Der Einzylinder ist eine Bauform des Verbrennungsmotors. Sowohl Ottomotoren (2-Takt und 4-Takt) als auch Dieselmotoren (2-Takt und 4-Takt) werden in der einfachsten Bauart als Einzylinder ausgeführt.Der Zylinder kann stehend, liegend oder geneigt eingebaut werden.
Geschichte
Die ersten Hubkolben wurden sicher in Pumpen verwendet, danach in Dampfmaschinen, dann in Verbrennungskraftmaschinen, später in Verbrennungsmotoren. All diese Verwendungen begannen mit der Verwendung eines Einzylinders.
Vor- und Nachteile
Die Vorteile gegenüber denen eines Mehrzylindermotors sind u.a. ein einfacherer Aufbau und eine kompaktere Bauweise, bei allerdings stärkeren Vibrationen. Ausgleichswellen und an den Kurbelwellenwangen vergossene Ausgleichsgewichte müssen wegen der großen Massen- bzw. Kolben-Bewegungen ebenso gewichtig ausfallen. Die luftgekühlte Variante eines solchen Motors war bei Fahrzeug-Konstrukteuren sehr beliebt, da sich der Zylinder im direkten Luftstrom befindet.
Der wohl größte Nachteil von Einzylindermotoren liegt im durch den einzelnen Zylinder begrenzten Hubraum und der damit auch begrenzten Leistung.
Verwendung von Einzylindermotoren
Einige frühe Automobile, wie die Cadillacs Model K von 1906 und Modell L und M von 1907 benutzten Einzylinder. Der Indische Lizenzbau des Tempo-Dreirades aus den 1950ern hatte von 1978 bis zur Produktionseinstellung im Jahr 2000 einen 1-Zylinder-Dieselmotor. Die häufigste Bauform ist Heutzutage sicher der (50ccm-)2-Takt-Ottomotor der in unzähligen Zweiräder verbaut wird und in vielen Ländern die Massenmotorisierung erst ermöglicht.
Auch im Nutzfahrzeugbereich - vornehmlich in Arbeitsmaschinen, im Motorsport und im Flugzeugbau sowie als Industriemotor findet der Einzylinder Verwendung.
Einzylindermotoren werden auch in der Forschung verwendet. An diesen kann mann sehr gut den Verbrennungvorgang und wichtige Bauteile untersuchen. Vorteil ist hierbei die eindeutige Zuordnung. Außerdem werden weniger Musterteile gebraucht. Danach werden die am Einzylindermotor gewonnen Erkenntnisse auf den Vollmotor übertragen.
Der größte Einzylinder hatte 778 cm³ und war in der Suzuki DR 800 S verbaut, deren Produktion 1998 eingestellt wurde.
Reihenmotor
Reihenmotor ist die Bezeichnung für einen Motor, dessen Zylinder hintereinander in Reihe stehen. Die Zählung der Zylinder beginnt hierbei gegenüber der kraftabgebenden Seite des Motors. Reihenmotoren sind die bei weitem häufigsten verwendeten Bauformen bei Automobilen (PKW) und häufig auch in Lastkraftwagen (LKW) zu finden, sowie immer häufiger bei Motorrädern.
Varianten
In PKW finden sich meist Motoren mit vier oder sechs Zylindern (wobei letztere vermehrt von V6-Motoren verdrängt werden), seltener auch mit drei oder fünf und extrem selten auch mit acht, zehn oder zwölf Zylindern. Bei Lastkraftwagen trifft man zumeist Sechszylinder-Reihenmotoren an, kleinere LKW besitzen aber manchmal auch nur vier Zylinder. Bei Motorrädern werden meistens zwei und vier Zylinder, seltener drei und ganz selten auch mal sechs Zylinder eingesetzt. Im Moto GP sind Vierzylinder-Reihenmotoren die Regel, dort sind allerdings auch Drei- und Fünfzylindermotoren vertreten. Bei Schiffsmotoren gibt es auch Triebwerke mit 12 oder 14 Zylindern in Reihe.
Reihenmotoren werden bei heckgetriebenen Automobilen längs eingebaut, in Ausnahmefällen bei Mittel- oder Heckmotorfahrzeugen auch quer. Bei frontgetriebenen Fahrzeugen sind sie meist quer zur Fahrtrichtung eingebaut. Bei großen, langen Motoren ist in der Regel ein Längseinbau unumgänglich, so dass auch bei Frontantrieb manchmal die Motoren längs eingebaut werden. Die Audi-Modelle 80, 90, 100, 200, A4 und A6 sind Beispiele hierfür. Bei Motorrädern werden Reihenmotoren meist quer eingebaut, in der Anfangszeit auch längs. In Lastwagen sind Reihenmotoren praktisch immer längs eingebaut.
