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Luxuslimousinen oder Sportwagen, SUVs oder Pick-up-Trucks – in all diesen Fahrzeugkategorien genießt der Achtzylinder-Verbrennungsmotor in V-Anordnung eine hervorragende Reputation. Je nach Anwendungsfall steht er für Luxus und Komfort oder Sportlichkeit und Emotion. Grund für die Beliebtheit des V8 gegenüber anderen Triebwerkskonfigurationen sind seine prinzipiellen Vorteile.
Der V8 ist nur unwesentlich länger als ein Reihenvierzylinder mit gleichem Zylinderabstand. Der geringe Mehrbedarf an Baulänge ergibt sich aus dem Versatz der beiden Zylinderbänke. Somit ist der V8 auch für Hybridtriebstränge mit zusätzlicher E-Maschine am Kurbelwellenflansch interessant, wie das Beispiel Porsche 918 Spyder zeigt.
Die Aufteilung des Gesamthubraums in viele Einzelzylinder ergibt eine gleichmäßige Drehmomentabgabe und damit Laufruhe. Beim V8 im Viertaktverfahren sind es somit vier Krafthübe je Kurbelwellenumdrehung. Größere Zylinderzahlen bieten noch mehr Laufruhe und dadurch Komfort, haben aber durch eine größere Baulänge und ein höheres Aggregatgewicht Nachteile in der Fahrzeugarchitektur und der Achslastverteilung zur Folge. Bei Sportwagen zum Beispiel lässt sich dies durch eine Mittelmotoranordnung oder bei Frontmotoren durch konsequentes Einrücken eines Zehn- oder Zwölfzylindermotors zur Fahrzeugmitte hin bedingt kompensieren. Für Fahrer und Beifahrer bedeutet das allerdings räumliche Einschränkungen – was wiederum bei Luxuslimousinen kein gangbarer Weg ist. Hier geht die Motorbaulänge vollständig in die Längsgeometrie des Fahrzeugs ein, führt etwa beim V12-Motor zu einem längeren Radstand oder Überhang und somit zu Nachteilen in der Agilität des Fahrzeugs. Sonderbauformen wie der W12 kompensieren diesen Nachteil des klassischen V12, allerdings mit höherem technischem Aufwand. Der klassische V8 stellt also einen guten Kompromiss von geringem Bauraumbedarf bei einfacher Triebwerksarchitektur, hoher Leistungsdichte und hervorragender Laufruhe dar.
Die Grundlagen von V-Motoren
Klassische V-Motoren zeigen ein besonderes Merkmal: Die zwei Pleuelstangen des jeweils gegenüberliegenden Zylinderpaares laufen auf einem gemeinsamen Hubzapfen der Kurbelwelle.
V-Motor mit 90-Grad-Bankwinkel
Dabei spielt der Bankwinkel des V keine Rolle, denn auch bei einigen Motoren mit horizontal gegenüberliegenden Zylindern greifen zwei Pleuel auf einem gemeinsamen Hubzapfen an. Triebwerke wie die des Porsche 917 werden deshalb nicht den Boxer-, sondern den V-Motoren zugeordnet, dann allerdings mit 180 Grad Bankwinkel. Beim Boxermotor, wie er für den Porsche 911 charakteristisch ist, laufen die Pleuel der gegenüberliegenden Zylinderpaare dagegen auf separaten Hubzapfen, die gegeneinander um 180 Grad versetzt sind. Deshalb besitzt das Boxeraggregat in der modernen Architektur auch mehr Kurbelwellenhauptlager als der vergleichbare V-Motor. Die heute übliche Anzahl der Hauptlager ist
> für V-Motoren = (Zylinderzahl: 2) + 1
> für Boxermotoren = Zylinderzahl + 1
Daraus ergibt sich wiederum ein weiterer Unterschied im Versatz der beiden Zylinderbänke: Im V-Motor wird der Bankversatz durch die Breite des Pleuels bestimmt, beim Boxer beträgt er einen halben Zylinderabstand.
