Motorenkonzepte vom 2 bis 16-Zylinder: Trend zum Downsizing

Warum laufen manche Benziner geschmeidiger als andere? Was formt ihren charakteristischen Sound? Warum lassen sich einige Triebwerke dem Klang nach zweifelsfrei bestimmen – andere jedoch nicht?

Benziner kommen heute im Auto nur als Viertakter zum Einsatz, wobei bei einem Arbeitsspiel (Ansaugen, Verdichten, Verbrennen, Ausstoßen während zweier Kurbelwellenumdrehungen) nur einmal gezündet und damit Kraft erzeugt wird. Doch die Bauformen unterscheiden sich erheblich in Anzahl der Zylinder (2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 oder gar 16) und in ihrer Anordnung (in Reihe, in V- oder in Boxer-Form). Welche Kombination eingesetzt wird, hängt von der geforderten Leistung sowie dem zur Verfügung stehenden Bauraum und Budget ab. Allerdings sind die meisten Kombinationen nicht frei von Vibrationen, die andererseits den Motorcharakter beeinflussen.

Die Hauptursache ist das Umlenken der Bewegung des auf- und abwärts oszillierenden Kolbens in die rotierende Bewegung von Kurbelwelle und Schwungrad. Die dadurch entstehenden Massenkräfte und -momente heben sich je nach Konstruktion nur teilweise auf. Die Regel: Je mehr Zylinder und damit Verbrennungen, desto laufruhiger. Ein gewisser Anteil lässt sich auch durch Maßnahmen wie Gegengewichte und Ausgleichswellen minimieren.

Dies sind Phänomene der Mechanik. Doch interessanterweise wirken sie sich auch auf die Akustik aus. Ob ein Motor ausgeglichen läuft, lässt sich häufig schon am reinen Klang hören. Ebenso, ob er drehfreudig ist und gut am Gas hängt. Derartige Beobachtungen machen Motorentwickler häufig – etwa, wenn sie Auspuffanlagen abstimmen. Der für Fans schönste Klang sorgt bei Sportwagen nicht selten für die höchste Leistungsausbeute.

Was bedeutet die dritte Ordnung?

Und weil der Sound den Fahrspaß wesentlich unterstützt – oder einschränkt –, widmen sich Ingenieure der Akustik. Den Grundcharakter des Motorklangs gibt die Zündfolge vor, auch Motorordnung genannt. Ein Sechszylinder hat seinen Grundton beispielsweise in der dritten Ordnung. Die Zündordnung ergibt sich aus der Zahl der Zündungen pro Kurbelwellenumdrehung; bei einem Sechszylinder-Viertakter sind das drei. Neben dem Grundton kommen noch die Vielfachen (höhere Ordnungen) vor.

Fiat 500 mit zwei Zylindern

Einen Einzylinder gibt es bei Großserienautos derzeit nicht, wohl aber einen Zweizylinder-Reihenmotor – mechanisch nicht sonderlich komplex, dafür günstig, kompakt in den Abmessungen und somit ideal für einen Kleinwagen wie hier den Fiat 500.

Da stört es auch wenig, dass das Triebwerk ziemlich unruhig läuft. Bei Fiat röhrte bereits in den 50er-Jahren ein Zweizylinder im Modell 500. Dessen blechernes Sägen wurde allerdings kultiviert. Geblieben ist der leicht rappelige Ton – und ein akustisches Phänomen: Man hat ständig das Gefühl, der Motor würde untertourig laufen, was ein Blick auf den Drehzahlmesser aber widerlegt. Es wird vom großen Zündabstand (eine Zündung pro Umdrehung) hervorgerufen. Man muss sich erst daran gewöhnen, bis man wieder nach Gehör schalten kann.

Das Fiat-Triebwerk ist ein sogenannter Twin; beide Kolben bewegen sich parallel, aber mit 360 Grad Zündversatz. Für ordentliche Leistungsausbeute sorgt ein Turbolader, für Effizienz elektrohydraulisch betätigte Einlassventile. Natürlich erzeugen die im Gleichtakt laufenden Kolben deutliche Vibrationen; eine Ausgleichswelle mindert hier die freien Massenkräfte auf ein erträgliches Niveau.

