Automobilmotoren im Fokus: einreihige, V-förmige und Boxermotoren

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts, in der Blüte der Design-Gedanken, konnte der Motor mit einem Volumen von 10 Liter sowohl mit einem Zylinder, als auch mit einer Reihenanordnung von acht Zylindern sein. Damals war es üblich, das Auto mit einem 23-Liter-Reihensechszylinder-Motor auszustatten oder sogar einen Radialmotor aus dem Flugzeug zu stopfen.

Doch das Wachstum der Produktionskapazitäten, die Umsätze und der hektische Kampf um die Senkung der Kosten haben alles an seinen Platz gebracht. Der konventionellste Einzylinder-Motor ist in Vergessenheit geraten. Jetzt variiert die Standardkapazität eines Automobilmotors zwischen 300 und 600 Kubikzentimetern. Die Leistung reicht von 35 PS/l für nicht-aufgeladene Dieselmotoren und bis zu 100 PS/l für aufgeladene Motoren.

Für die Serienproduktion sind dies die optimalen Werte, über die man nicht hinausgehen kann. Heutzutage, wenn das Auto mit einem 100-PS-Motor ausgestattet ist, wird es in den meisten Fällen vier Zylinder haben, 200-PS kann vier, fünf, sechs Zylinder rühmen, und 300-PS — acht… Aber wie positioniert man diese Zylinder? Einfach ausgedrückt, nach welchem Schema muss man einen Mehrzylindermotor schaffen?

Einfachheit ist schlechter als Kompaktheit

Worum sind die Designer besorgt? In erster Linie, um die Konstruktion des Motors zu vereinfachen, um die Kosten für die Produktion zu reduzieren und das  wartungsfreundlich zu machen? Die einfachste der Motoren ist der Reihenmotor.  Um das gewünschte Volumen zu erreichen, ist es notwendig, eine bestimmte Anzahl von Zylindern in einer Reihe zu platzieren. Autos mit einem Zwei-Dreizylinder-Motor sind noch selten, aber dieser Trend gewinnt an Popularität. Dazu tragen fortschrittliche Mischsysteme und der Einsatz von Turboaufladung bei (wie zum Beispiel beim 85 PS starken Fiat 500 Zweizylinder-Turbomodell). Aber der Reihenvierzylinder ist mit einem Volumen von 1 bis 2.4 Litern in die Massenspanne von PKW geraten.

Fünfzylinder – Reihenmotoren sind in der Serienproduktion relativ vor kurzem — in der Mitte der 70er Jahre. Das erste dieser Autos war Mercedes-Benz mit seinen Diesel “Fünfer” — sie erschienen im Jahr 1974 (auf dem Modell 300B mit dem W123 Chassis). Zwei Jahre später wurde der Öffentlichkeit der Vierzylinder-Zweiliter-Benziner von Audi vorgestellt. Und in den späten 80er Jahren wurden solche Motoren in den Werken von Volvo und Fiat hergestellt.

Die Sechszylinder-einreihige Motoren, die bis heute in Europa beliebt waren, können nun wirklich als bedrohte Arten bezeichnet werden. Und eine Reihe von acht so noch mehr. Die Hersteller verabschiedeten sich in den 30er Jahren von ihr. Aber warum?

Die Antwort ist einfach. Je mehr Zylinder, desto länger wird der Motor, und dies ist mit einigen Unannehmlichkeiten bei der Platzierung verbunden. Zum Beispiel war es nur in ein paar Fällen möglich, den Sechser entlang des Motorraums des Vorderradfahrzeugs zu quetschen. Der erste Fall war der Austin Maxi 2200 Mitte der 60er Jahre (die Designer mussten das Getriebe unter dem Motor verstecken). Der zweite kommt dem Volvo S80 mit einem ultrakompakten Getriebe.

