Weniger Grundmotoren mit kleineren Hubräumen sind eine Folge des Trends zum Downsizing. Für den Fünf-

zylindermotor stellt sich damit die Existenzfrage. Professor Stefan Pischinger, Geschäftsführer des Ingenieur-

dienstleisters FEV, untersucht die Chancen dieses Konzepts unter den Aspekten Bauraumbedarf, Akustik und

erzielbarer Leistungsdichte.

DER FÜNFZYLINDERMOTOR ALS VARIANTE ZUR SPITZENMOTORISIERUNG

TITELTHEMA FÜNFZYLINDERMOTOREN

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WENIGER GRUNDMOTOREN

Downsizing als Mittel zur CO2-Reduktion ist derzeit für alle gängigen Motorenklas-sen in der Diskussion. Während zunächst existierende Motorfamilien durch Aufladung in Richtung höhere spezifische Leistung entwickelt wurden, stellt sich für künftige Baureihen die Frage nach der optimalen Mo-torarchitektur. Ein wesentliches Ziel hier-bei ist, durch Skalierung weniger Grund-motoren über entsprechend angepasste Aufladegrade, die Kosten in Entwicklung und Fertigung drastisch zu senken und trotzdem die für das Fahrzeug-Portfolio nötigen Antriebe zur Verfügung zu haben.

Wie der Blick auf das CO2-Streuband

der im Markt befindlichen Motoren im Ver-gleich zu den künftigen Verbrauchszielen zeigt, , stellt sich hier vor allem für die Fahrzeugoberklasse die Aufgabe, bei gleich-bleibender Fahrdynamik den Verbrauch zu senken. Während die noch existierenden Zwölfzylindermotoren als technisch an-spruchsvolle Antriebsquellen in Fahrzeu-gen der Luxusklasse im Wesentlichen unter strategischen Gesichtspunkten beur-teilt werden, sind Achtzylindermotoren daher durchaus unter dem Aspekt der Verbrauchsreduktion in Diskussion.

Beispielhaft soll in diesem Artikel der Ersatz eines freisaugenden V8-Ottomotors mit 4,0 l Hubraum sowie eines einstufig aufgeladenen V8-Dieselmotors mit eben-falls 4,0 l Hubraum durch Motoren mit re-duzierter Zylinderanzahl diskutiert werden. Dabei werden Alternativen mit vier, fünf und sechs Zylindern betrachtet. Während beim V8 ein Einzelhubvolumen von 500 cm3 angenommen wird, gehen wir für die wei-

tere Betrachtung von einem Einzelhubvo-lumen des Turbomotors von 400 cm3 aus. Die im Folgenden diskutierten Motoren be-ziehen sich auf dieses Baukastenprinzip. Da Vier- und Sechszylindermotoren bereits heute in vielen Fällen zum Downsizing eingesetzt oder dafür entwickelt werden, beschäftigt sich dieser Artikel insbeson-dere mit der Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile eines Fünfzylinders als Downsizingvariante.

Die in Frage kommenden aufgeladenen Downsizing-Motoren unterscheiden sich zum Teil signifikant in ihren Abmessun-gen und damit in ihrem Bauraumbedarf. Zunächst kann festgehalten werden, dass der V6-Motor aufgrund der üblicher-weise außen angebrachten Turbolader eine leicht größere Breite aufweist als der V8-Motor bei gleichem Bankwinkel von 90°. Der Reihensechszylindermotor weist eine signifikant größere Länge auf als der V8-Motor.

BAURAUMBEDARF

Ob die Downsizing-Motoren in vorhandene Fahrzeugeinbauräume zu integrieren sind und mit welchen Auswirkungen insbeson-dere auf einzuhaltende Crash-Abstände zu rechnen ist, hängt von zahlreichen kons-truktiven Details der Motoren ab und muss durch entsprechende Package-Untersuchun-gen individuell geklärt werden. An dieser Stelle soll lediglich ein grober Bauraum-vergleich angestellt werden, der einige wesentliche konstruktive Zusammenhän- ge aufzeigt.

Bei dieser Betrachtung weisen alle Down-sizing-Motoren zwecks Vergleichbarkeit ei-

PROF. DR.-ING. STEFAN PISCHINGER ist Vorsitzender der Geschäfts-

führung der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen.

DIPL.-ING. ANDREAS SEHR ist Department Manager Gasoline Engines & Powertrain Application

bei der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen.

DR.-ING. GEORG EISELE ist Senior Technical Specialist Vehicle Physics/Acoustics bei

der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen.

DR.-ING. KARSTEN WITTEK ist Abteilungsleiter Motor-

konstruktion bei der FEV Motoren-technik GmbH in Aachen.

