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Der V8-Motor: Ein Plädoyer für seine Zukunft

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matelko CO   
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Um die Zukunft des V8-Motors steht es nicht besonders gut, der politische Zwang will es so. Und das trotz redlicher Bemühungen, den CO2-Ausstoß u.a. durch Direkteinspritzung, Aufladung, Zylinderabschaltung und Segelfunktion zu reduzieren. So wird es beispielsweise für die kommende Audi-Baureihe A6/S6/RS6 ab Anfang 2018 keinen V8-Motor mehr geben. Ja, ganz richtig, selbst der RS6 wird keinen V8-Motor mehr erhalten! Dabei bieten die grundsätzlichen Anlagen der V8-Maschine m.E. keinen wirklichen Anlaß, diesen Motorentyp infrage zu stellen. Freilich, schiere Leistung kann man heute auch mit Motoren geringerer Zylinderzahlen standfest erzeugen. Der Ford GT ist hierfür ein aktuell sehr gutes Beispiel: Dessen V6-Biturbomotor "Ecoboost" bringt es immerhin auf über 650 PS und 746 Nm und seine Standfestigkeit hat das Triebwerk bereits in Le Mans 2016 gezeigt. Was also sind die Vorzüge eines V8-Motors, deretwegen man an ihm festhalten sollte?

Klassische V-Motoren zeigen, unabhängig der Zylinderzahl, ein besonderes Merkmal: Die zwei Pleuelstangen des jeweils gegenüberliegenden Zylinderpaares laufen auf einem gemeinsamen Hubzapfen der Kurbelwelle. Dabei spielt der Bankwinkel des V keine Rolle, denn auch bei einigen Motoren mit horizontal gegenüberliegenden Zylindern greifen zwei Pleuel auf einen gemeinsamen Hubzapfen zu.

 

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Triebwerke wie die des Porsche 917 werden deshalb trotz des 180° Bankwinkels nicht den Boxer-, sondern den V-Motoren zugeordnet. Beim Boxermotor, wie er für den Porsche 911 charakteristisch ist, laufen die Pleuel der gegenüberliegenden Zylinderpaare dagegen auf separaten Hubzapfen, die gegeneinander um 180° versetzt sind. Daraus folgt unmittelbar, daß im V-Motor der Versatz der beiden Zylinderbänke durch die Breite des Pleuelfußes bestimmt wird, beim Boxer beträgt er hingegen einen halben Zylinderabstand. Der V8-Motor ist deshalb nur unwesentlich länger als ein Reihenvierzylinder mit gleichem Zylinderabstand. Bei Bedarf läßt sich der Bankversatz durch die Verwendung ineinandergreifender Gabelpleuel sogar vollständig vermeiden, wie es z.B. Harley-Davidson macht.

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Die prinzipiell sehr kompakte Bauweise der V8-Motoren macht sie auch für Hybridantriebe interessant, indem man sie mit einer zusätzlichen E-Maschine am Kurbelwellenflansch versieht. Der Porsche 918 Spyder hat diese Möglichkeit eindrucksvoll umgesetzt.

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, um Vibrationen zwischen den beiden Zylinderbänken zu vermeiden. Für den Viertakt-V8-Motor bedeutet das: 720° Zyklenwinkel, also zwei Kurbelwellenumdrehungen für ein vollständiges Arbeitsspiel geteilt durch die Zylinderzahl 8, ergeben 90° Bankwinkel oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Beim Viertakt-V6-Motor wird für eine regelmäßige Zündfolge ein Bankwinkel von 120° benötigt, was in der Regel mit einer unerwünscht großen Baubreite verbunden ist, weshalb der V6 häufig ebenfalls mit einem Bankwinkel von 90° ausgeführt wird. Zur Kompensation 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 (a) oder sogar Einzelkröpfungen, sogenannte Flying Arms (b), mit einem Winkelversatz um den fehlenden Betrag. Bei einem V6 mit einem Bankwinkel von 90° beträgt dieser folglich 30°.


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In der Grundauslegung eines V8-Motors gibt es einen weiteren wichtigen Parameter: die Anordnung der Kröpfungen auf der Kurbelwelle. Diese beeinflußt entscheidend die prinzipielle Charakteristik des Triebwerks, entweder maximales Leistungspotenzial oder bestmöglicher 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 „Kreuzwelle“, bei der die Hubzapfen der vier Zylinderpaare jeweils in einem Winkel von 90° zueinander stehen (Cross-Plane, für die Kurbelwellenzapfen im 90°-Winkel, siehe Abbildung), und die „flache Kurbelwelle“, bei der alle Hubzapfen auf einer gemeinsamen Ebene liegen (Flat-Plane, für die 180°-Kurbelwelle, siehe Abbildung).