Im Mini Cooper knurrt ein halber Sechszylinder

Ähnlich wie der Zwei- ist der Dreizylinder im Auto eher Wiederentdeckung als Neuerfindung. Gegenüber dem Zweizylinder verbessert sich der Massenausgleich deutlich, der Zündabstand beträgt nur 240 statt 360 Grad.

Richtig ist, dass ein Dreizylinder wie ein halbierter Reihensechszylinder arbeitet; doch von dessen samtiger Laufruhe ist das Triebwerk im Mini Cooper weit entfernt. Ab Leerlauf verrät sich die Zylinderzahl mit dem charakteristischen Knurren; es wechselt später in ein Nähmaschinen-Surren. Und wie beim Zweizylinder verschätzt man sich in der Drehzahl. Auch hier liegt der Grund in der niedrigen Zündordnung; es ist die eineinhalbfache, was sich aus der rechnerischen Anzahl der Verbrennungsereignisse – so der Fachbegriff – pro Kurbelwellenumdrehung ergibt.

Die Renaissance des Dreizylinders erklärt sich einfach: Er benötigt weniger Bauteile als ein Vierzylinder, was ihn günstiger und leichter macht. Zudem ist die innere Reibung geringer – das drückt den Verbrauch. Dennoch lassen sich dank Aufladung zukünftig hohe Literleistungen von bis zu 150 PS erzielen.

Der Dreizylinder ist der typische Downsize-Motor; alle Großserienhersteller haben ihn bereits im Programm oder entwickeln zumindest daran – auch für die Mittelklasse.

VW Golf GTI mit vier Zylindern

Freie Massenkräfte lassen den VW Golf GTI ab 5.500/min dröhnen. Beim Viertaktmotor zündet erst in Triebwerken mit mindestens vier Zylindern wenigstens ein Zylinder pro Takt. Weil die inneren Kolben im 180-Grad-Versatz zu den äußeren laufen, entstehen beim Vierzylinder weder freie Massenkräfte noch -momente erster Ordnung. Zudem benötigt das Triebwerk wenig Bauraum, was es für den heute bevorzugten Quereinbau in Klein- und Kompaktwagen prädestiniert und zum Bestseller unter den Motorbauformen macht.

Dass ein Vierzylinder trotzdem nicht wie in Watte gepackt läuft, liegt an den freien Massenkräften zweiter Ordnung, die Drehschwingungen und damit Vibrationen hervorrufen. Diese lassen sich jedoch beispielsweise durch zwei gegenläufig zur Kurbelwelle rotierende Ausgleichswellen wirksam bekämpfen.

Dennoch bleibt der charakteristische Klang: Bei hohen Drehzahlen erscheint der Vierzylinder dröhnig – ein Phänomen, das auch der Zweiliter im hier gezeigten VW Golf GTI kennt. Doch bis etwa 5.500/min haben die Ingenieure dem Turbo-Direkteinspritzer gute Manieren anerzogen; zunächst tönt er so vernuschelt, dass sich eine Zylinderzahl nicht zuordnen lässt.

Über kurz oder lang wird der Dreizylinder den Reihenvierer als Bestseller in der Kompaktklasse verdrängen. Letzterer steigt auf, teilweise sogar in die Ober- und Luxusklasse.

Audi RS Q3 mit fünf Zylindern

Das Teufelsintervall liefert dem Audi RS Q3 die bösen Frequenzen. Warum eigentlich fünf Zylinder? Antwort: Triebwerke dieser Art sind, anders als Reihensechszylinder, noch für den Quereinbau geeignet, bieten aber eine höhere Leistung und mehr Drehmoment als Vierzylinder. Dass sich Fünfzylinder dennoch eher verhalten ausbreiten, liegt an ihren vergleichsweise hohen Kosten und ihren Schwingungen: Verglichen mit Reihensechsern laufen sie weniger ausgeglichen. Und sogar Vierzylinder sind ihnen bei den freien Momenten erster und zweiter Ordnung überlegen. Entgegen landläufiger Meinung läuft der Fünfer prinzipiell nicht samtiger als ein Vierer.