Bankwinkel
Der Bankwinkel des V-Motors beeinflusst die Motorhöhe und -breite sowie die Lage des Schwerpunkts in der Hochachse. Idealerweise wird er bei V-Motoren so gewählt, dass sich ein gleichmäßiger Zündabstand ergibt. Für den Viertakt-V8- Motor bedeutet das: 720 Grad Zyklenwinkel, also zwei Kurbelwellenumdrehungen für ein vollständiges Arbeitsspiel geteilt durch die Zylinderzahl 8, ergeben 90 Grad Bankwinkel oder ein ganzzahliges Vielfaches davon.
Derivat mit Kunstgriff: V6-Motor
Der nutzbare Bauraum (oder wenn Fahrzeugplattformen mit V-Motoren unterschiedlicher Zylinderzahl angeboten werden sollen) kann Abweichungen von dieser Regel erfordern. Ein Beispiel dafür ist der V6-Motor: Für eine regelmäßige Zündfolge benötigt dieser Viertaktsechszylindermotor einen Bankwinkel von 120 Grad, was mit einer unerwünscht großen Baubreite verbunden ist. Zusätzlich wird meist der Einbauraum von einer V8-Variante mit 90 Grad Bankwinkel vorgegeben. Folglich wird auch der V6 mit 90 Grad Bankwinkel ausgeführt.
Split-Pin-Kurbelwelle V6
Zur Kompensierung der sich daraus ergebenden ungleichmäßigen Zündfolge bedient man sich eines Kunstgriffs: Der „falsche“ Bankwinkel wird durch einen zusätzlichen Versatz der Hubzapfenkröpfungen an der Kurbelwelle ausgeglichen. Dies erfordert sogenannte Split-Pin-Kurbelwellen oder sogar Einzelkröpfungen, sogenannte Flying Arms, mit einem Winkelversatz um den fehlenden Betrag. Bei einem V6 mit einem Bankwinkel von 90 Grad beträgt dieser folglich 30 Grad.
V6-Kurbelwelle mit Flying Arms
Gestaltung der Kurbelwelle
In der Grundauslegung eines V8-Motors haben die Konstrukteure einen weiteren wichtigen gestalterischen Spielraum: die Anordnung der Kurbelkröpfungen auf der Kurbelwelle. Diese beeinflusst entscheidend die prinzipielle Charakteristik des Triebwerks – sei es sportlich aggressiv oder mit komfortbetonter Laufruhe und Vibrationsfreiheit.
Die Entscheidung bezüglich der Anordnung der Kurbelkröpfungen orientiert sich am Spannungsfeld zwischen maximalem Leistungspotenzial und bestmöglichem Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente. Aufgrund der kinematischen Kopplung im Kurbeltrieb entstehen die Massenkräfte aus der oszillierenden Bewegung von Kolben- und Pleuelmassen. Je nachdem, ob diese Massenkräfte ein- oder zweimal pro Kurbelwellenumdrehung entstehen – etwa durch die Kolbenbewegung auf- oder abwärts –, spricht man von Kräften erster oder zweiter Ordnung der Motordrehzahl. Ergibt sich für die freien Massenkräfte zudem noch ein Hebelarm in Bezug auf die Motormitte, entstehen daraus freie Massenmomente. Freie Massenkräfte und/oder -momente machen sich bei steigender Drehzahl in Form von zunehmenden Vibrationen bemerkbar, die gerade in der ersten und zweiten Ordnung als unangenehm empfunden werden und nur teilweise durch die Motorlager entkoppelbar sind.
Im Wesentlichen kommen in klassischen V8-Motoren daher zwei Kröpfungsvarianten vor: die „flache Kurbelwelle“, bei der alle Hubzapfen auf einer gemeinsamen Ebene liegen (Flat-Plane), und die „Kreuzwelle“, bei der die Hubzapfen der vier Zylinderpaare jeweils in einem Winkel von 90 Grad zueinander (Cross-Plane) stehen.
Flat-Plane-V8-Kurbelwelle
Cross-Plane-V8-Kurbelwelle
Emotionaler Klang: Cross-Plane-V8
Typisch für den Cross-Plane-V8-Motor ist der charakteristische Sound, geprägt durch das emotionale Mündungsgeräusch, oft auch als „Brabbeln“ bezeichnet. Was jedoch für Enthusiasten angenehm klingt, beeinflusst den Gasaustausch im Motor. Ein verlustarmer Ladungswechsel ist aber eine Grundvoraussetzung für die optimale Ausnutzung des Hubraums in puncto Zylinderfüllung und Liefergrad und damit des Leistungspotenzials. Grundsätzlich kann der Ladungswechsel durch zwei Effekte behindert werden:
> Strömungswiderstände in Ein- und Auslassstrecke oder
> unvollständiger Gasaustausch und damit eine Restgasmenge im Zylinder.