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Der Cross-Plane V8-Motor punktet seit jeher bei einem besonders wichtigen Kriterium: Ausgeprägte Laufruhe und Vibrationsfreiheit. Denn obwohl sich der erste und letzte Kolben jeder Zylinderbank nicht in derselben Position befinden und somit Vibrationen erzeugen, können diese sehr einfach durch Gegengewichte reduziert werden. Dies ist jedoch nur bei einem V-Motor mit 90° Bankwinkel und nicht versetzten Hubzapfen möglich - also nur beim V8. Der Grund hierfür ist der, daß die Gegengewichte gegenüber des Hubzapfens angebracht werden müssen, und sich somit bei einem Reihenmotor zur Seite bewegen, während der Kolben sich auf oder ab bewegt. Aufgrund des V8-Bankwinkels von 90° gleicht dieses Gegengewicht aber genau jene Kräfte aus, die durch den zweiten Kolben auf dem Hubzapfen (aus der um 90° gedrehten, anderen Zylinderbank) hervorgerufen werden. Cross-Plane V8-Motoren laufen daher mit besonders überzeugender Ausgeglichenheit.

Typisch für den Cross-Plane V8-Motor ist auch das charakteristische Mündungsgeräusch, das „Brabbeln“. Es hat seine Ursache im Gasaustausch im Motor, der nicht optimal ist. 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 der Ein- und Auslaßstrecke, oder ein unvollständiger Gasaustausch und damit eine Restgasmenge im Zylinder. Heißes Restabgas fördert zudem bei Ottomotoren die Klopf-Neigung. Anhaltendes Klopfen führt unausweichlich zu Kolbenschäden. Um dies unter allen Umständen zu vermeiden, muß eine Klopfregelung geeignet 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, d.h. trotz der im Allgemeinen gleichmäßigen Zündfolge beim Gesamtmotor mit 90° Bankwinkel verbleibt eine ungleichmäßige Zündfolge je Zylinderbank. Dabei zünden zwangsläufig immer zwei Zylinder einer Bank direkt nacheinander (90° Zündabstand). Konkret bedeutet das, daß der Auslaß-Druck-Impuls des späteren Zylinders bereits erfolgt, wenn die Auslaßventile des vorher gezündeten Zylinders noch offen stehen. Folglich wird Abgas in diesen Zylinder zurück gedrückt, wodurch die Qualität des Ladungswechsels leidet. In der Praxis konnte dieser Nachteil bisher nur mit höherem Aufwand kompensiert werden, z.B. 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 direkt im V-Winkel liegt. Eine jüngere Porsche-Entwicklung hat an dieser Stelle einen neuen Weg beschritten: Mit spezifischen Steuerzeiten für jeden einzelnen Zylinder wird das Restgasproblem mit minimalem Aufwand eliminiert, was sowohl in der Simulation als auch am Motorprüfstand nachgewiesen werden konnte.

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Die Kurbelwelle eines Flat-Plane V8-Motors sieht aus wie die eines Reihenvierzylinders. Die Ähnlichkeit zum Vierzylinder kommt dabei nicht von ungefähr: Der Flat-Plane-V8 verkörpert den initialen Gedanken, der zur Entwicklung von V8-Motoren führte, nämlich 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. In der Summe dieser Eigenschaften qualifiziert sich der Flat-Plane-V8 eher für den Einsatz in Hochleistungssportwagen, wie etwa Ferrari oder dem Porsche 918 spyder.

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.

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:

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Jedoch wird nicht jede theoretisch mögliche Zündfolge auch praktisch umgesetzt. Ziel ist stets der bestmögliche Kompromiß zwischen den Kriterien Ladungswechsel / Beanspruchung der Kurbelwellenhauptlager / Schwingungsanregung des Kurbeltriebs durch Verformung der Kurbelwelle unter Last / Drehungleichförmigkeit. In der Summe der Eigenschaften ist z.B. die Zündfolge 1-3-7-2-6-5-4-8 die beste Wahl für eine maximale Robustheit der Kurbelwellenlagerung.

