Warum der Fünfzylinder so klingt

Man erkennt ihn, bevor man ihn sieht. Ein Fünfzylinder klingt nicht wie ein Vierzylinder, der sich anstrengt, und nicht wie ein Sechszylinder, der es nicht nötig hat. Er klingt kernig, ein bisschen rau, mit einem Wummern darunter, das nicht so recht zur Drehzahl passen will.

Dieses Wummern ist kein Zufall und kein Abgasklappen-Trick. Es ist eine direkte Folge davon, dass fünf eine ungerade Zahl ist – und es lässt sich in einer einzigen Rechnung zeigen.

Warum überhaupt fünf?

Zuerst die Frage, die sich jeder Konstrukteur stellen muss: Warum eine ungerade Zylinderzahl, wenn gerade so viel einfacher ist?

Die Antwort ist unromantisch und heißt Bauraum.

Ein Reihensechszylinder läuft ruhiger als alles andere – er hat weder freie Massenkräfte noch freie Massenmomente erster oder zweiter Ordnung. Er ist der Goldstandard. Er ist aber auch lang. Lang bedeutet: ein längerer Vorderwagen, mehr Gewicht vor der Vorderachse, ein größerer Motorraum, mehr Material, höhere Kosten.

Ein Vierzylinder passt überall hin, ist billig und leicht. Er hat aber freie Massenkräfte zweiter Ordnung, die man entweder mit Ausgleichswellen bekämpft oder eben spürt.

Der Fünfzylinder ist der Kompromiss dazwischen, und zwar ein sauber begründeter: mehr Hubraum und mehr Laufkultur als ein Vierer, kürzer und leichter als ein Sechser. Genau so hat Mercedes 1974 argumentiert, als es den ersten baute: Ein Sechszylinder wäre für den vorhandenen Motorraum zu lang, zu schwer und zu teuer gewesen.

Der Fünfzylinder ist also kein Übermut. Er ist eine Antwort auf ein Verpackungsproblem.

144 Grad, und die Reihenfolge, die alles ausmacht

Jetzt zur Mechanik.

Ein Viertaktmotor braucht für ein vollständiges Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen, also 720 Grad. Verteilt man diese 720 Grad gleichmäßig auf fünf Zylinder, ergibt sich ein Zündabstand von 144 Grad.

Zum Vergleich: Der Vierzylinder zündet alle 180 Grad, der Sechszylinder alle 120 Grad.

144 Grad ist ein unbequemer Wert. Beim Vierzylinder fällt jede Zündung genau auf einen Kolben im oberen Totpunkt, beim Sechszylinder überlappen sich die Arbeitstakte sauber. Bei 144 Grad überlappt sich zwar auch etwas – aber in einem Rhythmus, der sich nicht mit der Kurbelwellenumdrehung deckt.

Dazu kommt die Zündfolge 1-2-4-5-3. Sie ist nicht willkürlich gewählt, sondern das Ergebnis der Suche nach dem geringsten Übel: Sie verteilt die Belastung so über die Kurbelwelle, dass die Lager möglichst gleichmäßig arbeiten. Ihr hörbarer Nebeneffekt ist, dass abwechselnd direkt benachbarte und weit auseinanderliegende Zylinder feuern.

Das heißt: Die Druckwelle wandert nicht ordentlich von vorn nach hinten durch den Motor, sondern springt. Ein Teil des Klangcharakters entsteht genau hier, im Krümmer, bevor überhaupt ein Auspuff im Spiel ist.

Die halbe Ordnung – der eigentliche Grund

Und jetzt die Rechnung, wegen der dieser Artikel existiert.

Wie oft zündet ein Motor pro Kurbelwellenumdrehung?

1. Vierzylinder: vier Zündungen auf zwei Umdrehungen – also 2,0 pro Umdrehung.
2. Sechszylinder: sechs Zündungen auf zwei Umdrehungen – also 3,0 pro Umdrehung.
3. Fünfzylinder: fünf Zündungen auf zwei Umdrehungen – also 2,5 pro Umdrehung.

Da steht sie, die halbe Zahl.

