Der neue BMW 2,0l 4-Zylinder Ottomotor mit Twin Power Turbo Technologie

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1 Ing. F. Steinparzer, Dr.-Ing. H. Unger, Dipl.-Ing. T. Brüner, Dipl.-Ing. D. Kannenberg, BMW Group, München Der neue BMW 2,0l 4-Zylinder Ottomotor mit Twin Power Turbo Technologie Kurzfassung Mit Einführung eines völlig neu entwickelten 2,0 l Ottomotors mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung setzt BMW das Programm Efficient Dynamics konsequent weiter um. Der neue Motor wird im Leistungsbereich bis ca. 180 kw eingesetzt werden und damit die 3,0 l Sechszylinder Saugmotoren ersetzen. Der in Vollaluminiumbauweise ausgeführte neue Motor arbeitet mit dem sehr effizienten BMW spezifischen TVDI Brennverfahren bei dem Direkteinspritzung mit zentraler Injektorlage, vollvariable Einlassventilsteuerung und Abgasturboaufladung miteinander kombiniert sind. Eine Besonderheit ist der großserienmäßig erstmalige Einsatz einer neuen Zylinderlaufbahntechnologie, dem Lichtbogendrahtschweissen, das in Bezug auf die geometrische Gestaltung und die thermischen Randbedingungen bei der Kurbelgehäuseauslegung neue Freiräume eröffnet. Durch konsequente Optimierung des Grundmotors, einem aufwändigem Thermomanagement und dem Einsatz vieler verbrauchssparender Techniken wie z.b. bedarfsgerechten Nebenaggregateantriebe nimmt der neue Motor in seinem Leistungsbereich eine Spitzenstellung bezgl. Kraftstoffverbrauch ein. Da der neue Motor in einer Vielzahl verschiedener Fahrzeuge eingesetzt werden wird, vom 1er über Z4 bis hin zu 5er und X3 wurde der Motor zudem auf ein ausgesprochen gutes Geräusch-und Schwingungsverhalten hin entwickelt. Neben den sehr hohen Grundmotorsteifigkeitswerten kommt dabei dem Massenausgleich mit Höhenversatz und sehr hohem Ausgleichsgrad sowie dem Einsatz eines Fliehkraftpendels zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit eine hohe Bedeutung zu. Der Serienstart des neuen Motors erfolgt im BMW X1, die Ausrollung auf fast die gesamte BMW Fahrzeugflotte wird dann kurzfristig erfolgen.

2 Einleitung Der Leistungsbereich von 130 bis 200 kw stellt für die weltweit verkaufte BMW Fahrzeugflotte motorisierungsseitig einen wesentlichen Schwerpunkt dar. Bislang wurde dieser Bereich auf der ottomotorischen Seite durch Sechszylindersaugmotoren abgedeckt. Diese Motorisierungsform hat bei BMW eine langjährige Erfolgsgeschichte geschrieben und so war der Sechszylindersaugmotor über lange Jahre der weltweit am meisten verkaufte Motortyp innerhalb der BMW Motorenpalette. Nicht nur bezüglich der immer wieder gepriesenen Laufkultur, sondern auch mit im Wettbewerbsumfeld verglichen sehr guten Kraftstoffverbräuchen konnte diese Motorenfamilie immer wieder überzeugen. Auf der anderen Seite hat BMW unter dem Titel Twin Power Turbo sowohl beim Sechszylinder als auch beim kleinen Vierzylinder im Mini Ottomotoren mit Direkteinspritzung, vollvariabler Ventilsteuerung und Aufladung entwickelt und am Markt eingeführt, die im Hinblick auf Effizienz und Leistungsvermögen den Weg in die ottomotorische Zukunft weisen. Mit dem neuen 2,0 l Ottomotor (Bild 1) wird nun diese Technologie auch auf das bei BMW volumenstärkste Leistungssegment ausgerollt. Der neue Motor übernimmt dabei die bewährten Konzeptmerkmale des aufgeladenen Sechszylinders wie das TVDI Brennverfahren, die Twinscroll Aufladetechnologie, die Vollaluminiumbauweise kombiniert mit völlig neuen Technologien. So führt BMW als weltweit erster Hersteller das Lichtbogendrahtspritzen als Zylinderlaufbahnbeschichtung bei einem großserienmäßig gefertigtem Motor ein. Der neue Vierzylindermotor feiert seinen Ersteinsatz im Frühjahr diesen Jahres im BMW X1 und wird dann sukzessive in fast alle Fahrzeuge der BMW Flotte eingesetzt werden. Bild 1: Gesamtansicht 2. Zielsetzungen Effizienter, leichter, leistungsfähiger, kompakter und konzeptionell ausgerichtet auf die kommenden weltweit sich verschärfenden gesetzlichen Anforderungen. Auf diesen einfachen Nenner lassen sich die wesentlichen Ziele für das neue Aggregat zusammenfassen. Dementsprechend wurden im Lastenheft folgende Ziele festgehalten: - hohe spezifische Leistung mit bis zu 90 kw/l in der Topversion - hohes Low-End Torque bei Drehzahlen knapp oberhalb der Leerlaufdrehzahl - instationäres Ansprechverhalten vergleichbar mit leistungsgleichen Saugmotoren

