Kommunalpolitik
Mit der UKL-Plattform für den Mini, der Anfang des Jahres kam und dem im September startenden BMW Active Tourer kommt eine neue Generation kommunaler BMW-Ottomotoren von drei bis sechs Zylindern auf die Straßen. Wir durchleuchten diese Aggregate
München, 8. August 2014 – Mit der UKL-Plattform für den Mini [1], der Anfang des Jahres kam und dem im September startenden BMW 2er Active Tourer [2] kommt eine neue Generation von Ottomotoren mit dem Kürzel B38 (für Dreizylinder) B48 (Vierzylinder) auf die Straßen. Später wird auf gleicher Basis noch ein Sechszylinder entstehen. Die neuen Motoren nutzen einen stark vereinheitlichten so genannten „Baukasten“. Gemeint ist damit ein hoher Anteil an Gleichteilen. Dass man dieses Prinzip auch auf die Selbstzünder ausgedehnt hat, liegt gewissermaßen auf der Hand, nachdem die Zünddrücke im Ottomotor mittlerweile an die der Diesel heranreichen. Die Kommunalität (also „Gleichteiligkeit“) liegt hier immer noch bei rund der Hälfte. Dennoch soll es hier zunächst nur um die Ottomotoren gehen.
„Stark vereinheitlicht“ – nicht „stark vereinfacht“
Gleichbleibende und sogar höhere Leistung muss bei ihnen aus noch kleineren Hubräumen bei weiter gesenkten Drehzahlen kommen, um die Effizienz steigern und die Abgaswerte senken zu können. Beides ist den weiter verschärften gesetzlichen Anforderungen geschuldet. Gleichzeitig steigen die Ansprüche der Kunden an Leistung, Ansprechverhalten, Laufkultur und Geräuschkomfort. Beispiel Aufladung: Für modernes Downsizing sind Turbolader unverzichtbar – ein Turboloch aber akzeptiert kein Mensch mehr. Die hohen Anforderungen aus beiden Richtungen machen verständlich, dass BMW auch seine neuen Motoren mit vollvariabler Ventilsteuerung (Valvetronic) sowie Direkteinspritzung ausstattet. Das alles auf weiter gesteigertem Niveau miteinander zu verbinden, führt zu einem bisher ungekannten konstruktiven Aufwand. „Stark vereinheitlicht“ bedeutet also mitnichten „stark vereinfacht“.
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Am traditionellen Zylindermittenabstand von 91 Millimetern ändert BMW nichts, weil die maximalen Einzelhubräume von einheitlich 500 Kubikzentimetern nicht wachsen. Beim 1,2 Liter kleinen Einstiegsmotor B38A12 (mit der „12“ als Hubraum-Hinweis) des Mini One wurde er auf 400 Kubikzentimeter reduziert. Die Zylindergrößen liegen damit in einem thermodynamischen und tribologischen Optimum – deutlich größere oder kleinere Einheiten hätten einen schlechteren Wirkungsgrad.
Auch das Bohrungs-Hub-Verhältnis wurde mit 1,15 bei allen Varianten, also auch beim 1,2-Liter-Motor, dem Optimum zwischen Verbrennungseffizienz und Reibungsminderung untergeordnet. Diese milde Langhubigkeit fördert das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und stört nicht im oberen, weil die höchste Leistung bereits ab 4500/min bzw. 4700/min bei Drei- respektive Vierzylinder mit einer spezifischen Leistung von 66,7 bzw. 70,5 kW/l abfällt. Ihre höchsten Drehmomente von 220 bzw. 280 Nm erreichen diese Motoren schon bei 1250/min.
Das waren bis vor Kurzem noch für Dieselmotoren typische Drehzahlbereiche. Selbst die Hochleistungsvariante des Dreizylinders für den BMW i8 mit 113,3 kW/l erreicht seine Leistung von 170 kW schon bei vergleichsweise niedrigen 5800/min. Dieses Downspeeding geht allerdings nicht mit einer lustfeindlichen Beschränkung auf niedrige Drehzahlen einher. In Kundenhand bieten die Motoren Elastizität und Leistung schon bei niedriger Drehzahl, denn der Bereich höchster Leistung wurde zwar nach unten erweitert, er reicht aber dennoch wie gewohnt bis 6000/min.