In der Akustik nennt man Vielfache der Drehfrequenz Ordnungen. Ein Vierzylinder erzeugt seinen Hauptton in der zweiten Ordnung, ein Sechszylinder in der dritten – beides ganze Ordnungen. Der Fünfzylinder liegt in der 2,5. Ordnung, und das ist ein grundsätzlicher Unterschied.

Eine halbe Ordnung bedeutet, dass sich das Anregungsmuster erst nach zwei Umdrehungen wiederholt statt nach einer. Das Ohr hört dadurch eine zusätzliche, tiefer liegende Komponente – bei 3.000/min liegt die 2,5. Ordnung bei 125 Hertz, während ein Vierzylinder bei derselben Drehzahl 100 Hertz und ein Sechszylinder 150 Hertz erzeugt.

Der Fünfzylinder klingt also nicht deshalb anders, weil er „sportlicher“ abgestimmt wäre. Er klingt anders, weil seine Grundfrequenz an einer Stelle sitzt, die kein Vier- und kein Sechszylinder besetzen kann.

Das ist auch der Grund, warum sich der Klang nicht nachbauen lässt. Ein Vierzylinder mit Klappenauspuff kann laut werden, böse werden, blubbern – aber er kann seine Ordnung nicht ändern.

Was der Motor dafür bezahlt

Ehrlichkeit gehört dazu: Die ungerade Zylinderzahl kostet etwas.

Der Reihenfünfzylinder hat freie Massenmomente erster und zweiter Ordnung. Anschaulich: Der Motor will um seine Querachse kippeln, weil sich die Kräfte der einzelnen Kolben nicht paarweise aufheben, wie es beim Sechszylinder der Fall ist.

Die Momente erster Ordnung lassen sich durch Gegengewichte an der Kurbelwelle und, wenn man will, durch eine Ausgleichswelle beruhigen. Auf einen vollständigen Ausgleich der zweiten Ordnung verzichtet man in der Praxis – der Aufwand steht nicht dafür.

Womit die Laufkultur des Fünfzylinders genau dort landet, wo man ihn konstruktiv hingestellt hat: besser als ein Vierzylinder, schlechter als ein Reihensechser. Er ist ein Kompromiss, und er verhält sich auch so.

Der Rest von dem, was man an ihm hört, ist die Kehrseite derselben Medaille. Was aus Ingenieurssicht ein nicht vollständig ausgeglichenes Massenmoment ist, heißt in der Anzeigenabteilung Charakter.

1974: Der Erste war ein Diesel

Die Legende schreibt den Fünfzylinder Audi zu. Der Erste war er nicht.

1974 stellte Mercedes-Benz den 240 D 3.0 der Baureihe W 115 vor – den ersten Serien-Personenwagen der Welt mit Fünfzylindermotor. Der OM 617 hatte 3.005 Kubikzentimeter und leistete 80 PS bei 2.400/min.

Die Fahrleistungen sind aus heutiger Sicht rührend: 19,9 Sekunden auf 100 km/h mit Schaltgetriebe, 148 km/h Spitze, 10,8 Liter Verbrauch. In der Bauzeit bis 1976 entstanden 53.690 Exemplare.

Aber es ging nie um Fahrleistungen. Es ging darum, in einen Motorraum, der für einen Vierzylinder ausgelegt war, mehr Hubraum zu bekommen, ohne die Front zu verlängern. Genau die Rechnung von Kapitel 1, zum ersten Mal in Serie durchgezogen.

1976: Audi macht daraus eine Marke

Zwei Jahre später kam der Motor, der die Sache berühmt machte.

1976 debütierte der Fünfzylinder-Ottomotor im Audi 100 C2; im März 1977 bekamen die ersten Kunden ihren Audi 100 5E. Technisch war er eine Verlängerung des Vierzylinders EA 827 auf 2,1 Liter mit 136 PS – also kein Neubau, sondern ein Zylinder mehr auf bekannter Basis. Auch das ist typisch: Der Fünfzylinder ist oft der Vierzylinder mit Zugabe.