Ein Nachteil des Längseinbaus ist der erhöhte Platzbedarf im Motorraum. Vorteilhaft ist aber der Umstand, dass die Reaktionsmomente des Motors bei Lastwechseln dann nicht die Nickbewegungen der Karosserie unterstützen, die durch die Abbremsung/Beschleunigung des Fahrzeugs entstehen, sondern senkrecht dazu liegen, was den Fahrkomfort merklich erhöht.
Vorteile
* einfacher Aufbau
* ab sechs Zylindern sehr ruhiger Lauf; sämtliche Kräfte und Momente Erster und Zweiter Ordnung sind maschinendynamisch ausgeglichen
* relativ kostengünstig zu produzieren
* auch mit Luftkühlung einfach realisierbar
* auf der Basis einer Grundkonstruktion sind Varianten von einem bis sechs Zylindern möglich (vgl. Deutz 912) - Modularisierung der Zylinder und Zylinderköpfe (Deutz-typische Bauart)
Nachteile
* erhöhter Platzbedarf im Motorraum bei Längseinbau sowie bei der längeren Sechszylinder-Version
V-Motor
Der V-Motor ist eine Bauform des Verbrennungsmotors. Die Zylinder sind dabei in zwei Reihen ("Zylinderbänke") um Winkel zwischen 15° (Sonderfall VR-Motor von VW) und 180° (z. B. Ferrari), üblicherweise 40° bis 90° zueinander geneigt, und die einzelnen einander gegenüber liegenden Zylinder etwas versetzt. Die beliebtesten Winkel sind 60° für V6/V12 und 90° für V8 Motoren. Bei V-Motoren können die Pleuel der zusammengehörenden Zylinderpaare an derselben Kurbelwellenkröpfung (dies ist der Normalfall) oder an um die Kurbelwellenmitte gegeneinander gedrehten unterschiedlichen Kröpfungen (dies ist der Sonderfall) angelenkt sein. V-Motoren mit dem ungewöhnlichen Zylinderwinkel von 170° haben die Zündapp-Motorradmodelle KS 600 und KS 601. Erreicht der Zylinderwinkel im Grenzfall 180°, spricht man von einem 180°-V-Motor, nicht zu verwechseln mit einem Boxermotor.
Vor- und Nachteile
Einer der hauptsächlichen Vorteile des V-Motors ist seine geringe Baulänge und die halbierte Anzahl an Kurbelwellenkröpfungen - falls es sich um den Normalfall (s. o.) handelt - im Vergleich zum Reihenmotor. Ein V12 mit einer sechsfach gekröpften Kurbelwelle ist nur unwesentlich länger als ein Reihenmotor mit sechs Zylindern. Nachteilig sind die auftretenden Massekräfte der oszillierenden Massen, vor allem bei Zylinderbankwinkeln unter 90° und bei geringen Zylinderanzahlen.
In Personenkraftwagen sind Vibrationen und der rauhere Klang von V-Motoren als Nachteil zu werten. Oft werden in PKW V6-Motoren nur deshalb anstatt Reihenmotoren eingesetzt, weil sie kürzer sind. Bei steigender Zylinderzahl gleichen sich die Massekräfte einzelner gegenüberliegender Zylinderpaare teilweise durch jene der anderen Zylinderpaare aus, so dass dieser Nachteil weniger ausgeprägt ist als bei geringeren Zylinderzahlen.
Berühmt wurde der V-Motor auch in den amerikanischen Muscle Cars (zB. Ford Mustang) und den charakterstarken Motorrädern von Moto Guzzi.
Bezeichnungen
Oft wird zur Angabe der Zylinderanordnung eine Kurzschreibweise der Form "V6" benutzt. Hier steht "V" für die Bauform des Motors, "6" für die Anzahl der Zylinder. Üblich sind V12-, V10-, V8-, V6-, seltener auch V4-Motoren in PKWs, V2- und (seltener) V4-Motoren bei Motorrädern.
Unterschied 180°-V-Motor - Boxermotor
Die Pleuel gegenüberliegender Kolben sind beim 180°-V-Motor an derselben Kröpfung angelenkt, beim Boxermotor an zwei um 180° versetzten Kröpfungen.
Ein V12-180°, wie im Ferrari Testarossa hat also sechs Kurbelwellenkröpfungen, ein echter 12-Zylinder Boxermotor (B12) hat zwölf, und man spricht nicht mehr von einem V-Motor.
Bei einem 180°-V-Motor bewegen sich jeweils zwei gegenüberliegende Kolben im Motor immer gleichzeitig nach links oder rechts, die Massenkräfte addieren sich. Beim Boxermotor bewegen sie sich stets aufeinander zu oder voneinander weg, die Massenkräfte heben sich auf. Siehe auch die Prinzipskizze, in der das Boxermaschinenprinzip auf der linken Seite zu finden ist. Dargestellt sind die Kurbeltriebe zweier 6-Zylinder-Motoren.