Eine Ausgleichswelle kann die freien Massenmomente erster Ordnung relativ einfach reduzieren – nicht jedoch die der zweiten. Das zöge einen zu hohen technischen Aufwand nach sich. Der leicht unwuchtige Lauf findet sich unüberhörbar im Klang wieder: Den Grundton liefert die zweieinhalbfache Zündordnung. Und mit ihr kommen überwiegend dissonante Klänge ins Spiel.

Dass ein Fünfzylinder böse grollen kann, liegt am sogenannten Tritonus, einem verstörenden Tonintervall. Diesen kann nur noch der Zehnzylinder intonieren. Audi hat diese charakterbildende Nuance schon im Ansauggeräusch herausgearbeitet und fügt ab 5.000/min noch hochtouriges Trommeln bei.

Dieser typische Klang macht den Fünfzylinder zu einem Triebwerk für Gourmets und lässt sogar einen Diesel reizvoll tönen (etwa bei Volvo). Dass er wegen seiner hohen Kosten nur selten vorkommt, erhöht die Attraktivität zusätzlich. Und er lässt sich zum V10 verdoppeln, wie die Audi-Tochter Lamborghini beweist; hier floss Audis langjährige Erfahrung ein.

Großes Potenzial liegt nicht im Fünfzylinder. Es ist eher zu befürchten, dass er ausstirbt – sparsamere Turbovierzylinder drängen von unten und beherrschen dank Sounddesign sogar das Grollen.

Porsche Carrera S mit sechs Zylindern

Der Boxer des Porsche Carrera S als technisch aufwendiger Sonderfall. Im Prinzip besteht ein Reihensechszylinder aus zwei gespiegelt aneinandergehängten Dreizylindern. So zündet er drei- statt eineinhalbmal pro Kurbelwellenumdrehung. Schwingungen löschen sich aus, und es entsteht so gut wie keine Vibration. Wie der Zwölfzylinder bietet der Reihensechser einen optimalen Massenausgleich.

Auch die Kurbelwelle entspricht derjenigen des Dreizylinders, ist nur doppelt so lang und mit doppelt so vielen Pleueln bestückt. Doch am Schwerpunkt des Motors ändert das nichts – es entstehen keine freien Kräfte. Dies ist der Grund, weshalb Reihensechszylinder so ruhig laufen.

Übrigens unterscheiden sich Reihensechser und der hier gezeigte sechszylindrige Boxer des Porsche 911 Carrera S bei den Massenkräften und -momenten nicht. So ist der höhere Fertigungsaufwand der Alternative eigentlich nicht gerechtfertigt. Porsche entschied sich für den Boxer, weil er sehr kurz baut und damit ins Heck des 911 passt. Zudem sorgt er für einen niedrigen Schwerpunkt.

Beim Boxermotor liegen die Zylinderbänke im 180-Grad-Winkel. Um zu vermeiden, dass sich ein Kolben am oberen und der gegenüberliegende gleichzeitig am unteren Totpunkt befindet – das würde Massenkräfte freisetzen –, sind die Hubzapfen der Kurbelwelle um 180 Grad versetzt. Ein Sonderfall ist der 180-Grad-V12 des Ferrari 512 TR; bei diesem hochdrehenden Sportmotor werden Massenkräfte in Kauf genommen.

Viele Sechszylinder sind ein gutes Beispiel, wie weicher Lauf und samtiger Klang korrelieren. Die relativ hohen Motorordnungen (dritter Ordnung aufwärts) erzeugen vollkommene Intervalle und bilden harmonische Klänge. Das Dröhnen des Porsche-Boxers bei 6.500/min entsteht durch den speziell geformten Ansaugtrakt, ist nicht sechszylinderspezifisch.

Am häufigsten findet sich der Sechszylinder allerdings in V-Form unter der Fronthaube. V-Motoren bauen kompakter, sind deutlich kürzer als Reihensechszylinder und passen in Kompaktwagen. Doch bei hohen Drehzahlen sorgen freie Massenmomente für Vibrationen, die eine Ausgleichswelle erfordern.