Wie kann man den Reihenmotor verkürzen? Sie können es in zwei Hälften “sägen”, beide Teile nebeneinander platzieren und so machen, dass sie an einer Kurbelwelle arbeiten. Solche Motoren, in denen die Zylinder in der Form des lateinischen Buchstaben V angeordnet sind, sind zweimal kürzer als ähnliche Reihen — die häufigsten Motoren mit einem Winkel von 60° und 90°. Der V-förmige Motor mit einem Sturzwinkel von 180°, in dem die Zylinder gegenübereinander angeordnet sind, wird als der Motor mit gegengesetzten Zylindern bezeichnet (oder “Boxer” — die Bezeichnungen B2, B4, B6 stammen aus dem Wort “Boxer”).

Solche Motoren sind komplizierter als Reihen — zum Beispiel haben sie zwei Zylinderköpfe (wobei jeder mit seiner Dichtung und Kollektor), mehr Nockenwellen und dementsprechend komplexere Antriebskonfigurationen. Die Motoren mit gegengesetzten Zylindern nehmen zudem viel Platz in der Breite ein. Aus Gründen der Bauweise werden solche Motoren daher selten verwendet.

Und was ist mit dem V-Reihenmotor? Wie macht man es noch kompakter? Eine der einfachsten Lösungen besteht darin, den Winkel des Zusammenbruchs des Blocks auf weniger als 60° einzustellen. Und tatsächlich waren solche Motoren, aber selten — sie können sich an den Lancia Fulvia der 70er Jahre mit V4-Motoren erinnern. Der Winkel des Zusammenbruchs dieses Autos war gleich 23°. Warum haben die Autobauer das nicht genutzt? Denn vor ihnen steht immer eine andere Aufgabe — der Kampf gegen Schwingungen.

Über Kraft und Drehmoment

Ohne Vibrationen kann der Kolbenverbrennungsmotor nicht arbeiten. So ist es angeordnet. Aber man kann es kämpfen. Und nicht nur, um den Komfort der Passagiere zu erhöhen. Starke unausgeglichene Vibrationen führen zur Zerstörung von Motorteilen. Mit allem, was dazugehört. 

Warum entstehen die Vibrationen? Erstens treten in einigen Motorkonfigurationen Ausbrüche in Zylindern ungleichmäßig auf. Die Konstrukteure versuchen mit allen Mitteln, das Schwungrad massiver zu machen, um die Pulsationen des Moments zu glätten. Darüber hinaus während der Bewegung der Kolben nach oben und unten machen sie dann Beschleunigung, dann Bremsen, was zu Trägheitskräften führt — ähnlich der Tatsache, dass die Passagiere verbeugen sich beim Bremsen oder drücken sie in den Rücken der Sitze bei der Beschleunigung.  Drittens macht die Pleuel im Motor eine komplexe Bewegung, anstatt sich einfach auf und ab zu bewegen. Und die Hin- und Herbewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren kann nicht mit einer einfachen Sinuswelle beschrieben werden. 

Daher erscheinen unter den Trägheitskräften die Komponenten mit einer doppelten, dreifachen oder vierfachen Kurbelwellengeschwindigkeit. Diese sogenannten Trägheitskräfte von höheren Ordnung werden in der Regel nicht berücksichtigt, da sie im Vergleich zur führenden Trägheitskraft (der die erste Ordnung zugewiesen ist) sehr gering sind. Die Ausnahme sind Trägheitskräfte zweiter Ordnung, die berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus bilden Paare von Kräften, die in einer bestimmten Entfernung angewendet werden, den Moment. Dies geschieht, wenn die Trägheitskräfte in benachbarten Zylindern multidirektional sind.

Wie kann man, Kraft und Moment auszugleichen? Erstens kann man eine Konfiguration des Motors, in dem die Zylinder und Kurbelwellen so angeordnet sind wählen, um die Kräfte und Momente gegenseitig auszugleichen — sie werden immer gleich und gegeneinander gerichtet sein.