Ob ein Konstrukteur 180°-V-Motor oder Boxermotor wählt, ist auch von 2-Takt- oder 4-Takt-Verfahren abhängig.
VR-Motor
Der VR-Motor ist eine extrem kompakte Variante eines Vielzylinder-Motors, der Eigenschaften eines V-Motors und eines Reihenmotors vereinigt. Die VR-Lösung entstand in den 1930ern bei Lancia als kompakter V-Motor für den Längseinbau (1937 Lancia Aprilia, 1965 Lancia Fulvia).
Volkswagen griff das Konzept auf, um einen Sechszylindermotor mit extrem kompakten Außenmaßen für den Einsatz in Fahrzeugen mit quer eingebautem Motor - insbesondere im Golf - zu bauen.
Gründe für die Entwicklung des VR-Konzepts
Bei Fahrzeugen mit Frontantrieb wird der Verbrennungsmotor in der Regel quer eingebaut. Da neben dem Motor auch noch das Getriebe im Motorraum Platz finden muss und in Verlängerung des Motors angeflanscht wird, wird die Breite des Motors begrenzt, so dass in dieser Anordnung Vierzylindermotoren den Markt dominieren.
Höhere Zylinderzahlen lassen sich realisieren, wenn der Motor nicht als Reihenmotor, sondern als V-Motor gebaut wird. Hier entsteht allerdings ein Zielkonflikt durch mehrere Forderungen:
* Ein Mindestabstand zwischen den Zylindern ist erforderlich, damit die Kanäle der Wasserkühlung und der Ölwege noch Platz finden
* Die Zylinderwände müssen eine bestimmte Mindeststärke aufweisen, da sonst die Wand zwischen den einzelnen Zylindern überhitzen kann.
* Der Winkel des V-Motors darf nicht zu groß sein, da er sonst die Crash-Sicherheit negativ beeinflusst. Ein zu breiter Motor überbrückt die plastischen Verformungszonen und dringt möglicherweise beim Frontalaufprall in den Fahrgastraum ein.
* Für besondere Laufruhe (Kompensation von Massenkräften und -momenten höherer Ordnung) sind bestimmte Zylinderwinkel zu bevorzugen: Beim 6-Zylinder ist nach dem Reihenmotor der V-Motor mit 60° Zylinderwinkel besonders günstig, beim 8-Zylinder die Bauform mit 90° Zylinderwinkel.
* Der V-Motor bringt erhöhten Bauaufwand und größere Kosten, weil neben dem aufwändigeren Motorblock auch zwei Zylinderbänke mit eigenen Köpfen und Ventiltrieb erforderlich sind.
* Mit einem breiten Zylinderwinkel können Motoren realisiert werden, die kaum länger sind, als Reihenmotoren mit der halben Zylinderanzahl.
Das Konzept des VR-Motors versucht, einen Kompromiß zwischen beiden Bauformen darzustellen. Dabei zeigt die VR-Bauweise ein zusätzliches geometrisches Problem, weil sich in klassischer V-Bauart bei einem Zylinderwinkel von nur 15° die Zylinder im unteren Bereich durchdringen würden. Bei einem einfachen Kippen der Zylinderbänke, wie es in der V-Anordnung üblich ist, würden sich die Zylindermittelachsen und die Kurbelwellenmittelachse schneiden (Prinzip z.B. Reihenmotor).
Daher werden die Zylinder etwas weiter nach außen gelegt (das sog. "Schränken"). Die Zylindermittelachsen verlaufen so nicht mehr durch die Kurbelwellenmittelachse, sondern sind um einen gewissen Betrag achsparallel verschoben. Folge ist ein unterschiedlicher Weg vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) und von OT nach UT. Das erfordert eine andere Abstimmung der Kurbelzapfenkröpfung als beim R-Motor. Die Schränkung beträgt beim V5 (VR5) Motor von Volkswagen 12,5 mm je Zylinderbank.
Bei VR-Motoren kann man den Zylinderbankwinkel so klein wählen, dass - wie beim Reihenmotor - nur ein Zylinderkopf verwendet wird. Jedoch bleibt im Motorinneren die V-Anordnung (wenn auch geringer) erhalten. Eine weitere Gemeinsamkeit mit Reihenmotoren ist beispielsweise seine siebenfach gelagerte Kurbelwelle mit sechs Kröpfungen.
Der VR6-Motor
Der VR6-Motor von VW war ein kompakter 15°-V-Motor mit 2,8l/128 kW (174 PS) oder 2,9l/140kW (190PS). Er wurde jedoch VR6 genannt, da es eine Mischform aus V- und Reihenmotor mit sechs Zylindern ist, bei dem verschiedene Vorteile beider Konzepte im Vordergrund stehen. Eigentlich wäre die Bezeichnung RV6 schlüssiger, jedoch entschied sich VW für VR6 aufgrund des Wortlautes im Englischen: "We are six". Seine Baulänge ist kaum größer als bei einem V6, seine Breite nur wenig größer als beim Reihenmotor. Es ergeben sich durch die leicht versetzten Zylinder unterschiedliche Ansaugwege, welche ein Problem darstellen. Die Lösung ist strömungstechnisch ein kleines Meisterwerk. Leitender Ingenieur bei Entwicklung dieses Motors war Motorsportlegende Julius Sebastian Spiro.