3 niedrige Kraftstoffverbräuche sowohl in den gesetzlichen Testzyklen als auch im realen Kundenbetrieb - Potential zur Erfüllung der weltweit schärfsten Abgasgrenzwertstufen einschließlich Sulev - Leichtbauweise mit Aluminiumkurbelgehäuse und neuer innovativer Laufbahntechnologie - Minimale Triebwerksreibung durch optimierte Grundmotorauslegung und optimale Reibpartnergestaltung - Übernahme der Verbrauchsmaßnahmen aus dem BMW Efficient Dynamics Paket - Höchste Laufkultur durch einen Massenausgleich mit Höhenversatz und zusätzliche Maßnahmen zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeiten - Kompatibilität mit allen Einbaubedingungen in der gesamten BMW Fahrzeugpalette - Allradfähigkeit in allen Fahrzeugen - Kompatibilität zu und Integration in die BMW Fertigungsstrukturen. 3. Konzeption Der neue Vierzylinderottomotor mit 2,0 l Hubraum wird in mehreren Leistungsstufen zwischen 135 und 180 kw ausgeführt werden, wobei alle Varianten die gleiche Grundkonzeption aufweisen. Der Motor zeichnet sich durch sehr kompakte Abmessungen, geringes Gewicht und sehr hohe statische und dynamische Steifigkeit aus. In Bild 2 sind der Längs- und Querschnitt des Motors dargestellt. Die Brennräume sind in Vierventiltechnik mit zentraler Position der Einspritzdüse und der Zündkerze ausgeführt. Der Ladungswechsel erfolgt quer zum Motor, so dass die Frischluftzufuhr auf der linken und die Abgasführung auf der rechten Motorseite konzentriert sind. Mit Ausnahme der elektrischen Wasserpumpe sind alle Nebenaggregate auf der linken Motorseite konzentriert, so dass die rechte Motorseite einen größtmöglichen Spielraum für die optimale Anordnung des Abgasturboladers und eines motornahen Katalysatorsystems lässt. Bild 2: Motorlängs- und querschnitt