Was aber, wenn keine der ausgeglichenen Regelungen passt, zum Beispiel aus baulichen Gründen. Dann können Sie versuchen, die Position der Kurbelwelle zu ändern und verschiedene Arten von Gegengewichten, die Kräfte und Momente gleich in der Größe, aber in der Richtung der wichtigsten Ausgleichskräfte entgegengesetzt zu schaffen. Manchmal ist dies möglich, wenn Sie die Gegengewichte auf der Kurbelwelle des Motors platzieren. Und manchmal — auf zusätzlichen Wellen, die als Ausgleichswellen der Abwehr genannt werden.  Sie haben ihren Namen bekommen, weil sie sich in die entgegengesetzte Richtung der Kurbelwelle drehen. Dies führt jedoch zu einer Preiserhöhung des Motors und einer Komplikation seiner Konstruktion.

So stellt sich heraus, dass unter den typischen Motoren gibt es nur zwei völlig ausgeglichen — Reihen- und “sechs” Boxermotor. Verstehen Sie jetzt, warum BMW und Porsche an solchen Motoren festhalten? Über die Gründe, warum andere Autohersteller nicht mit ihnen in Verbindung gebracht werden, haben wir oben erzählt. Lassen Sie uns den Rest der Konfiguration genauer betrachten.

Ausgeglichene und nicht so ausgeglichene Motoren

Unter den Motoren mit zwei Zylindern verwenden derzeit nur ein-Zweizylinder-Reihenmotor mit Kurbelwelle, in dem die Kurbeln einseitig (wie, zum Beispiel, auf “Oka”). Offensichtlich ist dieser Motor dem Einzylinder in Bezug auf die Balance ähnlich, da sich beide Kolben gleichzeitig und synchron nach oben und unten bewegen. Um die freien Trägheitskräfte erster Ordnung auszugleichen, wurden in der Konstruktion des sowjetischen “Oka” Motors zwei Wellen mit Gegengewichten verwendet — links und rechts von der Kurbelwelle. Was ist mit den Kräften zweiter Ordnung? Um sie zu bewältigen, müsste der Hersteller zwei zusätzliche Ausgleichswellen hinzufügen, was bei einem ursprünglich für den Einsatz in kompakten und kostengünstigen Autos konzipierten Zweizylinder-Motor völlig fehl am Platz wäre.

Aber das ist nicht mal die Spitze des Eisbergs, denn viele Zweizylinder-Motoren hatten seinerzeit gar keine Ausgleichswellen. Nehmen Sie zum Beispiel einen Fiat 500 von 1957 Baujahr. Ja, es gab Vibrationen. Der Autobauer versuchte sie mit der Aufhängung des Triebwerks zu löschen…Aber der Motor war dabei einfach und billig! Die Verfügbarkeit von Zweizylinder-Motoren lockt viele Designer heute an. Denn nicht umsonst wurde dieses Schema von den Konstrukteuren des preisgünstigsten Autos der Welt verwendet — dem indischen Fließheck Tata Nano.

Heutzutage kann ein Zweizylinder-Motor mit multidirektionalen Kurbeln nur auf Motorrädern gefunden werden. Es ist besser ausgeglichen, da sich die Kolben darin in der Gegenphase bewegen. Eine gleichmäßige Verteilung der Blitze in den Zylindern kann jedoch nur mit Zweitaktmotoren erreicht werden — diese wurden einst auf die Vorkriegs DKWs und ihre direkten Erben, die Kunststoffgadeer Trabanten, eingebaut. Ihre Kosten waren niedrig, so dass keine Ausgleichswellen die Rede sein konnte. Der Fahrer musste sich mit ständigen Vibrationen auseinandersetzen.

Das einzige Auto mit einem Zweizylinder-V-Motor, der in den Sinn kommt, ist der inländische NAMI-1. Bis heute ist es nur auf Motorrädern angekommen — erinnern Sie sich an die legendäre Harley Davidson und seine japanischen Nachfolger mit ihren V-förmigen Motoren in ihrer ganzen Chrom-Pracht. Ein solcher Motor kann fast vollständig mit Hilfe von Gegengewichten auf der Kurbelwelle ausgeglichen werden, aber es ist unmöglich, eine gleichmäßige Verteilung der Blitze zu erreichen. Es ist toll, dass es den Bikern nicht um Vibrationen geht….