Der Motor ist hinsichtlich seines derzeitigen Alters immer noch sehr fortschrittlich und wird mit leichten Veränderungen noch heute gebaut.
Der VR6-Motor kam/kommt serienmäßig zum Einsatz im:
* Golf III VR6 (1HX0, 1H) Limousine, Variant
* Golf IV V6 (1J) Limousine, Variant
* Passat B3, B4 VR6 (35i) Limousine, Variant
* Passat B6 (3C) Limousine
* Vento VR6
* VW Bora V6
* Corrado VR6
* Bus T4
* Bus T5
* Auch Mercedes, Seat und Ford verbauen diesen Motor fast unverändert in den Modellen Vito/V-Klasse, Alhambra und Galaxy.
Stichpunktartig ergeben sich folgende Technische Daten:
* 2,8l/2,9l VR6
* vorn quer eingebauter 6-Zylinder-VR-Motor (15 Grad - Zylinderwinkel in kompakter Reihenbauweise)
* Ventilsteuerung über zwei Ketten durch zwei obenliegende Nockenwellen (DOHC)
* Tassenstößel mit wartungsfreiem hydraulischen Ventilspielausgleich
* siebenfache Kurbelwellenlagerung
* Flüssigkeitskühlung als geschlossenes Überdrucksystem mit Pumpe, Kühler, elektrischer Zusatzpumpe, Nachlauf, Ausgleichsbehälter und elektrisch angetriebenen, thermostatisch geregeltem Kühlventilator
* Druckumlaufschmierung mit Ölpumpe und Wechselölfilter. In den Kühlmittelkreislauf integrierter Ölkühler
* Elektronisch geregelte Einspritzanlage, Leerlauffüllungsregelung, Schubabschaltung, Drehzahlbegrenzung
* Elektrische Kennfeldzündung mit Long Life Zündkerzen (speziell entwickelt)
* Metallkatalysator, Lambda-Regelung
Dennoch sind einige Schwachstellen vorhanden, die aus Konstruktionskompromissen herrühren.
* Steuerkettenprobleme, bedingt durch verschlissene Gleitschienen und/oder Spanner, bzw. durch das Verschleißen des Überdruckventils in der Ölpumpe wodurch diese in hohen Drehzahlbereichen einen zu hohen Druck aufbaut, der den Kettenspanner zu stark an die Kette drückt und somit im äußersten Fall zu einem Kettenriss führt, bei regelmäßiger Wartung kann dieses Problem weitestgehend verzögert werden, ganz auszuschließen ist es leider nicht
* Hitzestauprobleme und dadurch durchgebrannte Zylinderkopfdichtungen oder Kolben
* Allgemeines Steuerkettenrasseln
* Ausgeschlagene Motorlager, die der Beanspruchung nicht standhalten
Der VR5-Motor
Im 1996 vorgestellten Passat B5 (3B) wurde ein fünfzylindriger VR-Motors mit 2,3 l Hubraum und 110 kW (150 PS) eingeführt, der längs eingebaut war. Es folgten Modelle vom Golf IV, Bora und New Beetle, die aus marketingtechnischen Gründen als V5 bezeichnete wurden, in denen der Motor quer zur Fahrtrichtung eingebaut war. Auch im Passat B5GP (3BG) ab 2000 wurde das Typkürzel für diesen Motor auf V5 geändert.
Ab Herbst 2000 war der VR5-Motor mit vier anstatt zwei Ventilen pro Zylinder ausgerüstet, was eine Leistungssteigerung auf 125 kW (170 PS) zur Folge hatte.
Seit Herbst 2002 entfiel diese Motorvariante in sämtlichen VW-Modellen außer dem New Beetle, mit Vorstellung der überarbeiteten Version des New Beetle im Sommer 2005 auch dort.
W-Motor
Ein klassischer W-Motor ist ein Hubkolbenmotor mit drei Zylinderreihen.
Ein W-Motor, wie er heute in Modellen aus dem Hause Volkswagen vorkommt, ist ein Hubkolbenmotor mit vier Zylinderreihen.
Schaut man mit etwas Fantasie auf solche Motoren in Richtung der Kurbelwelle, so ähnelt ihre Zylinderanordnung einem W, daher der Name.
Vorteil dieser Bauweise
Der Vorteil dieser Konstruktion ist der gleiche wie beim V-Motor, jedoch noch deutlicher: Mehr Zylinder bei kürzerer Motorbaulänge.
