Warum verwendet Porsche einen Boxermotor? | Stirlingkit

Unter den legendären Sportwagenmarken sticht Porsche nicht nur durch sein elegantes Design und seine Hochleistungsfahrzeuge hervor, sondern auch durch seine einzigartige Motorenauswahl. Porsche setzt seit Jahrzehnten auf Boxermotoren und hebt sich damit von anderen Automobilherstellern ab.

Was ist ein Boxermotor?

Bei Boxermotoren, auch H-Motoren oder Flachmotoren genannt, sind die Zylinder horizontal angeordnet. Die häufigste Bauform von Flachmotoren ist der Boxermotor, bei dem sich die Kolben jedes gegenüberliegenden Zylinderpaars gleichzeitig vor und zurück bewegen. Boxermotoren sind eine Art Flachmotor. Bei dieser Bauform sind die Kolben gleichmäßig auf beiden Seiten der Kurbelwelle verteilt und bewegen sich horizontal nach links und rechts. Diese Bauweise reduziert die Gesamthöhe und -länge des Motors, senkt den Schwerpunkt des Fahrzeugs und verbessert seinen ruhigen Lauf. Durch den Einbau des Motors entlang der Mittellinie des Fahrzeugs gleichen sich die von den Kolben auf beiden Seiten erzeugten Drehmomente aus, wodurch die Vibrationen während der Fahrt deutlich reduziert werden. Darüber hinaus konnten die Motordrehzahl deutlich verbessert und der Geräuschpegel gesenkt werden.

Obwohl mehrere Marken, darunter Ferrari, Lancia, Alfa Romeo und Chevrolet, bereits Boxermotoren eingesetzt haben, wird diese Technologie derzeit vorwiegend von Porsche und Subaru genutzt. Porsche ist stolz auf seine Expertise in der Boxermotorentechnologie, die sich in Modellen wie dem Porsche 718 (Cayman, Boxster) und dem 911 widerspiegelt. Andere Marken haben jedoch die Vor- und Nachteile abgewogen und sich schließlich gegen die Verwendung dieser Technologie entschieden.

Foto von Google

Was ist das Gute an Boxermotoren?

Einer der Hauptvorteile eines Boxermotors ist sein niedriger Schwerpunkt, der den Anforderungen von Sportwagen optimal gerecht wird. Die Motorstruktur positioniert Kolben, Zylinderblock und Boden parallel, was zu einer geringeren Gesamthöhe und -länge führt. Diese kompakte Motoranordnung benötigt weniger Platz im Innenraum und senkt den Fahrzeugschwerpunkt deutlich. Tatsächlich senken viele modifizierte Fahrzeuge den Schwerpunkt durch die Verlagerung der Batterie und den Austausch der Stoßdämpfer, was das Fahrverhalten verbessert. Die kompakte Motoranordnung minimiert zudem das Wackeln in Kurven und verbessert die Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten.

Ein niedriger Schwerpunkt bietet mehrere Vorteile, darunter verbesserte Dynamik, Bremsleistung und Fahrstabilität. Im Hinblick auf die Fahrstabilität verbessert ein niedriger Schwerpunkt die Kurvenstabilität und ermöglicht höhere Kurvengrenzen. Die „flache“ Zylinderanordnung senkt nicht nur den Fahrzeugschwerpunkt, sondern sorgt auch für eine flache und niedrige Frontpartie, was die Fahrstabilität weiter verbessert.

Foto von Google

Der zweite nennenswerte Vorteil ist der hervorragende Fahrkomfort, die Leistung und die gleichmäßige Beschleunigung von Boxermotoren. Die ausgeglichene Kolbenbewegung, typischerweise mit einem 180-Grad-Versatz, reduziert den Bedarf an Ausgleichsgewichten für die Kurbelwelle und ermöglicht höhere Motordrehzahlen. Diese Motoren können sogar eine niedrige Drehzahl von 650 U/min aufrechterhalten und gleichzeitig einen gleichmäßigen Betrieb gewährleisten. Darüber hinaus weisen Boxermotoren im Vergleich zu anderen Motortypen einen geringeren Kraftstoffverbrauch auf. Anders als bei Reihenmotoren, bei denen sich die Kolben auf und ab bewegen, bewegen sich die Kolben bei Boxermotoren horizontal, sodass sie nicht gegen die Schwerkraft arbeiten müssen. Dieser strukturelle Vorteil, gepaart mit der selbstausgleichenden Eigenschaft des Boxermotors, führt zu einem gleichmäßigeren Motorlauf. Leichte Kurbelwellen und Schwungräder ersetzen Ausgleichsteile wie Ausgleichswellen und ermöglichen so eine schnellere Beschleunigung und höhere Drehzahlen.

