Hab acht: Die Triebwerksarchitektur des V8

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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 und 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.

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.

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* Text erstmalig erschienen im Porsche Engineering Magazin 1/2017.

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