Klassischer W-Motor
Beispiel für einen klassischen W-Motor mit drei Zylinder(reihen) in gleichem Winkel ist der Motorrad-Rennmotor des frz. Motorrad-Herstellers Alcyon von 1904. Bei ihm hatten die drei Zylinder einen Winkel von jeweils 45° zueinander. Alessandro Anzani fuhr eine Maschine mit diesem ungewöhnlichen Motor.
Einziger W-Motor aus dem Volkswagen-Konzern, der nach klassischem Design konstruiert wurde, ist der des Audi W12-Prototyps. Alle darauf folgenden W-Motoren aus dem Hause Volkswagen hatten vier Zylinderreihen.
Der W12 Formel-1-Motor von Guy Nègre
Der Franzose Guy Nègre entwarf Ende der 1980er Jahre einen 3,5 Liter-W12-Motor für den Einsatz in der Formel 1. Der Motor war mit drei Zylinderreihen mit je vier Zylindern ausgestattet, besaß keine herkömmlichen Ventile und sollte um 630 PS bei 15.000 Umdrehungen leisten. Das Projekt wurde Anfang 1988 publik gemacht, nach wenig erfolgreichen Testfahrten in Chassis des AGS-Teams sowie aufgrund von finanziellen und technischen Problemen dann allerdings wieder eingestellt, ohne auch nur einen Rennkilometer gefahren zu sein. Guy Nègre hat inzwischen einen Druckluftmotor entwickelt.
Aktuelle W-Motoren von Volkswagen und Audi
Der Volkswagen-Konzern bietet in seinen aktuellen Modellen u.a. Motoren mit W8 (4 Zylinderreihen à 2 Zylinder: VW Passat W8, W12 (4 Zylinderreihen à 3 Zylinder: Audi A8 W12, VW Phaeton W12, Bentley Continental GT) und W16 (4 Zylinderreihen à 4 Zylinder: Bugatti Veyron 16.4).
Der W12-Motor basiert dabei auf zwei VR6-Motoren, wie sie aus dem gleichnamigen VW Golf der dritten Generation bekannt sind. (Bei darauffolgenden Golf-Generationen wurde derselbe Motor allerdings aus Marketinggründen nur noch V6 genannt.)
Boxermotor
Der Boxermotor ist eine Bauform des Verbrennungsmotors. Die Zylinder oder auch Zylinderbänke sind dabei um 180° gegenüberliegend und etwas versetzt zueinander angeordnet.
Geschichte
Erfunden wurde der Boxermotor von Carl Benz im Jahre 1896. Er nannte ihn „Contra-Motor“, da sich die beiden Zylinder gegenüber befanden.
Vor- und Nachteile
Die Vorteile dieser Anordnung gegenüber der eines konventionellen Reihenmotors sind u.a. ein gleichmäßigerer Motorlauf und eine flache, kurze Bauweise, bei allerdings mehr Bauteilen. Ausgleichswellen und an den Kurbelwellenwangen vergossene Ausgleichsgewichte können wegen der sich kompensierenden Massen- bzw. Kolben-Bewegungen entfallen. Zudem ist z.B. bei einem Vierzylinder-Boxermotor eine dreifach gelagerte Kurbelwelle (gegenüber Fünffach-Lagerung) wegen der kurzen Bauweise und des günstigeren Kraftflusses ausreichend, da weniger mechanische Beanspruchungen wie z.B. Spannungen oder Schwingungen auftreten. Die luftgekühlte Variante eines solchen Motors war bei Fahrzeug-Konstrukteuren sehr beliebt, da sich mehr Zylinder im direkten Luftstrom befanden. Auch der VW Käfer ist mit einem Boxermotor ausgestattet. Moderne Boxer-Motoren mit vier oder sechs Zylindern fließen bei Subaru in die Gesamtkonzeption des Allrad-Antriebs ein. Durch ihre Bauweise erzielt man dort einen sehr tiefen Schwerpunkt im Fahrzeug und einen streng symmetrischen Kraftfluss zu den Antriebsrädern. Dies verschafft deutliche Handlingvorteile gegenüber asymmetrischen, mehrfach umgelenkten Kraftflüssen.
Der wohl größte Nachteil von Boxermotoren liegt aus Sicht der Fertigungstechnik im höheren Material- und Werkzeugeinsatz, der sich dann in der Serienproduktion merklich in Mehrkosten niederschlägt. Ein weiterer Nachteil ist, dass sie sich wegen ihrer großen Baubreite für den Quereinbau schlecht eignen.
Der Unterschied zum V-Motor
Einen Sonderfall stellen die Flachmotoren in verschiedenen Ferrari-Straßen- und Rennfahrzeugen wie der Berlinetta Boxer oder dem Testarossa dar. Diese Motoren wurden seitens Ferrari zwar als Boxermotoren bezeichnet, in Wirklichkeit handelt es sich dabei jedoch um 180°-V-Motoren. Dabei teilen sich jeweils die Pleuel zweier gegenüberliegender Kolben eine Kurbelwellenkröpfung. Ein V-Motor hat also halb soviele Kurbelwellenkröpfungen wie Zylinder.