Porsche setzt in seinen Sportwagen-Baureihen, unter anderem in den Modellen 718 und 911, ausschließlich Boxermotoren ein. Diese Motoren bieten einen niedrigen Schwerpunkt und eine gute Dosierbarkeit und sind somit optimal auf die Anforderungen dieser Sportwagen abgestimmt.

Foto von Google

Ein weiteres besonderes Merkmal von Boxermotoren ist ihre Fähigkeit, Vibrationen und Geräusche zu unterdrücken. Die symmetrische Anordnung der Zylinder ermöglicht die Unterdrückung von Kolbenvibrationen. Die entgegengesetzten Bewegungsrichtungen von linkem und rechtem Kolben gleichen sich effektiv aus. Es ist vergleichbar mit dem Zusammenziehen eines Gummibands, das in der Mitte leicht entspannt wird – es gibt kein Aufprallen auf der Hand. Umgekehrt prallt ein Ende des Gummibands, während es straffgezogen wird, von der Hand ab. Die symmetrische Anordnung des Boxermotors mildert vibrationsbedingte Probleme.

So gut, warum nutzen es nicht auch andere Autohersteller?

Boxermotoren sind mit inhärenten Nachteilen und Herausforderungen verbunden, die erklären, warum sie bei anderen Automobilherstellern nicht auf breiter Front eingesetzt werden.

Zu den größten Problemen zählen Schmierprobleme und das niedrige Drehmoment des Motors. Die komplexe Struktur des Boxermotors stellt eine Herausforderung für die Ölschmierung dar. Die horizontale Zylinderanordnung führt zu kürzeren Zylinderbohrungen und Kurbelwellenhebeln im Vergleich zu V- oder L-förmigen Anordnungen. Dadurch ist die Leistung des Motors bei niedrigem Drehmoment naturgemäß geringer. Durch die Schwerkraft sammelt sich Öl am Kolbenboden an, was zu unzureichender Schmierung auf einer Zylinderseite führt. Dies führt zu weniger Schmieröl oben und zu viel Öl unten, was die Schmierleistung erheblich beeinträchtigt.

Zudem erhöht die erforderliche Präzisionsfertigung von Boxermotoren die Wartungskosten. Die breitere Gehäusekonstruktion dieser Motoren schränkt zudem die Flexibilität bei der Auslegung ein. Die horizontale Hin- und Herbewegung des Kolbens, beeinflusst durch seine Schwerkraft, führt zu ungleichmäßigem Verschleiß an den oberen und unteren Innenflächen der Zylinderlaufbuchse. Die Reibung zwischen Zylinderlaufbuchse und Kolbenringen trägt maßgeblich zum Gesamtreibungsverlust des Motors bei. Diese unterschiedlichen Verschleißmuster können zu Problemen wie Zylinderverschleiß und Zylinderexplosionen führen, wie sie beim Subaru EJ257-Motor auf dem nordamerikanischen Markt beobachtet wurden.

Zwar lassen sich Probleme mit ungleichmäßiger Schmierung und Verschleiß beheben, doch Lösungen wie spezielle Schmieröle sind mit höheren Kosten verbunden. Beispielsweise verfügen Porsche 911-Modelle über drei Ölpumpen, um einen ausreichenden Öldruck zu gewährleisten. Einige moderne Modelle verfügen sogar über fünf Pumpen, was die Kosten für Motoröl erhöht. Auch das Problem des ungleichmäßigen Verschleißes konnte durch Fortschritte in der Materialtechnologie gemildert werden.

Foto von Google

Darüber hinaus sind Boxermotoren komplexer und teurer in der Herstellung. Für einen Boxermotor mit zwei obenliegenden Nockenwellen sind im Vergleich zu einem Vierzylinder-Reihenmotor zusätzliche Nockenwellen sowie Ansaug- und Auslasssysteme erforderlich. Die unterschiedliche Anordnung und Kolbenverteilung führen außerdem zu unterschiedlichen Formkomponenten auf beiden Seiten, was eine separate Formherstellung erforderlich macht und die Produktionskosten erhöht. Um die Effizienz und Haltbarkeit des Motors sicherzustellen, sind präzise Berechnungen und Konstruktionen für Faktoren wie Ansaug- und Auslasswinkel, Form der Luftströmung in der Brennkammer und Ventilstruktur erforderlich, was den Konstruktionsaufwand und die Produktionskosten weiter erhöht. Außerdem ist der Montageprozess für Boxermotoren kompliziert, insbesondere wenn die beiden mittleren Zylinder symmetrisch zusammengefügt werden müssen. Schon ein kleiner Montagefehler kann zu Kolbenverschleiß im Zylinder führen und so die Lebensdauer des Motors verkürzen.