Ein Dreizylinder-Motor ist schlechter ausgewogen als ein Reihenvierzylinder. Deshalb versuchen Autohersteller wie Subaru und Daihatsu, sie mit Ausgleichswellen auszustatten. Die Opel-Ingenieure beschlossen seinerzeit, für die zweite Corsa-Generation auf letztere zugunsten eines Dreizylinder-Motors aus der Ecotec-Familie zu verzichten. Ihr Ziel war es, Kosten und mechanische Verluste zu reduzieren. Die deutschen Journalisten haben den Dreizylinder-Corsa nach seinem Debüt im Jahr 1996 in die Luft gesprengt und gesagt: “Es ist absolut unmöglich, in variablen Modi durch die Stadt zu fahren.”

In der beliebtesten unter den Konstrukteuren von Motoren vierer-Reihen  die Trägheitskraft zweiter Ordnung bleibt frei. Man kann ihr nur mit einer Ausgleichswelle ausgeglichen werden, die sich mit doppelter Geschwindigkeit dreht. (Sie erinnern sich, dass die Trägheit der zweiten Ordnung mit der doppelten Frequenz wirkt?). Und um das Drehmoment von der Ausgleichswelle zu kompensieren, muss eine weitere in die entgegengesetzte Richtung drehende Welle installiert werden. Aufwendig? Nä und ob! Die Motoren mit Ausgleichswellen sind jedoch bei Mitsubishi -, Saab -, Ford -, Fiat- und Volkswagen-Fahrzeugen zu finden. 

Übrigens ist der Boxer-Vierzylinder-Motor ausgeglichener als der einreihige — hier gibt es nur ein Moment von den Trägheitskräften zweiter Ordnung, die den Motor um eine vertikale Achse drehen wollen. Doch der luftgekühlte Motor des Kult “Käfers”, zusammen mit den berühmten “Boxern” des Subaru, hat sich perfekt entwickelt und ist bis heute ohne Ausgleichswellen auskommen.

Bei den Fünfer-Reihen mit Ausgeglichenheit ist nicht alles so glatt. Die Trägheitskräfte werden ausgeglichen, aber hier ist der Moment von diesen Kräften… Während des Betriebs des Motors auf dem Block “läuft” die Welle des Biegemoments, so muss der Block ziemlich steif sein. Sowohl Mercedes als auch Audi und Volvo bewältigen die Vibrationen jedoch durch eine Änderung der Aufhängung des Triebwerks oder durch die Verwendung spezieller Gegengewichte (wie bei der 2.5-Liter-Version des TFSI im Audi TT RS). Und nur die Konstrukteure von Fiat verwendeten eine Ausgleichswelle, die alle Momente vollständig harmonisierte.

Übrigens werden fast alle Fünfzylinder-Motoren durch Zugabe eines zusätzlichen Zylinders zum Vierzylinder-Motor gebildet — ganz wie Würfel im Kinderkonstruktor. Das Ziel in diesem Fall ist es, leistungsfähigere Motoren mit minimalen Produktions- und Konstruktionskosten zu erhalten. Dabei kann die Füllung inklusive Kolben, Gelenkwellen, Ventile usw. vom Vierzylinder-Motor ausgeliehen werden. Sie benötigen einen anderen Block und Zylinderkopf und natürlich eine Kurbelwelle, deren Kurbeln in einem Winkel von 72° angeordnet sein müssen.