Heißes Restabgas fördert zudem bei Ottomotoren die Neigung zu harter, explosionsartiger Verbrennung nach der Zündung, dem sogenannten Klopfen. Anhaltendes Klopfen führt unausweichlich zu Kolbenschäden. Um dies unter allen Umständen zu vermeiden, muss eine Klopfregelung entsprechend eingreifen – die Zündung kann damit aber nicht mehr zum thermodynamisch optimalen Zeitpunkt erfolgen, was zu entsprechenden Einbußen im thermischen Wirkungsgrad führt.
Ein V8-Motor mit Cross-Plane-Kurbelwelle weist dieses Restgasproblem in besonders ausgeprägter Form auf. Trotz der im Allgemeinen gleichmäßigen Zündfolge beim Gesamtmotor mit 90-Grad-Bankwinkel verbleibt eine ungleichmäßige Zündfolge je Zylinderbank. Dabei zünden zwangsläufig immer zwei Zylinder einer Bank direkt nacheinander (90-Grad-Zündabstand). Konkret bedeutet das, dass der Auslass-Druck-Impuls des späteren Zylinders bereits erfolgt, wenn die Auslassventile des vorher gezündeten Zylinders noch offenstehen. Folglich wird Abgas in diesen Zylinder zurückgedrückt, wodurch die Qualität des Ladungswechsels leidet.
Laufruhe und Vibrationsfreiheit
In der Praxis konnte dieser Nachteil bisher nur mit höherem Aufwand kompensiert werden: zum Beispiel durch entsprechend große Längen der einzelnen Abgaskrümmerrohre – hier liegen die Grenzen jedoch meist im Fahrzeug-Package – oder durch bankübergreifende Abgaskrümmer für V-Motoren, bei denen die Auslassseite im V-Winkel liegt. Im Rahmen eines aktuellen V8-Motorenprojektes hat Porsche Engineering an dieser Stelle erstmals neue Wege beschritten. Mit spezifischen Steuerzeiten für jeden einzelnen Zylinder wird das Restgasproblem mit minimalem Aufwand eliminiert. Sowohl in der Simulation als auch am Motorprüfstand konnte dies eindrucksvoll nachgewiesen werden.
Der Cross-Plane-V8-Motor punktet dagegen traditionell im zweiten wichtigen Kriterium: Laufruhe und Vibrationsfreiheit. Bezüglich der freien Massenkräfte und -momente ist die Cross-Plane-Anordnung ideal. Zwar verbleibt ein freies Massenmoment erster Ordnung, dieses kann aber relativ einfach durch Ausgleichsmassen auf den äußeren Gegengewichten der Kurbelwelle kompensiert werden. So entsteht ein perfekter Ausgleich.
Der doppelte Vierzylinder: Flat-Plane-V8
Die Kurbelwelle für den Flat-Plane-V8-Motor sieht aus wie die eines Reihenvierzylinders – bis auf die breiten Hubzapfen, die beim V8 zwei Pleuel führen. Die Ähnlichkeit zum Vierzylinder kommt nicht von ungefähr: Der Flat-Plane-V8 verkörpert den initialen Gedanken, der zur Entwicklung von V8-Motoren führte, zwei Reihenvierzylinder in Winkelanordnung zu kombinieren. Daraus resultieren auch die grundsätzlichen Vor- und Nachteile dieser Konfiguration. Die freien Massenkräfte des Vierzylinders bleiben in der zweiten Ordnung erhalten und summieren sich in der V-Anordnung vektoriell. Der Ladungswechsel wird dagegen deutlich harmonischer. Die Zündung beim Flat-Plane-V8 springt von einer Zylinderbank zur nächsten, wodurch die Restgasproblematik des Cross-Plane-V8 entfällt. Aufgrund des gleichmäßig wechselseitigen Ausschiebens der Abgase ergibt sich aber auch ein völlig eigenständiger Motorensound, der nach eben zwei Reihenvierzylindern klingt – schrill und aggressiv. Aus der Summe dieser Eigenschaften qualifiziert sich der Flat-Plane-V8 mehrheitlich für den Einsatz in Hochleistungssportwagen wie etwa dem 918 Spyder.