Erweiterter Bereich höchster Leistung
Das Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium wird nun in „Closed Deck“-Bauweise gegossen, also mit einem massiven Abschluss zwischen Gehäuseaußenwand und Zylindern. Darin befinden sich Durchtritte fürs Kühlmittel. Beim Vorgänger „N43“ standen die Zylinder noch frei. BMW nutzt die gute Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetalls, indem die Zylinderlaufbahnen nicht als Laufbüchsen eingesetzt werden. An ihrer Stelle dient eine im Lichtbogen aufgeschmolzene und flüssig auf die Zylinderwand gespitzte Beschichtung aus einer harten Eisenlegierung als Gleitbahn für die Aluminiumkolben. Die nach ihrer Nachbearbeitung nur 0,3 Millimeter messende Schicht behindert den Wärmetransport viel weniger als konventionelle Graugussbuchsen, zudem soll sie Reibungsverluste senken helfen. Das Kurbelgehäuse ist weit über die Kurbelwellenebene hinabgezogen ("deep skirt") und trägt auch die Gehäuse für die Ausgleichswellen. An diese Schürze wird die ebenfalls aus Aluminium bestehende Ölwanne geschraubt.
Die Kurbelwellen bestehen, wie üblich, aus geschmiedetem und an den Lagerstellen induktiv oberflächenvergütetem Stahl. Im Vierzylinder trägt die hinterste Kurbelwange ein Antriebszahnrad für die beiden Ausgleichswellen, beim Dreizylinder liegt der Antrieb für seine eine Ausgleichswelle dagegen vorn. Die geschmiedeten Stahlpleuel tragen eine Bronzebüchse im Auge und ein unteres Dreistofflager. Das im Querschnitt nach oben trapezförmig verjüngte Pleuelauge erfordert nur eine schmale Ausnehmung im fast ebenen Kolbenboden, was dessen Stabilität erhöhen hilft. Die Kurbelwelle läuft in Aluminium-Zweistofflagern, deren obere Hälfte in den lagerstühlen im Zylinderkurbelgehäuse liegen, ihre Unterseiten in von unten angeschraubten Kurbelwellenlagerdeckeln.
Zur Reibungsminimierung rotieren die im B38 mit eifacher, im B48 mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufenden, geschmiedeten Ausgleichswellen dagegen in Nadellagern. Beim Dreizylinder liegt sie seitlich oberhalb der Kurbelwelle und tilgt mit zwei Gewichten Schwingungen erster Ordnung. Beim Vierzylinder liegen die beiden Ausgleichswellen zur Unterdrückung von Schwingungen erster und zweiter Ordnung mit leichtem Höhenversatz rechts und links der Kurbelwelle.
Steuertrieb um die Ecke
Das Steuergehäuse für den Kettenantrieb der Nockenwellen liegt auf der Schwungradseite. Die Verwendung einer schmalen Einfachkette verkürzt das Aggregat und gibt im Quereinbau den Konstrukteuren mehr Freiheit in der Breite, beispielsweise bei der Radaufhängung. Bei einem späteren möglichen Längseinbau könnte der nach hinten versetzte Räderkasten den Platz zwischen Motor und Haube im Frontbereich wenigstens geringfügig vergrößern helfen und damit beitragen, die Anforderungen an den Fußgängeraufprallschutz zu erfüllen. Ein weiterer Vorteil sind exaktere Steuerzeiten, weil im Gegensatz zu einem Antrieb am vorderen Ende keine Verdrehschwingungen der Kurbelwelle in die Nockenwellen eingeleitet werden können. Das gilt vor allem für die kommenden Varianten mit sechs Zylindern. Die Kettenkaskade besteht aus zwei Ketten, von denen die untere ein halbhoch etwa zwischen Block und Kopf liegendes Zwischenrad antreibt, von dem aus dann eine weitere Einfachkette über beide Nockenwellenantriebsräder geführt ist. Jede dieser Ketten besitzt je einen Spanner für Last- und Leertrum, um trotz ihrer Längung durch Verschleiß die Steuerzeiten konstant zu halten. Der Ölpumpenantrieb kommt dagegen ganz ohne Spanner aus.