4 Die Motorgrunddimensionierung baut auf dem bei BMW seit vielen Jahren üblichen Zylinderabstand von 91 mm für die Reihenmotoren mit 0,5 l Einzelzylinderhubvolumen auf. Die Auslegung erfolgte auf einen maximalen Brennraumspitzendruck von 130bar und bietet somit ausreichende Reserven für weitere Leistungssteigerungen über der Laufzeit. Die geometrischen Hauptabmessungen des neuen Motors sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Tabelle 1: Kennwerte und Hauptabmessungen der Motoren 4. Grundmotor 4.1 Zylinderkurbelgehäuse Das Vollaluminiumkurbelgehäuse, Bild 3, ist als Bedplate-Konzept mit Teilung auf Mitte der Kurbelwelle ausgeführt. Die Abdichtung zwischen Gehäuse und dem sehr steifen Bedplate wird mit einem im Fertigungsprozess vollautomatisiert aufgebrachtem Flüssigdichtmittel gewährleistet. Beide Komponenten sind in Druckguss aus der Legierung AlSi9Cu3 hergestellt. Zur Versteifung sind im Bedplate Lagerinserts aus Stahlguss mit eingegossen. Die Kurbelwellenlagerung ist zur Zylinderachse mit einem Versatz von 14 mm dargestellt. Diese Schränkung des Kurbeltriebs reduziert einerseits die Kolbenquerkraft während des Verbrennungstakts und bringt andererseits thermodynamisch Vorteile. Zwischen den

5 Zylindern ist für eine intensive Stegkühlung jeweils eine Doppel-V-Kühlmittelbohrung angebracht. Bild 3: Druckgussaluminiumkurbelgehäuse mit Bedplate Eine erstmalig bei einem Motor in Großserie realisierte Technologie stellt die Laufflächenbeschichtung mittels Lichtbogendrahtspritzen dar (Bild 4). Dabei wird auf die zuvor vorbehandelte Laufbahn mittels Lichtbogen eine im Vergleich zu Graugussbüchsen sehr dünne Eisenlegierung aufgespritzt. Die Dicke der Schicht ist in bestimmten Grenzen über die Prozessparameter einstellbar. Ausgewählt wurde auf Basis detaillierter Untersuchungen eine Schichtdicke von ca. 0,3 mm. Bei der Vorbehandlung der Lauffläche wird durch ein Hochdruckemulsionsstrahlen ein Aufrauen der Oberfläche und die Bildung einer Vielzahl an Hinterschnitten erzeugt. In diesen Hinterschnitten erfolgt dann die mechanische Verklammerung der gespritzten Lauffläche. Diese neue Laufbahntechnologie bietet gegenüber konventionellen Lösungen eine Vielzahl an Vorteilen. Geringeres Gewicht, bessere Wärmeabfuhr und mehr Spielraum für eine gezielte Stegkühlung gegenüber Graugussbüchsen bzw. vollkommene Freiheit bei der Wahl des Kurbelgehäusewerkstoffes und mehr Robustheit gegenüber Alusil-Laufflächen sind hier zu erwähnen. Bild 4: Querschnittkurbelgehäuse mit LDS-Zylinderlauffläche

6 Zylinderkopf und Ventiltrieb Der Zylinderkopf (Bild 5) aus AlSi7MgCu0,5 wird im Schwerkraftkokillenguß mit Injektorcasting abgegossen und anschließend einer festigkeitssteigernden Wärmebehandlung unterzogen. Eine sehr gute thermische Entlastung der Brennraumdächer wird durch einen tiefliegenden Wassermantel und einer rechnerisch optimierten Kühlmittelströmmung in den kritischen Bereichen erreicht. Die Lagerstühle für die Nockenwellen- und Exzenterwellenlagerungen sind mit angegossen. Bild 5: Zylinderkopf komplett mit Ventiltrieb und Kraftstoffsystem Die Konfiguration des Kettentriebes, der Ventiltriebskomponenten, Einspritzdüsen und Zündkerzen wurde im Wesentlichen vom bereits auf dem Markt befindlichen und bewährten Sechszylinderturbomotor übernommen (Bild 6). Wesentliche Komponenten wie Ventile, Rollenschlepphebel, Ventilfedern, HVA-Elemente, und die einzelzylinderspezifischen Komponenten für die vollvariable Einlassventilsteuerung sind sogar Identteile. Die restlichen Umfänge sind konzeptgleich ausgeführt. Der sehr kompakte, innenliegende VVT Stellmotor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit integriertem Sensor zur Ermittlung der Exzenterwellenposition. Die Nockenwellen sind in gebauter Ausführung und treiben zusätzlich zur Ventilbetätigung auch noch die Kraftstoffhochdruckpumpe sowie die Vakuumpumpe an.