Die breitere Karosserie und die Längsanordnung von Boxermotoren erschweren einfache Aufgaben wie das Aus- und Einbauen von Zündkerzen. Zudem sind die Wartungskosten für Boxermotoren aufgrund der geringeren Verbreitung tendenziell höher, da viele Teile importiert werden müssen.

Eine weitere Herausforderung sind die hohen Festigkeitsanforderungen an das Bewegungspaar des Motors. Die Bewegung gegenüberliegender Kolben, die gleichzeitig den oberen oder unteren Totpunkt erreichen, übt im 180-Grad-Ausrichtungsquadranten erhebliche Zugspannungen auf die Kurbelwelle aus. Daher ist eine sorgfältige Festigkeitsauslegung von Kurbelwelle und Pleuelstange für das kinematische Paar horizontal angeordneter Motoren entscheidend.

Letztendlich entscheiden sich andere Automarken gegen den breiten Einsatz von Boxermotoren, da sie keine zwingende Notwendigkeit sehen, die mit dieser speziellen Motorkonfiguration verbundenen Herausforderungen und Nachteile zu überwinden.

Foto von der Website https://www.sportsubaru.com/

Entwicklung des Porsche Boxermotors:

Porsches Entwicklung des Boxermotors begann mit einem luftgekühlten 2,0-Liter-Sechszylindermotor. Der Porsche 911 war von Anfang an als Hochleistungssportwagen konzipiert und verfügte über fortschrittliche und teure Technologie. Aufgrund der luftgekühlten Konstruktion, der Längseinbaulage des Motors im Heck und der Möglichkeit zum Heck- oder Allradantrieb war der Motorraum des 911 begrenzt. Porsche stellte dem Motor zunächst nur 2,7 Liter zur Verfügung.

Zu Beginn der 1970er Jahre machten der steigende Leistungsbedarf und die Einführung von Katalysatoren und bleifreiem Benzin eine Vergrößerung des Motorvolumens erforderlich. Porsche schöpfte aus der gesammelten Technologie und Rennsporterfahrung und erzielte Durchbrüche, indem es den Zylinderblock verstärkte, die Zylinderwandstärke reduzierte und die Zylinderbohrung vergrößerte. Durch die Verwendung hochfester Metallmaterialien und elektronischer Kraftstoffeinspritzung konnten Maximaldrehzahl und Leistung des Motors deutlich verbessert werden. Trotz einer minimalen Vergrößerung des Gesamtmotors erforderte die optimierte Auslegung des 911-Motors mit mehr als 2,7 l Hubraum keine Verbreiterung des Hecks, sodass die Kompatibilität mit herkömmlichen Fahrzeugen gewahrt blieb. Im Wesentlichen stellten der begrenzte Platz im hinteren Motorraum in Verbindung mit seiner nach hinten geschobenen und kurzen Form eine Herausforderung für die Unterbringung eines größeren Motors dar, was schließlich zur Wahl eines Vierzylinder-Boxermotors führte.

Der Boxermotor hat sich zu einer ikonischen Porsche-Technologie entwickelt. Durch die Kombination des Boxermotors mit Direkteinspritzung erzielte Porsche umfassende Leistungssteigerungen. Diese Motorkonfiguration entfaltete ihr volles Potenzial in den 911-Modellen und wurde erfolgreich in den kleineren Sportwagen Boxster und Cayman eingesetzt. Die Verwendung von Boxermotoren wurde über Generationen hinweg weitergegeben und ist zum kulturellen Erbe von Porsche geworden. Sein einzigartiger Tuning-Stil und seine Leistungsmerkmale machen ihn zu einem integralen Bestandteil der Markenidentität.

Porsche Boxster/Cayman Motoraufbau:

Die Standard- und S-Serienmodelle des Porsche Boxster, Cayman und 911 verfügen über Vollaluminium-Kurbelgehäuse, die in einem speziellen Kokillengussverfahren hergestellt werden. Dieses Verfahren ermöglicht Porsche, das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Steifigkeit des Gehäuses zu erhöhen. Das Ergebnis ist ein geschlossenes Kurbelgehäuse mit integrierten Kurbelwellenlagern, die durch einen einzigen geschlossenen Zylinderkanal verbunden sind.

Foto von Google

Porsche Boxster/Cayman Motor-Kolbengestänge:

In den Porsche Boxster- und Cayman-Motoren kommen geschmiedete Aluminiumkolben zum Einsatz, um hohe Leistungsziele sicher zu erreichen. Verbesserungen an den Kolbenringen minimieren Reibungsverluste. Die Kraftübertragung auf das Kurbelgehäuse erfolgt über neu entwickelte Pleuelstangen mit erhöhter Härte und Dauerfestigkeit. Das optimierte Kolben- und Pleueldesign sowie die niedrige Kompressionshöhe ermöglichen die Herstellung von Komponenten mit optimalem Leistungsgewicht. Die geringere Trägheitskraft reduziert die Belastung des Kurbelwellenantriebs und trägt zu einem ruhigeren Motorlauf bei.