Mercedes E 63 AMG mit acht Zylindern

Der V8 des Mercedes E 63 AMG bollert den Big-Block-Beat eher verhalten. Weltweit die meisten Sympathisanten dürfte der V8 amerikanischer Ausprägung haben – sein sonores Bollern lässt ihn selbst in dicht befahrenen Straßen hervorstechen. Jeder Autofan erkennt das Verbrennungsgeräusch auf Anhieb.

Bei V8-Motoren mit 90-Grad-Zylinderwinkel entstehen nur freie Massenmomente erster Ordnung, die sich mit Gegengewichten an der Kurbelwelle völlig ausgleichen lassen. Weil der Zündabstand zwar gleichmäßig erfolgt, aber nicht durchgängig zwischen den Bänken hin- und herwechselt, entsteht als akustische Unwucht das US-typische Bollern.

Der Mercedes AMG zitiert das V8-Motiv eher verhalten: Die Techniker haben die dissonanten Intervalle aus dem Frequenzspektrum fast herausgefiltert und damit den rotzigen Ton. So schiebt die E-Klasse eine verhältnismäßig kleine Basswelle vor sich her, fügt erst bei hohen Drehzahlen ein schnodderiges Schnattern bei und blafft nur beim Schalten unter Volllast.

Als Sonderfall gibt es bei achtzylindrigen Rennwagen und Supersportwagen wie dem Ferrari 458 Italia eine um 180 Grad gekröpfte Kurbelwelle. Bei dieser Variante ist die Zündfolge innerhalb einer Zylinderbank regelmäßig, was den amerikanischen Ton verhindert. V8-Triebwerke nach 180-Grad-Bauart klingen eher wie zwei parallel laufende Vierzylinder, ohne jedoch zu dröhnen. Bei hohen Drehzahlen überlagern die aggressiven Obertöne den Grundton.

Dodge Viper mit zehn Zylindern

Die rustikale Dodge Viper grunzt aus 8,4 Litern Hubraum. Reichlich Hubraum und Drehmoment – für den V10 spricht viel, zumal er praktisch ausschließlich als drehgieriger Saugmotor vorkommt. Vereinfacht ausgedrückt wird er aus zwei Fünfzylindern zusammengefügt.

Der V10 benötigt viel Platz, ist ähnlich schwer und teuer wie ein V12 und kommt deshalb praktisch nur in Sportwagen vor. Sonderfall: die Lighttrucks in den USA und der frühere V10-TDI von VW. Nur Fünf- und Zehnzylinder beherrschen den Tritonus. Er lässt den V10 im Lamborghini Huracán diabolisch klingen. Der hier gezeigte Zehnzylinder der Viper mit gewaltigen 8,4 Litern Hubvolumen versteift sich dagegen auf tiefes Grunzen; man hört und fühlt die grobschlächtige Konstruktion. Wie beim Fünfzylinder verursachen die freien Massenmomente zweiter Ordnung deutliche Vibrationen.

Bereits ab Leerlaufdrehzahl schiebt der V10 stramm an, donnert bis 1.800/min wie ein vierzylindriger Rennmotor aus der Frühzeit – Zeugnis der übergroßen Brennräume. Erst danach flammt das fünfzylindergleiche Brodeln auf, bevor ab 4.000/min ein Dröhnen übernimmt. Es resultiert aus dem schweren Maschinenbau samt dürftigem Feintuning der Auspuffanlage. BMW etwa arbeitete beim V10 des M5 mit einer Übersprechstelle. Sie ermöglicht den Gasaustausch zwischen den beiden Abgassträngen, was die halben Motorordnungen betont und damit den feinnervigen Charakter. Dieser V10 drehte ähnlich wie ein Rennmotor hoch, machte vergleichbar Radau – und verbrauchte viel. So wie fast alle V10.