Ebenfalls zu Unrecht als Boxermotoren werden oft die 170°-V-Zweizylinder-Viertakt-Motoren des Motorradmodells Zündapp KS 601 bezeichnet; um bei niedriger Schwerpunktlage mehr Platz für die Füße zu schaffen und eine größere Neigung bei Kurvenfahrt zu ermöglichen, wählte Zündapp diese ungewöhnliche Bauweise. Auch die Zündapp-Kolben "boxen" im Wesentlichen gegeneinander, haben also je einen eigenen Hubzapfen, jedoch nicht um 180 Grad, sondern "ungenau", nur um 170 Grad versetzt.
Per Definition hat die Kurbelwelle eines Boxermotors genau so viele Kurbelwellenkröpfungen wie Zylinder, welche so angeordnet sind, dass sich die Hubzapfen gegenüberliegender Zylinder genau um 180° Kurbelwelle verdreht befinden. (Die Kröpfungen für die Pleuel eines Kolbenpaares bilden eine Doppelkurbel.)
Aus der gegenseitigen Aufhebung der Massenkräfte Erster Ordnung resultiert die ausgesprochene Laufruhe der Boxer-Triebwerke. Lediglich der Mittenversatz jeweils zweier (fast genau) gegenüberliegender Kolben bewirkt noch geringfügige Momente Zweiter Ordnung.
Verwendung von Boxermotoren
Der meistgebaute Boxermotor ist der luftgekühlte Vierzylinder, der für den Käfer entwickelt wurde, und in ähnlicher Bauart in Deutschland bis in die 1970er Jahre in fast allen VW-Modellen verwendet wurde. Die Einstellung im Käfer erfolgte 2003 mit dem Ende der Produktion in Mexiko. Im VW Bus (Typ2, T2, in Deutschland von 1968 bis 1979 gebaut), der aktuell noch in Brasilien gebaut wird, finden luftgekühlte Boxermotoren bis zum Jahresende 2005 Verwendung. Erst dann wird die Produktion auf wassergekühlte Motoren umgestellt: Jedoch hat die Frage der Motorkühlung recht wenig mit der Anordnung der Zylinder zu tun. VW gibt damit nach 70 Jahren das Konzept des legendären Boxermotors auf. Dieser Motor findet sich auch heute noch in den meisten Trikes.
Der Citroën 2CV (Ente) und dessen verwandte Modelle hatten einen luftgekühlten Zweizylinder-Boxer. Dies gilt auch für die holländischen DAF-Modelle 33 und 44, die für ihre stufenlose Automatik bekannt waren. Auch die Kleinwagenmodelle von Steyr-Puch (500, 650T(R)), die in den 1960er Jahren Erfolge im Rallyesport erzielten, sowie der Geländewagen Haflinger waren mit luftgekühlten Zweizylinder-Boxermotoren ausgerüstet. Der Citroën GS verfügte über einen hochmodernen luftgekühlten Vierzylinder. Ebenfalls legendär sind die luftgekühlten Porsche-Motoren mit vier und sechs Zylindern, die in den Baumustern 356 und 911 eingesetzt wurden. Zu nennen sind daneben noch die Boxer-Motoren, die Alfa Romeo in früheren Zeiten beim Modell Alfasud eingesetzt hatte.
Weitere Fahrzeughersteller experimentierten mit Boxermotoren und setzten sie teilweise auch ein. Heute werden (wassergekühlte) Boxermotoren sehr erfolgreich von Porsche und Subaru eingesetzt. Die Subaru-Boxer werden auch beim Subaru-Derivat Saab 9-2x verwendet. Subaru hat für 2007 den ersten Dieselboxer mit Direkteinspritzung und Turboaufladung angekündigt.
Auch Achtzylinder- und Zwölfzylinder-Boxermotoren wurden realisiert, jedoch nur für Rennzwecke. In den 1960er Jahren experimentierte man in der Formel 1 auch mit "Doppelboxer"-Motoren: die englischen BRM-Rennwagen hatten eine Zeitlang zwei Achtzylinder-Boxermotoren in einem Gehäuse übereinander vereint mit insgesamt 16 Zylindern.
Unter den Motorrädern ist der luftgekühlte Zweizylinder von BMW sehr bekannt. Er wurde vom russischen Hersteller Dnepr nachgebaut. Der Boxermotor der berühmten Zündapp KS 601 ist hingegen streng genommen ein V-Motor mit 170-Grad-Stellung der Zylinder. Im deutschen Motorradbau gibt es noch weitere Beispiele für die Verwendung von Boxermotoren. In der Honda GoldWing wurde ein wassergekühlter Vierzylinder und heute ein Sechszylinder verwendet.