Wir haben schon gesprochen über den Traum in Bezug auf die Balance-Sechszylinder-Motoren. Aber in V6-Motoren, die die “Sechser“-Reihen  verdrängen, sind die Dinge mit dem Gleichgewicht nicht besser als die der Dreizylinder-Motoren. Daher der erste Motor von Mercedes-Benz V6, der legendäre M112 mit drei Ventilen pro Zylinder, wurde mit einer Ausgleichswelle im Kollaps des Zylinderblocks ausgestattet. Der Dreiliter-Sechszylinder des PSA-Konzerns wurde mit einer Welle in einem der Blockköpfe ausgestattet. Damals versuchten die Ingenieure, die Konstruktion bei vielen Motoren nicht zu erschweren und die Vibrationen durch die verbesserte Aufhängung des Triebwerks und die komplizierte versetzte Anordnung der Kurbelfinger (wie zum Beispiel bei Audi V6) auf ein Minimum zu reduzieren.

Hinzu kommt noch ein Punkt — bei V6-Motoren mit einem 90°-Neigungswinkel ist es nicht möglich, einen gleichmäßigen Wechsel der Blitze in den Zylindern zu erreichen. Die dabei entstehende Ungleichmäßigkeit des Hubes kann mit Hilfe eines Schwungrades mit Gewichtung aber teilweise ausgeglichen werden. Hier ist eine weitere Quelle der Vibration…

V8-Motoren mit einem Sturzwinkel und einer Kurbelwelle, deren Kurbeln in zwei zueinander senkrechten Ebenen angeordnet sind, zeichnen sich durch eine gute Balance aus. In einem solchen Motor ist es möglich, einen gleichmäßigen Wechsel der Blitze zu erreichen, was auch zu einem reibungslosen Lauf beiträgt. Zwei Punkte bleiben unausgeglichen. Aber sie können sie mit Hilfe von zwei Gegengewichten auf der Kurbelwelle beruhigen — an den Wänden der extremen Zylinder. Jetzt verstehen Sie, warum Amerikaner den ganzen Charme von V-förmigen Motoren ausprobiert haben? Vibrationen und Schütteln gefallen ihnen  gar nicht…

Am Ende werden wir über Nicht-Standard-Systeme sprechen. Erstens kommen mir die V4-Motoren in den Sinn. Solche können an den Fingern gezählt werden — europäische Ford 60-x (sie wurden mit Autos Ford Taunus, Capri und Saab 96 ausgestattet), sowie ein Wunder-Motor der sowjetischen “Zaporozhets”. In diesem Fall musste eine Ausgleichswelle für das Moment von den Trägheitskräften erster Ordnung angewendet werden. Was auch immer die Konstrukteure der oben genannten Autos bevorzugen dieses Schema nicht aus Gründen der Balance, sondern auf der Grundlage der Kompaktheit und teilweise Einsparungen.

Und was ist mit den V-förmigen Zehn-Zylinder-Motoren? Der Grad des Gleichgewichts solcher Motoren ist den Motoren R5 ähnlich. Doch die Konstrukteure der vergangenen Formel-1-Motoren oder der mit V10-Motoren ausgestatteten Dodge Viper und Dodge RAM haben zuletzt an Schwingungen gedacht.

Und der Rest des Schemas kann auf die vorherigen reduziert werden. Zum Beispiel ist die “Achter” Boxermotor (Anwendungsbeispiel — Rennwagen Porsche 917) zwei “vier”, die auf einer Kurbelwelle arbeiten. Und die V-förmigen und Boxermotoren mit Zwölfzylinder-Motoren können auf zwei “Sechser”-Reihen reduziert werden.

VR6, VR5, W12…

Denken Sie daran, wir erwähnten V-förmigen Motoren mit einem kleinen Winkel des Zusammenbruchs des Blocks — wie auf dem Lancia? Früher wurden solche Systeme umgangen, da es viel schwieriger ist, sie auszugleichen, als Motoren mit einem Zusammenbruch in 60° oder 90° , und die Zunahme der Kompaktheit wurde damals nicht von allen geschätzt.

Jetzt hat sich die Situation grundlegend geändert. Erstens wurden die Hydrolager des Triebwerks weit verbreitet, die die Vibrationen erheblich unterdrücken. Zweitens ist der Platz unter der Haube jetzt für das Gewicht von Gold. Denken Sie nur, wer konnte sich vorstellen, ein normales Fließheck mit 2.8-Liter-Motor? Und jetzt gesegnete Mahlzeit!  Und alles begann mit der dritten Generation von Volkswagen Golf VR6.