Dann ging es schnell:

1. 1978 – der 100 5D mit 70-PS-Saugdiesel.
2. 1979 – der Audi 200 5T mit Turbo und 170 PS.
3. 1980 – der Audi quattro: erstes Serienfahrzeug mit Turbomotor und Allradantrieb, 200 PS.
4. 1983 – der Sport quattro mit 306 PS.
5. 1989 – der 100 TDI, 120 PS, Direkteinspritzung.
6. 1994 – der von Porsche mitentwickelte RS 2 Avant mit 315 PS.

Im Motorsport wurde es absurd: Walter Röhrl gewann 1987 das Bergrennen am Pikes Peak mit einem Sport quattro S1 mit 598 PS; die Rennmotoren dieser Baureihe erreichten bis zu 720 PS. Aus fünf Zylindern und gut zwei Litern Hubraum.

1997 war zunächst Schluss: Der Audi S6 mit 230 PS beendete die klassische Ära. Der Fünfzylinder war zu diesem Zeitpunkt technisch überholt – V6-Motoren waren kompakter geworden, und die halbe Ordnung, die ihn ausmachte, galt als Geräuschproblem.

2009 kam er zurück, im Audi TT RS mit 340 PS. Diesmal nicht, weil er der beste Kompromiss war, sondern weil er der einzige Motor im Konzern war, den man am Klang erkennt. Der aktuelle Fünfzylinder leistet 400 PS bei 500 Nm, hat ein Aluminium-Kurbelgehäuse, das rund 18 Kilogramm spart, plasmabeschichtete Zylinderlaufbahnen und eine hohlgebohrte Kurbelwelle.

Ein Motor, der einmal aus Platzmangel entstand, wird heute gebaut, weil er ein Alleinstellungsmerkmal ist. Das ist eine seltene Karriere.

Was bleibt

Der Fünfzylinder ist das Gegenteil einer Marketingerfindung. Er entstand aus einer Platzfrage, er hat einen messbaren Nachteil bei der Laufkultur, und sein berühmter Klang ist die hörbare Form genau dieses Nachteils.

Wer ihn das nächste Mal an der Ampel hört, kann mitzählen: zwei Zündungen und eine halbe, pro Umdrehung. Diese halbe ist alles.

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Über den Allradantrieb, der in diesem Motor sein Gegenstück fand: die Geschichte des Torsen im quattro. Über die Einspritzung, die in derselben Zeit alles veränderte: die Bosch KE-Jetronic. Und über die Baureihe, die den Fünfzylinder zugänglich machte: der Audi 90.

Quellen

1. Krafthand: Eins, zwei, vier, fünf, drei – Zündabstand von 144 Grad, Zündfolge 1-2-4-5-3 mit abwechselnd benachbarten und entfernten Zylindern, Oberwellen als Klangursache, Aluminium-Kurbelgehäuse mit 18 Kilogramm Ersparnis, plasmabeschichtete Laufbahnen, hohlgebohrte Kurbelwelle.
2. Fünfzylindermotor (Lexikoneintrag) – freie Massenmomente erster Ordnung und deren Reduktion durch eine Ausgleichswelle, Verzicht auf den Ausgleich zweiter Ordnung, Einordnung der Laufruhe zwischen Vier- und Sechszylinder, Audi 100 5E als erster Fünfzylinder-Ottomotor.
3. Mercedes-Fans: Vor 40 Jahren – der 240 D 3.0 – erster Serien-Pkw mit Fünfzylindermotor 1974, OM 617 mit 3.005 cm³ und 80 PS, Fahrleistungen, 53.690 gebaute Exemplare, die Begründung gegen den Sechszylinder aus Platz-, Gewichts- und Kostengründen.
4. auto motor und sport: 50 Jahre Audi-Fünfzylinder – Debüt 1976 im Audi 100 C2, Auslieferung ab März 1977, Ableitung aus dem EA 827 mit 2,1 Litern und 136 PS, 200 5T von 1979, quattro von 1980, Sport quattro, RS 2, Pikes Peak 1987 mit 598 PS, Ende 1997 im S6, Rückkehr 2009 im TT RS, heute 400 PS und 500 Nm.