Auch im Nutzfahrzeugbereich – vornehmlich im Omnibus als Unterflurmotor, im Motorsport und im Flugzeugbau sowie als Industriemotor z. B. von Volkswagen – fand der Boxermotor Verwendung.
Sternmotor
Technik
Beim Sternmotor sind alle Zylinder einer Zylinderreihe in einer Ebene angeordnet. Während bei herkömmlichen Kolbenmotoren jeder Kolben über Pleuel der Kurbelwelle verbunden ist, findet sich eine direkte Verbindung beim Sternmotor nur beim Hauptpleuel (auch Mutterpleuel genannt). An der Welle zugewandten Ende des Hauptpleuels befinden sich ringförmig angeordnete Gelenklager; die verbleibenden Pleuel (Nebenpleuel genannt) werden über diese Gelenklager mit dem Hauptpleuel verbunden.
Der Ventilantrieb erfolgt im einfachsten Fall durch einen untersetzten Nockenring. Es sind jedoch auch Konstruktionen mit einer Nockenwelle pro Zylinder möglich. Im Zweiten Weltkrieg kamen auf britischer Seite auch große Stückzahlen von Schiebermotoren zum Einsatz.
Zylinderzahl
Die Zylinderzahl eines Zylindersterns ist bei Viertaktmotoren immer ungerade. (Zwei- oder vierreihige Sternmotoren haben daher gerade Zylinderzahlen.) Der Grund dafür ist, dass beim Viertaktmotor jeder Zylinder nur in jeder zweiten Umdrehung gezündet wird, so dass eine durchgängigen Zündfolge, die für den ruhigen, vibrationsfreien Lauf des Motors erforderlich ist, nur mit ungeraden Zylinderzahlen realisiert werden kann.
Ein weiterer Vorteil ungerader Zylinderzahlen ist die bessere Stabilität des Kurbelgehäuses, die sich daraus ergibt, dass bei einer ungeraden Zahl von Zylindern sich gegenüber jeder Zylinderbohrung eine Gehäusewandung findet. Die so entstehende Überlappung bietet strukturelle Vorteile. Das Gehäuse wird ohne zusätzliche Maßnahmen deutlich steifer als bei gerader Zylinderzahl.
2-Takt-Sternmotoren wurden auch mit geraden Zylinderzahlen hergestellt, so wurde z. B. 1940 von Adolf Schnürle ein 8-Zylinder-2-Takt-Diesel-Sternmotor gebaut.
Bauformen
Ursprünglich wurden Sternmotoren nur einreihig ausgeführt. Als mehr Leistung gefordert wurde, für die man nicht genug Zylinder nebeneinander anordnen konnte, wurden zweireihige Sternmotoren (auch Doppelsternmotoren genannt) entwickelt: Zwei Zylindersterne wurden hintereinander angeordnet. Mit weiter steigenden Leistungsanforderungen wurden auch vierreihige Sternmotoren produziert, wie z. B. der Pratt & Whitney Wasp Major, der über 28 Zylinder in vier Reihen verfügte.
Zwei oder mehr Ebenen von Zylindern werden bei luftgekühlten Motoren versetzt angeordnet, so dass die Zylinder des hinteren Sterns jeweils hinter den Zwischenräumen im vorderen Stern zu stehen kommen. Vorteile dieser Anordnung sind bei der üblichen Verwendung einer Luftkühlung der gleichmäßige Kühlluftstrom über alle Zylinder. Außerdem ermöglicht dieser Versatz einen gleichmäßigen Lauf des Motors.
Wassergekühlte Sternmotoren sind relativ selten gebaut worden. Anwendungen waren z. B. der Bau von Motoren für tropisches Klima, die sich über eine Wasserkühlung zuverlässiger kühlen ließen, oder später der Bau von kompakten Mehrreihen-Sternmotoren wie dem Jumo 222, einem Vierfach-Sternmotor ohne Zylinderversatz, der eine Mischform zum Reihenmotor darstellt.
Eine spezielle Form des Sternmotors ist der Umlaufmotor. Hier ist die Kurbelwelle fixiert, während die Zylinder sich mit dem daran befestigten Propeller drehen. Diese Bauform fand im ersten Weltkrieg breite Anwendung, während stehende Sternmotoren erst nach dem Krieg in größerer Stückzahl eingesetzt wurden.
Vorteile und Nachteile
Durch seine Bauform verfügt der einreihige Sternmotor über eine große Stirnfläche und damit über einen großen Luftwiderstand. Die Entwicklung der widerstandsarmen NACA-Haube verbesserte die Situation gegenüber den vorher gebräuchlichen freistehenden Zylindern, dem Townend-Ring oder engangepassten Verkleidungen, konnte den Nachteil gegenüber Reihen- und V-Motoren jedoch nicht vollständig wettmachen. Bei Doppel- und Mehrfachsternmotoren ist der Widerstandsnachteil durch die Anordnung mehrerer Zylindersterne mit der gleichen Stirnfläche weniger ausgeprägt.