Legendärer Motor VR6, “V-förmiger-reihiger” (wie der Buchstabe VR sagt), wurde die logische Fortsetzung von V-förmigen Motoren mit einem kleinen Winkel des Zusammenbruchs des Blocks. Die Zylinder dieses Motors sind in einen noch kleineren Winkel geteilt — als vergleichbar auf Lancia — nur auf 15°. Der Winkel ist so klein, dass ein solcher Motor auch als “versetzt-reihiger” bezeichnet wird. Eine phänomenale Lösung — die Verwendung von 2.8-Liter “Sechser”, die kompakter ist als ein herkömmlicher V6-Motor, und außerdem einen einzigen Blockkopf hat! Später erschien der VR5-Motor. Es ist der gleiche VR6, von dem ein Zylinder abgeschnitten wurde. Danach verrücktspielten die Ingenieure des Volkswagen-Konzerns. 

Sie entwickelten einen ultrakompakten W12-Motor, der 1998 zum ersten Mal auf dem W12 Roadster Concept Car erschien. Dies sind zwei V6-Motoren, die in einem Winkel von 72° an der Kurbelwelle angeordnet sind. Aber lange zuvor begann die Serienproduktion des Motors W8, mit dem das Topmodell der Passat-Limousine ausgestattet war. Es gibt auch zwei VR6-Motoren, von denen zwei Zylinder abgeschnitten sind und die ebenfalls in einem Block auf einer Kurbelwelle kombiniert sind. Einmal in Wolfsburg dachte man über die Schaffung eines Achtzehnzylinder-Motor, aber am Ende blieb auf der W16 mit vier Turbolader, die den Bugatti Veyron auf 431 km/h beschleunigt.

Warum gab es solche Motoren vorher nicht? Schauen Sie sich zum Beispiel die Kurbelwelle des W12-Motors an — so etwas wird keinem Technologen auf der Welt in den Sinn kommen! Den Entwicklern der neuen Schaltungen soll ein Computer helfen. Ohne sie ist es schwierig, die möglichen Optionen für den Winkel des Zusammenbruchs des Blocks, die Position der Finger der Kurbel, die Reihenfolge der Blitze in den Zylindern zu berechnen und die ausgeglichenste zu wählen.

Theorie und Praxis

Wie Sie sehen können, setzen die Designer bei der Auswahl des Antriebsstrangschemas nicht die Balance in den Vordergrund. Die Hauptaufgabe besteht darin, einen solchen Motor erfolgreich in den Motorraum zu integrieren, der das beste Verhältnis von Masse, Abmessungen und Leistung hat. Heutzutage bauen die Motoren meistens nach dem modularen Prinzip. Einfach gesagt, auf einer Kolbengruppe kann man jeder Motor bauen — sowohl der Dreizylinder als auch der W12. Dem Beispiel von Volkswagen folgen immer mehr Autohersteller. Die neueste Motorenpalette von Mercedes ist eine große Bestätigung dafür.

Und erstens ist es wichtig, zwischen theoretischer und tatsächlicher Ausgeglichenheit zu unterscheiden. Wenn die Kurbelwelle komplett mit einem Schwungrad nicht ausgewogen ist, und die Kolben mit Kardanwellen unterscheiden sich signifikant im Gewicht, wird sogar “sechser”-Reihe schütteln. Letztlich ist die tatsächliche Balance immer schlechter als die theoretische wegen der Abweichung der Teile von den Nenngrößen und aufgrund der Verformung der Aggregate unter Last. So werden die Vibrationen unabhängig von der verwendeten Schaltung aus dem Motor “herausgezogen”. Daher legen Konstrukteure so viel Wert auf die Aufhängung des Triebwerks. Die Konstruktion und Anordnung der Motorstützen in der Tat sind nicht weniger wichtiger Faktor als der Grad der Balance des Motors selbst…

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