Hinter dem Kettenrad für den Nockenwellenantrieb sitzt ein gleich großes für den Antrieb der unter der Kurbelwelle auf einer gemeinsamen Welle rotierenden Fügelzellen-Ölpumpen für Ansaugung und Druckerzeugung, wobei letztere bedarfsgerecht per elektrischem Proportionalventil eingeregelt wird. Doch nicht nur der Druck kann geregelt werden, sondern auch der Volumenstrom. Das dient vor allem dazu, den Motor schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen. Das Öl transportiert dann Abwärme von der wassergekühlten Zone um die Auslassventile und – wenn eingebaut – den Turbolader mit wassergekühlter Aluminiumturbine aus einem Wasser-Öl-Wärmetauscher in den Ölkreislauf. Von diesem Aufwand bemerkt der Fahrer wenig, er ist ein Tribut an die Effizienz sowohl der Abgasreinigung als auch des Verbrauchs.
Der Zylinderkopf ist ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung gegossen und trägt, wie gewohnt, vier Ventile pro Zylinder. Kerzen und Einspritzventile stehen zentral im „V“ der Ventile. Beide Nockenwellen wirken über reibungsarme Rollenschlepphebel auf das Ventil und stützen sich im Kopf auf ein Hydroelement zum automatischen Ventilspielausgleich ab. Beide Nockenwellen sind mit einem Phasensteller zur Anpassung der Steuerzeiten ausgestattet, zusätzlich kann der Hub der Einlassventile über eine Exzenterwelle und Zwischenhebel variiert werden, Pumpverluste wie bei einer Regelung durch eine Drosselklappe fallen dadurch weg. Zudem kann mit den frei variablen Steuerzeiten gezielt Scavenging betrieben werden, also eine erweiterte Ventilüberschneidung zur besseren Füllung der Zylinder bei niedriger Drehzahl. In der neuen Generation wurden die Einbaulage von Nockenwelle und Exzenterwelle vertauscht. Dadurch liegen die Zwischenhebel in einem flacheren Winkel, was gegenüber dem Vorgängermotor vor allem Bauhöhe sparen hilft. Allerdings gerät der Kopf dadurch etwas breiter. Wie bisher wird die Benzinpumpe von einem Zusatznocken auf der Auslassnockenwelle angetrieben.
Verkleinerte Brennräume unter einem verbreiterten Kopf
Fortschritte im Detail wurden auch erzielt durch die Umgestaltung des Brennraums. Er konnte kompakter gestaltet werden nachdem es gelungen war, die Einspritzstrahlen zu verkürzen. Durch eine vergrößerte Kolbenmulde und ein verkleinertes, aber höheres Brennraumdach entsteht eine ausgeprägte Quetschkante. Durch diese Maßnahmen lässt sich bei einer im ein bar auf 11:1 heraufgesetzte Verdichtung die Verbrennung sicher (klopffrei) beherrschen und dabei die Effizienz der Verbrennung durch ein homogeneres Gemisch verbessern. Wohlgemerkt handelt es sich hier um einen aufgeladenen Motor. Gleichzeitig sinkt durch die Konzentration der Verbrennung auf einen kleineren Raum der Partikelausstoß.
Eine Besonderheit bei den Dreizylinder-Varianten stellt die Ausführung des Turbinengehäuses einiger Varianten in Aluminium dar. Bei den Vierzylindermotoren wird weiterhin ein Stahlgehäuse verwendet, weil in ihm die Auslasskanäle für die Zylinder eins und drei sowie zwei und vier getrennt geführt werden, um ein ähnlich gutes Ansprechverhalten wie beim Dreizylinder erreichen zu können. Bei BMW heißt das „Twinscroll“. Gusstechnisch sind zwei Kanäle jeweils mit Wassermantel zu diffizil. Diese Geschichte haben wir abgetrennt und hier veröffentlicht [5]. (fpi [6])
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[2] https://www.heise.de/news/Alles-von-vorn-2262562.html
[3] https://www.heise.de/bilderstrecke/4739162.html?back=2288387;back=2288387
[4] https://www.heise.de/bilderstrecke/4739162.html?back=2288387;back=2288387
[5] https://www.heise.de/news/Conti-BMW-Turbolader-mit-wassergekuehltem-Alugehaeuse-2282734.html
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