AUTOR

CO2-Streuband der in Deutschland 2008 neu zugelas-senen Fahrzeuge

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ne einheitliche Bohrung auf, . Ebenfalls gleich ist die angenommene Stegbreite von 8 mm, die bei Aluminium-Zylinderkurbel-gehäusen auch mit eingegossenen Grauguss-laufbuchsen noch eine entsprechende Steg-kühlung im Zwickelbereich ermöglicht.

Aufgrund der resultierenden Hubräume und damit der nötigen spezifischen Leis-tungen sowie Aufladegrade sind zweistu-fige Aufladeaggregate zu berücksichtigen, und zwar sowohl für Diesel- als auch Ottomotoren.

zeigt den V8-Ausgangsmotor und die für die Substitution in Frage kommenden Motoren im Längseinbau. Dabei sind Ein-bauräume von Pkw der Oberklasse und der oberen Mittelklasse zugrunde gelegt worden sind, die zur Zeit mit einem frei-saugenden, längs eingebauten V8-Ottomo-tor angeboten werden.

Dabei zeigt sich, dass der breitere V6-Turbomotor und der längere R6-Turbomo-tor nicht mehr in die am unteren Streu-band befindlichen Einbauräume passen, wohingegen der R5-Turbomotor im Hin-blick auf Motorlänge auch noch in den kleinsten V8-Bauraum passt. Durch ge-neigten Einbau des R5-Motors lassen sich ähnliche Abstände zur Motorhaube dar-stellen wie beim V8-Motor.

Die Darstellung einer zweistufigen Abgas-Turboaufladung ist bei Reihenmo-toren, wie in der Abbildung für den Fünf-zylindermotor angedeutet, bei hohem Integrationsgrad von Ladeluft- und Abgas-verrohrungen, gut umsetzbar. Bei V-Motoren können derartige Systeme eben-

falls realisiert werden, tendenziell führt dies jedoch zu eher ungünstigen Bedingun-gen hinsichtlich Leitungslängen und -vo-lumina, Unterbringung der Turbolader sowie Ladeluftkühler.

AKUSTIK

Die tieffrequente NVH-Charakteristik der unterschiedlichen Motortypen ist geprägt

durch die jeweilige Gas- und Massen-kraftanregung. zeigt eine Übersicht der freien Kräfte und Momente der ersten und zweiten Ordnung unterschiedlicher Motorbauarten.

Beim Vierzylindermotor konzentrieren sich sowohl die oszillierenden Massenkräfte als auch die Gaskräfte und die Mündungs-geräusche auf die zweite Motorordnung. Dadurch entsteht häufig ein unangeneh-

V8 NA V6 TC R6 TC R5 TC

HUBRAUM [L] 4.0 2.4 2.4 2.0

BOHRUNG [MM] 86 75 75 75

HUB [MM] 86 90 90 90

STEGBREITE [MM] 8 8 8 8

ZYLINDERABSTAND [MM] 94 83 83 83

BANKVERSATZ [MM] 20 20 – –

BANKWINKEL [°] 90 90 – –

Angenommene Hauptkonstruktionsmaße

Einbauräume von Oberklasse-Pkw

MOTORKONZEPT L4 L5 L6 V6 60° V6 90° V8 90°

AUFLADUNG ZWEISTUFIG ZWEISTUFIG EINSTUFIG EINSTUFIG EINSTUFIG –

Zündabstand 180° 144° 120° 120° 120° 90°

Massenausgleich2 Ausgleichswellen 2. Ordnung

– – –1 Ausgleichswelle 1. Ordnung

–

Massenkräfte 1. Ordnung

0 0 0 0 0 0

Massenkräfte 2. Ordnung

4 FO2 (osc. v.)

0 0 0 0 0

Massenmoment 1. Ordnung

0 0.45 MO1 0 1.50 MO1 (*) 2.12 MO1 3.16 MO2 (*)

Massenmoment 2. Ordnung

0 4.98 MO2 0 1.50 MO2 2.12 MO2 0

Momentfließ- richtung

2 & Harmonische 2.5 & Harmonische 3 & Harmonische 3 & Harmonische 3 & Harmonische 4 & Harmonische

FO1/FO2/MO1/MO2: Amplitude Massenkraft/-moment eines Zylinders, 1./2. Motorordnung(*): Drehmoment kann durch Kurbelwellen-Gegengewichte ausgeglichen werden