Unterschiedliche Zündfolgen je nach Hersteller
Während der Zündabstand den Kurbelwellendrehwinkel angibt, der zwischen der Zündung zweier Zylinder zurückgelegt wird, definiert die Zündfolge die eindeutige Sequenz der Zylinder nacheinander. Bank- und Kröpfungswinkel lassen dabei als geometrisch fixe Größen nur bestimmte Reihenfolgen zu. Die jeweilige Anordnung definiert, welcher Kolben wann seinen oberen Totpunkt (OT) durchläuft. Zündfolgen von Flat- und Cross-Plane-Motoren unterscheiden sich deshalb prinzipiell. Moderne Flat-Plane-V8-Motoren feuern fast durchgängig in identischer Sequenz; bei den Cross-Plane-V8-Motoren sind es hingegen im Wesentlichen fünf herstellerspezifische Zündfolgen. Dabei ist bereits ein Umstand berücksichtigt, der leicht Verwirrung stiften kann: Weltweit gibt es unterschiedliche Definitionen, welcher Zylinder als erster gezählt wird und wie die weiteren Brennräume beziffert werden. Dadurch ergeben sich scheinbar andere Zündfolgen. Um diese Effekte der unterschiedlichen Zylinderzählung bereinigt, reduziert sich die Varianz der Zündfolgen verschiedener Hersteller deutlich.
Acht mögliche Zündfolgen
Beginnt man die Zündfolgenzählung stets mit Zylinder 1 nach DIN 73021, ergeben sich beim Flat-Plane-V8 theoretisch je Drehrichtung acht mögliche Zündfolgen. Beim Cross-Plane-Motor sind es 16, da hier die Winkellage der mittleren Hubzapfen austauschbar ist. Jedoch wird nicht jede theoretisch mögliche Zündfolge auch praktisch umgesetzt. Ziel ist stets der bestmögliche Kompromiss zwischen folgenden Kriterien:
> Ladungswechsel
> Beanspruchung der Kurbelwellenhauptlager
> Schwingungsanregung des Kurbeltriebs durch Verformung der Kurbelwelle unter Last
> Drehungleichförmigkeit
Porsche Engineering hat den Zielkonflikt der optimalen Zündfolge sowohl für Flat-Plane als auch Cross-Plane-V8-Motoren eingehend analysiert. Flat-Plane-Motoren feuern nahezu alle gleich, wobei sich auch bei abweichender Reihen folge immer ein Banksprung verwirklichen lässt. Auch das Ergebnis für die Cross-Plane-Varianten überrascht nicht: Gerade mit Fokus auf die maximale Robustheit der Kurbelwellenlagerung ist die Zündfolge 1-3-7-2-6-5-4-8 die beste Wahl in der Summe der Eigenschaften – dies ist auch die Zündfolge aller Cross-Plane-V8-Motoren von Porsche seit dem 928. Dennoch haben auch die anderen ausgeführten Zündfolgen ihre Berechtigung, hier variieren die Schwerpunkte der Hersteller bei ihren Konzeptentscheidungen. Bei den Analyseergebnissen zeigt sich ein weiterer interessanter Punkt: Es gibt bestimmte Zündfolgen, die nie in der Realität umgesetzt wurden, aber ebenfalls eine sehr gute Ausgewogenheit in der Erfüllung der genannten Zielkriterien zeigen.
Theoretisch mögliche Zündfolgen fur eine Drehrichtung beim Cross-Plane-V8
Fest steht in jedem Fall: Auch im Wettbewerb verschiedenster Antriebe für zukünftige Mobilitätskonzepte wird der V8 seinen festen Platz bei der Motorisierung hochwertiger Fahrzeuge behalten – nicht nur als Ikone, sondern aufgrund der Summe seiner technischen Eigenschaften.
Info
Text erstmalig erschienen im Porsche Engineering Magazin 1/2017.
Text: Matthias Penzel, Vincenzo Bevilacqua, Thomas Raab
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Quelle: Porsche Newsroom