Fazit:
Die Aufteilung des Gesamthubraums in viele Einzelzylinder ergibt eine gleichmäßige Drehmomentabgabe und damit Laufruhe. Beim V8-Motor im Viertaktverfahren sind es somit vier Krafthübe je Kurbelwellenumdrehung. Größere Zylinderzahlen als 8 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 nur bedingt kompensieren, denn für Fahrer und Beifahrer bedeutet das räumliche Einschränkungen – was wiederum bei Luxuslimousinen kein gangbarer Weg ist. Hier geht die Motorbaulänge deshalb 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 deutlich höherem technischem Aufwand. Die schlagkräftigen Vorzüge eines klassischen V8-Motors sind ein geringer Bauraumbedarf bei einfacher Triebwerksarchitektur, hoher Leistungsdichte sowie hervorragender Laufruhe und Vibrationsarmut zwischen den Zylinderbänken.  Deshalb sollte der V8-Motor auch in Zukunft  seinen festen Platz bei der Motorisierung hochwertiger Fahrzeuge behalten – nicht nur als Ikone, sondern aufgrund der Summe seiner technischen Eigenschaften.

 

bearbeitet von matelko
Zählfolge der Zylinder in den Abbildungen korrigiert
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Forex VIP CO   
Forex

Ich muss das wohl noch 2, 3x lesen, um es ganz zu verstehen, aber das, was ich bisher verstanden habe, ist sauber erklärt und nachvollziehbar. 

 

Herzlichen Dank! :-))!

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matelko CO   
matelko
Am 20.8.2017 um 11:19 schrieb matelko:

So wird es beispielsweise für die kommende Audi-Baureihe A6/S6/RS6 ab Anfang 2018 keinen V8-Motor mehr geben. Ja, ganz richtig, selbst der RS6 wird keinen V8-Motor mehr erhalten!

Inzwischen pfeift es auch die Motorpresse von den Dächern:

Der nächste Audi S6, der im Anschluß des A6-Modellwechsels im kommenden Jahr erscheinen wird, erhält keinen V8 mehr, sondern ein V6-Triebwerk. Sehr schade (und für mich keine Option mehr).

Beim RS6 sei die Entscheidung noch nicht gefallen, heißt es, ohne näher darauf einzugehen. Nun, das wird davon abhängen, ob man den angedachten und in der Entwicklung befindlichen V6 nach Ford GT "Ecoboost"-Vorbild bis zum Marktstart des kommenden RS6 standfest bekommt. Wenn ja, dann ist der V8 auch im RS6 Geschichte. Wenn nicht, dann "darf" der V8 noch wenigstens bis zur nächsten Modellpflege eingesetzt werden.

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BMWUser5   
BMWUser5
Am 8/20/2017 um 11:19 schrieb matelko:

hervorragender Laufruhe und Vibrationsarmut zwischen den Zylinderbänken. 

Normalerweise steigt die Laufruhe ja mit der Anzahl der Zylinder. Aber es gibt eine Ausnahme: der 3-Zylinder hat eine ausgeglichenere Schwingung als der 4-Zylinder. Nur mal so am Rande, sonst sehr schön geschriebener Artikel.

 

Ich hoffe dennoch, dass es den V8 und V12 noch sehr lange geben wird. 

bearbeitet von BMWUser5
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    • czlot
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      ich spiele mit dem Gedanken, im kommenden Jahr meinen `Porker`durch einen Vantage zu ersetzen und würde gerne von Besitzern erfahren, was sie über die Haltedauer an Inspektionskosten etc. hatten. Die Versicherungskosten sind ja nicht mehr so horrend hoch, wie es früher einmal war.
       
      Hier scheint die Allianz in Ulm wohl erste Wahl zu sein, oder gibt es evtl. noch bessere Angebote als 1800€ im Jahr fürs Coupè? Über jeden Hinweis oder Tip wäre ich dankbar!
       
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      Czlot
    • _Wingman_
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    • TomSchmalz
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    • zuendapp_fan
      hallo zusammen,

      ich bin neu hier im forum und möchte mich kurz vorstellen. bin 35 jahre alt, aus hessen und seit 2 tagen stolzer besitzer eines AM V8 Vantage.

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      hoffe auf hilfreiche antworten. danke und LG
    • jo.e
      Hallo zusammen,

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      Meine Frage: Hattet Ihr bei dem Motor (4,6 Liter V8 von Ford Baujahr 2000, 210 PS), schon einmal derartige Geräusche oder Probleme mit dem Motor? Normal sind diese ja recht standfest, Kollegen haben bereits 600.000 km drauf. Unser Motor hat 336.000 km gelaufen.. nur zur Info... mir würde also eine EInschätzung oder Erfahrungsbericht evtl. helfen...

      Danke und Grüße
      Jochen

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