Foto von der Website https://www.ourismansubaruwaldorf.com/

Ansaugsteuermechanismus des Porsche Boxster/Cayman-Motors:

Porsche hat das Design der Einlasskanäle und Ventilsitzringe der Boxster- und Cayman-Motoren anhand umfangreicher Simulationsergebnisse optimiert. Diese Maßnahmen gewährleisten einen optimalen Ansaugluftstrom und vereinfachen den Fertigungsprozess. Das Ergebnis sind hohe Leistungs- und Drehmomentwerte. Die Ein- und Auslassnockenwellen wurden ebenfalls optimiert, um den Gaswechsel zu verbessern und so das maximale Drehmoment und die maximale Leistung zu steigern. Zusätzlich verfügen die Porsche-Boxermotoren über die VarioCam-Nockenwellensteuerung. Diese nutzt einen Flügelzellenregler und einen hydraulisch betätigten Kolben zur Steuerung der Einlassventile. Dieses System regelt den Hub der Einlassventile über eine Kennfeldsteuerung in einem Bereich von Maximal- und Minimalwerten.

Foto von Google

Die Langlebigkeit des Porsche-Boxermotors: Der wahre Grund

Boxermotor-Struktur:

Die Boxermotor-Bauweise konzentriert das Gewicht unter dem Motor und sorgt so für einen niedrigen Schwerpunkt. Dieser Vorteil verbessert das Fahrverhalten deutlich. Für Porsche, eine Marke, die sich sportlicher Leistung verschrieben hat, ist diese Eigenschaft einfach unwiderstehlich.

Foto von Google

Turbo-Reaktionsgeschwindigkeit:

Der Boxermotor trägt zwar zu diesem Vorteil bei, doch der wahre Held ist Porsches VTG-System (Variable Turbine Geometry). Dieses System passt den Winkel an, in dem der Abgasstrom auf die Turbinenschaufeln trifft, und beeinflusst so das Ansprechverhalten der Turbine. Vereinfacht ausgedrückt: Die elektronische Motorsteuerung (ECU) kann die Turbo-Reaktionsgeschwindigkeit und die Ladedruckwerte an unterschiedliche Leistungsanforderungen anpassen.

Gewichtsverteilung horizontal gegenüberliegender Strukturen:

Porsche-Modelle mit Boxermotoren sind typischerweise hinten oder mittig eingebaut. Dank der Motoranordnung mit einer Gewichtsverteilung von 50:50 zwischen der linken und rechten Seite verteilt sich das Gewicht gleichmäßig auf die Hinterachse. Diese Gewichtsverteilung trägt zu einer verbesserten Traktion bei, insbesondere in Kombination mit der Heckanordnung des Boxermotors.

Foto von Google

Laufruhe des Boxermotors:

Porsche legt großen Wert auf schlanke Karosserielinien, ein wesentlicher Faktor für den anhaltenden Erfolg der 911-Reihe. Dieser Designansatz führt jedoch zu begrenztem Platz im Motorraum. Trotz der Herausforderungen durch die engen Platzanforderungen gelingt es Porsche, den Boxermotor dank seiner kompakten Abmessungen eng unterzubringen.

Insgesamt ermöglicht die Boxermotor-Anordnung einem kompakten und leichten Motor, der hohe Leistung erzeugt. Die kompakte Bauweise ermöglicht eine tiefere Motorplatzierung und damit einen niedrigeren Schwerpunkt. Dies wiederum verbessert das Handling von Porsche-Sportwagen, insbesondere in Kurven, deutlich. Durch die Gewichtsverteilung zugunsten der Antriebsachse verbessert sich die Traktion deutlich, wenn der Boxermotor hinten eingebaut ist. Darüber hinaus verbessert die horizontale Anordnung den Kraftstoffverbrauch bei steigender Motorleistung. Dank seiner Leichtbauweise und des niedrigen Schwerpunkts liefert der Porsche 911-Motor außergewöhnliche Leistung und ist gleichzeitig alltagstauglich.

Porsche hat festgestellt, dass der Boxermotor perfekt zu seinem Streben nach Kontrolle und Leistung passt. Deshalb ist die Marke dieser Motorkonfiguration treu geblieben. Letztendlich ist es keine Frage von gut oder schlecht, sondern vielmehr eine Frage der Eignung und Übereinstimmung mit der leistungsorientierten Philosophie von Porsche.

Stirlingkit wird das TOYAN FS-B400 Flat-4 Nitro-Motormodell herausbringen, der Flat-6-Boxermotor befindet sich ebenfalls in der Entwurfsphase.

Design dieses neuen Toyan-Motors.

Dies ist das Prototyp-Motormodell.