Gas- und Massenkraftanregung unterschiedlicher Motorbauarten

TITELTHEMA FÜNFZYLINDERMOTOREN

316

mer, brummiger Geräuscheindruck, der nur bedingt durch geeignete Auslegung der einzelnen Komponenten und insbesondere durch den Einbau von Ausgleichswellen verbessert werden kann. Auch der Fünfzy-lindermotor weist starke Anregungen in der zweiten Motorordnung durch Massenmo-mente auf, allerdings erfolgt die Anregung durch die Gaskräfte und die Ladungswech-selgeräusche in der 2,5ten Motorordnung. Durch diese nah benachbarten Ordnungen und deren Harmonische entsteht ein modu-lierender Geräuschcharakter, der je nach Geräuschausprägung als sportlich-dyna-misch oder als unangenehm rau empfun-den werden kann. Beim Reihen-Sechszylin-dermotor sind die Massenkräfte komplett ausgeglichen und die Gaskräfte konzentrie-ren sich auf die dritte Motorordnung und deren Vielfache. Das ergibt ein harmo-nisches turbinenähnliches Klangbild, wel-ches sehr komfortabel, aber auch sportlich abgestimmt werden kann. Auch der V8-Motor ist komplett und der V6-Motor wei-testgehend ausgeglichen. Je nach Geräusch-gestaltung eröffnen beide Motorvarianten Potenziale für ein komfortables oder auch eher dynamisches Innengeräusch.

zeigt exemplarisch die Innengeräusch-Campbelldiagramme einiger Fahrzeuge mit unterschiedlichen Motortypen für einen Volllasthochlauf. Gut zu erkennen ist die geringere Neigung der Sechs- und Achtzylindermotoren zum tieffrequenten Brummen. Die durch die Gaskräfte und

die entsprechenden Mündungsgeräusche angeregte relativ starke 2,5te Motorord-nung des Fünfzylindermotors ist stark lastabhängig und unterstützt dadurch einen dynamischen Geräuscheindruck.

Neben den beschriebenen Massen- und Gaskrafteffekten gibt es zahlreiche weitere Faktoren, die starken Einfluss auf die In-nengeräuschanregung haben. Die Anre-gung über die Drehungleichförmigkeit nimmt mit sinkender Zylinderzahl deutlich zu und die Turboaufladung bei den kleineren Motoren führt zu hohen Gaskräf-ten, aber gedämpften Mündungsge-räuschen. Die Mündungsgeräusche der Ansaug- und Abgasanlage sind durch die Zündordnung, den Zündabstand und die Krümmergeometrie geprägt. Das hochfre-quente Fahrzeuginnengeräusch wird neben Roll- und Windgeräuschanteilen durch den vom Aggregat und den Nebenaggregaten abgestrahlten Luftschall geprägt. Dessen Ordnungszusammensetzung hängt zwar auch von der Zylinderanzahl ab, seine Cha-rakteristik wird aber stärker durch Verbren-nungsführung, Motorstruktur und Detail-konstruktion der Nebenaggregate geprägt.

Generell ergibt sich für den Fünfzylin-dermotor ein eigenständiger, sportlich geprägter Geräuschcharakter. Dieser hebt ihn deutlich ab von den oft als Standard-motorisierung angesehenen Vierzylinder-motoren und den eher dem Premiumseg-ment zugeordneten Sechs- und Achtzylinder- motoren.

Innengeräusch-Campbelldiagramme für Volllasthochlauf

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OPTIONEN FÜR DIE AUFLADUNG

Die Variation der Zylinderzahl führt auch zu unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich der benötigten Aufladeaggre-gate. Aufgrund der Vielzahl möglicher Systeme wurden zunächst, anhand von Vorüberlegungen, die in einer Bewertung zu berücksichtigenden Hauptvarianten identifiziert.

Für den diskutierten Leistungsbereich von ungefähr 240 kW, entsprechend der Leistung eines aufgeladenen V8-Diesel-motors oder eines freisaugenden Ottomo-tors mit etwa 4 l Hubraum, sind die in gezeigten Aufladeoptionen zu bewerten.

Zunächst folgt aus der getroffenen Annahme konstanter Leistung bei weniger Zylindern und Hubraum eine Steigerung von spezifischer Leistung und Drehmo-ment, und damit einhergehend die Forde-rung nach höheren Aufladegraden. Das bedeutet grundsätzlich eine Belastung des Ladungswechsels. Eine weitere Folge der geringeren Zylinderanzahl ist die steigen- de Zylinderleistung sowie ein höherer Massendurchsatz pro Zylinder. Die direkte Ansaug- und Ausschiebearbeit wird also bei abnehmender Zylinderzahl zuneh-

men, da die Gaswechselquerschnitte bezogen auf den nötigen Durchsatz klei-ner sind, was zu erhöhten Drosselverlus-ten führt. Umgekehrt formuliert: Die Ladungswechselarbeit sinkt mit steigen-der Zylinderzahl, ebenso der Ladeluftküh-lungsbedarf, der eine Folge des nötigen Aufladegrades ist.