Die übliche Luftkühlung ist ebenfalls ungünstig in bezug auf den Luftwiderstand und führt unvermeidlich dazu, dass nicht alle Zylinder bei der gleichen Temperatur arbeiten und einzelne Zylinder in Gefahr laufen, zu überhitzen oder zu unterkühlen.
Die verteilte Zylinderanordnung macht die Führung von Abgasrohren und Versorgungsleitungen schwieriger. Zum Beispiel muss beim Einsatz von Turboladern die Ladeluft aufwändig auf alle Zylinder verteilt werden. Dies gestaltet sich bei Reihen- oder V-Motoren einfacher, da hier eine oder zwei Leitungen sämtliche Zylinder versorgen können.
Luftgekühlte Sternmotoren verfügen dafür über Vorteile in bezug auf den Wartungsaufwand, die die US Navy dazu veranlasste, für ihre auf Flugzeugträgern eingesetzten Flugzeuge ausschließlich Sternmotoren zu verwenden.
Im militärischen Bereich stellt die geringere Empfindlichkeit von Sternmotoren gegen Beschuss einen weiteren Vorteil dar.
Geschichte
Der erste Umlaufmotor wurde 1899 von Stephen Balzer gebaut. Die ersten Sternmotoren mit stehenden Kurbelgehäuse folgten Anfang des 20. Jahrhunderts und wurden von Luftfahrtpionieren wie Louis Bleriot als Flugmotoren eingesetzt. Bis zum Ende des Ersten Weltkrieges waren Umlaufmotoren die vorherrschende Bauform von Sternmotoren. Standmotoren in Sternbauweise setzten sich erst nach dem ersten Weltkrieg durch, verdrängten die unwirtschaftlichen Umlaufmotoren dann aber vollkommen.
Obwohl Sternmotoren vor allem in der Luftfahrt verwendet wurden, gab es auch andere Anwendungen in Booten und Landfahrzeugen. Das Megola-Motorrad, das über einen 5-Zylinder-Umlaufmotor im Vorderrad verfügte, wurde aufgrund seiner Fahrleistungen und der ungewöhnlicher Bauform sehr bekannt. Die M4A1-Variante des im Zweiten Weltkrieg eingesetzten amerikanischen Sherman-Panzers wurde in von einem Whirlwind-Flugmotor in Sternbauweise angetrieben. Prototypen des Volkswagens wurden ebenfalls mit einem 5-Zylinder-Sternmotor projektiert.
Durch seine große Stirnfläche bei gegebener Zylinderzahl war der einreihige Sternmotor für den Hochgeschwindigkeitsflug ungeeignet, und mit der Einführung strömungsgünstiger Eindecker in der militärischen Luftfahrt, die in den 1930er Jahren stattfand, erwiesen sich wassergekühlte V-Motoren als den luftgekühlten Sternmotoren überlegen. Erst mit der Einführung von Doppelsternmotoren, die bei gleicher Stirnfläche über die doppelte Zylinderzahl verfügten, wurden Sternmotoren wieder konkurrenzfähig.
Bei größeren Flugzeugen wie den amerikanischen Langstreckenbombern im Zweiten Weltkrieg, die durchweg mit Sternmotoren ausgerüstet waren, fiel die größere Stirnfläche des Motors gegenüber der Gesamtgröße des Flugzeuges kaum ins Gewicht. Durch den massenhaften Einsatz von Sternmotoren in der USAAF wurden die amerikanischen Sternmotoren auf einen sehr hohen Entwicklungsstand gebracht, und da der Einsatz von Turboladern außerdem einen geringen Treibstoffverbrauch ermöglicht hatte, wurden luftgekühlte Sternmotoren nach dem zweiten Weltkrieg der in der Zivilluftfahrt vorherrschende Motortyp.
Der Fortschritt in der Entwicklung von Abgasturbinen mündete in der Entwicklung von Turbo-Compound-Motoren, die zum Beispiel in der Lockheed Super Constellation eingesetzt wurden. Bei den Compound-Motoren wurde die Abgasenergie über eine Turbine und eine hydraulische Kupplung als zusätzlicher Antrieb der Propellerwelle verwendet.
Als Propellerturbinen im gleichen Leistungsbereich wie die damals eingesetzten Sternmotoren zur Verfügung standen, verdrängten sie aufgrund ihrer einfachen Bauweise, großen Zuverlässigkeit und verbesserter Wirtschaftlichkeit die Sternmotoren vom Markt. Da der Sternmotor im niedrigen Leistungsbereich mit den günstigeren und kompakteren luftgekühlten Boxermotoren konkurriert und Propellerturbinen heute alle anderen Leistungsbereiche wirtschaftlich abdecken, werden Sternmotoren heute kaum noch eingesetzt.