Ferrari F12 mit 12 Zylindern

Frequenzen wie beim Ferrari F12 gibt es auch im Heavy Metal. Der V12 gilt als Krönung unter den Motoren. Sechs Verbrennungen pro Kurbelwellenumdrehung sorgen für eine enorm schnelle Abfolge an Tönen, die das Ohr gerade noch auflösen kann. Weil durchweg wechselnd über beide Zylinderbänke gezündet wird, ergibt sich eine perfekte Laufruhe.

Hier übertrifft der V12 einen Reihensechser nochmals, weil der Zündabstand der einzelnen Zylinder noch geringer ist. Das erzeugt auch den fein ziselierten Klang, der sich je nach Schalldämmung fast beliebig von sanftem Schnurren in Limousinen bis zum klirrenden Kreischen in Sportwagen formen lässt.

Beim V12 des Ferrari F12 werden bei hohen Drehzahlen die langen Schallwellen, die den Bass formen, von den kurzen überlagert. Das sorgt einerseits für einen hohen Grundton und andererseits für viel Aggressivität, während der enorme Verbrennungsdruck das Tonvolumen beisteuert. Ab 5.000/min übernimmt das kennzeichnende V12-Krakeelen – es scheint sich tonal fast unendlich hochzuschrauben. Ähnlich attackierende Frequenzen finden sich auf Heavy-Metal-Konzerten sowie früher bei Formel-1-Rennen.

Von außen dominiert das charakteristische obertonsingende Heulen. Und auch beim Hochdrehen nimmt der F12-Motor Anleihen am Rennsport, scheint kaum Schwungmasse in Bewegung setzen zu müssen, bleibt beim Abstellen der Zündung fast schlagartig stehen.
Konstruktion und Fertigung eines V12 sind extrem aufwendig, die Triebwerke selbst teuer. Ihr Luft- und Kühlungsbedarf ist enorm, was die Aggregate samt Anbauten auf beträchtliche Größe wachsen lässt. Somit kommen sie ausschließlich für Luxuslimousinen und Supersportwagen in Frage. Nur hier akzeptieren die Kunden den enormen Verbrauch unter Volllast. Generell geht es dem V12 wie dem V10: Beide sind akut vom Aussterben bedroht und werden mittelfristig durch aufgeladene Achtzylinder ersetzt.

Bugatti Veyron mit 16 Zylindern

Vier Turbolader für den Endlos-Nackenschlag. Frage: Was kommt heraus, wenn Ingenieure einfach mal zeigen dürfen, was technisch geht? Antwort: Der 16-Ender ist die Seele des Bugatti, die Karosserie schlicht seine Plattform.

Technisch nicht ganz korrekt, wird das Triebwerk häufig als W16 bezeichnet, ist aber eher ein V-Motor, bestehend aus zwei VR8. Nur so konnte der Achtliter einigermaßen kompakt gehalten werden. Alleine der ultraschnellen Abfolge von Zündungen ist die hohe Laufruhe zu verdanken.

Per Gehör lässt sich die Zylinderzahl nicht bestimmen: Die Impulse der Verbrennung erfolgen für das menschliche Ohr zu schnell. Der Grundton liegt deutlich höher als bei allen anderen hier betrachteten Motoren, was an der hohen Ordnung von acht Zündungen pro Kurbelwellenumdrehung (achte Zündordnung) liegt. Dass der Veyron bei niedrigen Drehzahlen dennoch schiffsdieselig wummert, liegt am enormen Hubraum von acht Litern. Bei geöffnetem Dach mischt sich ab 3.000/min, wenn der Veyron zum Nackenschlag ansetzt, ohrenfräsendes Wastegate-Fauchen der vier Turbolader hinzu; es überlagert bei vollem Ladedruck sogar die Verbrennungsgeräusche.

Setzt man das Targa-ähnliche Dach auf, dann bleibt vor allem das Getöse des mechanischen Gewaltakts. Von außen nimmt man ein Schnauben und Zischen wahr, ähnlich wie bei einer Dampflok. Über die Jahrzehnte gab es immer wieder Sechzehnzylinder in Luxuskarossen. Doch sie werden auch künftig eine absolute Ausnahme bleiben.