Fertigungstoleranzen und Bauteilverformungen unter Last bedeuten, dass kein Motor in der Praxis je so ruhig läuft, wie die Gleichungen es nahelegen. Deshalb ist das Design der Motorlager – die Art und Weise, wie das Triebwerk vom Rest des Fahrzeugs isoliert wird – genauso wichtig wie das Layout selbst. Manchmal sogar noch wichtiger.

Dies ist eine Übersetzung. Das Original können Sie hier lesen: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html