Für die gezeigten Kombinationen ergibt sich hinsichtlich des Einflusses der Zünd-folge auf den Prozess, dass die einstufigen Anordnungen mit Zündfolgetrennung günstiger sind als die zweistufigen Sys-teme. Allerdings ist festzuhalten, dass eine derart pauschale Aussage nur der prinzipiellen Einordnung dienen kann. Im einzelnen Anwendungsfall sind die Zusammenhänge zwischen Zündfolge, Auspuffgeometrie und Flutentrennung komplex und stets Gegenstand von Optimierungsarbeiten.

Die Anforderungen hinsichtlich Kennfeld-breiten der Aufladeaggregate und effizien-ter Umsetzung der Abgasenergie über einen großen Massenstrombereich können bei zweistufigen Systemen naturgemäß besser erfüllt werden, daher wird das sogenannte Lader-Matching hier günstiger bewertet.

Schließlich ist festzuhalten, dass es bei größerem Hubraum mit geringeren Aufla-degraden leichter fällt, eine hohe Spitzen-leistung und hohes Drehmoment bei nied-rigen Drehzahle (stationär und dynamisch) zu vereinen. Somit wird der zweistufig auf-geladene Sechszylindermotor am besten bewertet.

Diese Bewertung, insbesondere in Bezug auf das Anfahrdrehmoment, spiegelt sich auch in wieder.

Eingezeichnet sind über dem Hubraum Linien konstanter spezifischer Leistung sowie die Bereiche, in denen zweistufige Aufladung für Otto- und Dieselmotoren auf Basis heutiger Technik sinnvoll erscheint.

Geht man von einem V8-Ottomotor mit 4,0 l Hubraum aus, so liegt ein leistungs-gleicher Sechszylindermotor mit 2,4 l Hub-raum am Grenzbereich der einstufigen Aufladung. Ein 2,0-l-Fünfzylindermotor mit zweistufiger Aufladung kann ebenfalls verwendet werden. Bei dem mit 1,6 l Hub-raum relativ kleinen Vierzylindermotor müssen deutliche Nachteile im Drehmo-mentaufbau und ein sehr unharmonischer Drehmomentverlauf aufgrund der nötigen Größenspreizung der Turbolader in Kauf genommen werden. Für einen 1,6-l-Motor

Bewertung des Ladungswechsels bei konstanter Leistung

Darstellbare Leistungen bei Zylinderanzahl-Variation

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wird die obere Grenze der spezifischen Leistung bei 120 bis 130 kW/l liegen, damit werden die angestrebten 240 kW nicht umsetzbar sein.

Ähnlich sind auch Dieselmotoren mit zweistufiger Aufladung aufgrund ihres Luftbedarfs und des Wunsches nach aus-reichend Drehmoment bei niedriger Dreh-zahl zu hohen Leistungen hin begrenzt. Für eine Motorleistung von 240 kW wird bereits beim Sechszylindermotor eine spe-zifische Leistung von 100 kW/l erforder-lich, was aktuell deutlich oberhalb des rea-lisierten Leistungsspektrums liegt. Durch Weiterentwicklung der Brennverfahren und des Luftpfads mit verbesserten Auflade- und Ladeluftkühlungskonzepten wird dieses jedoch in absehbarer Zukunft reali-sierbar sein. Allerdings ergeben sich hier-bei große Herausforderungen insbesondere bei der Darstellung der notwendigen Spit-zendruck- sowie thermischen Festigkeit des Zylinderkopfs. Die Realisierung des erforderlichen hohen Aufladegrades wird mit abnehmender Größe des Niederdruck-laders immer schwieriger, so dass die maximal darstellbare spezifische Leistung mit abnehmender Motorgröße sinkt.

FAZIT

Die Auswahl künftiger Motorenkonzepte wird von einer Vielzahl von Faktoren be-stimmt. Im vorliegenden Beitrag wurden verschiedene technologische Aspekte von Antrieben für Fahrzeuge der gehobenen Mittelklasse und Oberklasse diskutiert. Im Zuge des Downsizings und der weiteren Steigerung des Aufladegrades erhöht sich die Vielfalt möglicher Motor-Architektu-ren. Im Spannungsfeld der Einflusspara-meter Bauraum, Thermodynamik und NVH werden sich auch in der Zukunft unterschiedliche Konzepte am Markt wiederfinden.

Der Fünfzylindermotor ist dabei eine interessante Option und verbindet gerin-gen Bauraumbedarf und charaktervolles Geräuschverhalten mit dem Potenzial zur Spitzenmotorisierung.

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