DER NEUE AUFGELADENE2,0-L-VIERZYLINDER-OTTOMOTOR VON BMW

derneue2,0-l-Vierzylinder-ottomotor

vonBMWmitturboaufladungvereint

einedeutlichereduktiondesKraftstoff-

verbrauchsmiteinerweiterenSteigerung

derFahrdynamikunddamitderFahrfreude.

dasmachtihnzueinemweiterenwichtigen

Bausteinderefficientdynamics-Strategie

desUnternehmens.derMotorwirdkünftig

weltweitinfastallenFahrzeugmodellreihen

vonBMWeingesetztwerden.

titelthema VIerzylINderMotoreN

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Vier statt sechs Zylinder

Der Leistungsbereich von 130 bis 200 kW stellt für die weltweit verkaufte BMW-Fahrzeugflotte motorisierungssei-tig einen wesent lichen Schwerpunkt dar. Bislang wurde dieser Bereich auf der ottomotorischen Seite durch Sechszylin-der-Saugmotoren abgedeckt. Diese Moto-risierungsform hat bei BMW eine lang-jährige Erfolgsgeschichte, und so war der Sechszylinder-Saugmotor über lange Zeit der weltweit am meisten verkaufte Motortyp innerhalb der BMW-Motorpa-lette. Nicht nur bezüglich der immer wieder ge priesenen Laufkultur, sondern auch mit – im Wettbewerbsumfeld ver-glichen – sehr guten Kraftstoffverbräu-chen konnte diese Motorfamilie immer wieder überzeugen.

Allerdings hat BMW unter dem Titel Twin-Power-Turbo sowohl beim Sechszy-linder als auch beim kleinen Vierzylin-der im Mini Ottomotoren mit Direktein-spritzung, vollvariabler Ventilsteuerung und Aufladung entwickelt und im Markt eingeführt, die im Hinblick auf Effizienz und Leistungsvermögen den Weg in die ottomotorische Zukunft weisen. Mit dem neuen 2,0-l-Ottomotor wird nun diese Technik auch auf das bei BMW volumen-stärkste Leistungssegment ausgerollt. Der neue Motor übernimmt dabei die be währten Konzeptmerkmale des auf-geladenen Sechszylindermotors wie das sogenannte Twin-Power-Turbo-Brennver-fahren (Turbocharging Valve tronic Direct Injection), die Twin-Scroll-Aufladetech-nik und die Vollaluminiumbauweise, die mit völlig neuen Techniken kombi-niert ist. So führt BMW als weltweit ers-ter Hersteller eine Zylinderlaufbahnbe-schichtung mittels Lichtbogendrahtsprit-zen (LDS) bei einem großserienmäßig gefertigten Motor ein.

ZielsetZung

Effizienter, leichter, leistungsfähiger, kom-pakter und konzeptionell ausgerichtet auf die kommenden, sich weltweit verschär-fenden gesetzlichen Anforderungen: Auf diesen einfachen Nenner lassen sich die wesentlichen Ziele für das neue Aggregat bringen. Dementsprechend wurden im Lastenheft folgende Ziele festgehalten: : hohe spezifische Leistung von bis zu

90 kW/l in der Topversion

: hohes Drehmoment schon bei geringen Drehzahlen knapp oberhalb des Leer-laufs (Low-End-Torque)

: instationäres Ansprechverhalten vergleichbar mit leistungsgleichen Saugmotoren

: niedrige Kraftstoffverbräuche sowohl in den gesetzlichen Testzyklen als auch im realen Kundenbetrieb

: Potenzial zur Erfüllung der weltweit schärfsten Abgasgrenzwertstufen ein-schließlich Sulev

: Leichtbauweise mit Aluminium-kurbelgehäuse und innovativer Laufbahntechnik

: minimale Triebwerksreibung durch optimierte Grundmotorauslegung und optimale Reibpartnergestaltung

: Übernahme der Verbrauchsmaßnahmen aus dem EfficientDynamics-Paket von BMW

: höchste Laufkultur durch einen Mas-senausgleich mit Höhenversatz und zusätzliche Maßnahmen zur Reduzie-rung der Drehungleichförmigkeiten

: Kompatibilität mit allen Einbau-bedingungen in der gesamten BMW-Fahrzeugpalette

: Eignung für Allradantrieb in allen Fahrzeugen

: Kompatibilität zu und Integration in die BMW-Fertigungsstrukturen.

motorkonZept

Der neue Vierzylinder-Ottomotor mit 2,0 l Hubraum wird in mehreren Leistungsstu-fen zwischen 135 und 180 kW ausgeführt werden, wobei alle Varianten die gleiche Grundkonzeption aufweisen. Der Motor zeichnet sich durch sehr kompakte Abmes-sungen, geringes Gewicht und sehr hohe statische und dynamische Steifigkeit aus. In ❶ sind der Längs- und der Querschnitt des Motors dargestellt. Die Brennräume sind in Vierventiltechnik mit zentraler Position des Injektors und der Zündkerze ausgeführt. Der Ladungswechsel erfolgt quer zum Motor, sodass die Frischluftzu-fuhr auf der linken und die Abgasführung auf der rechten Motorseite konzentriert ist. Mit Ausnahme der elektrischen Was-serpumpe liegen alle Nebenaggregate auf der linken Motorseite. Daher lässt die rechte Motorseite einen größtmöglichen Spiel-raum für die optimale Anordnung des Abgasturboladers und eines motornahen Katalysatorsystems.

fritZ steinparZeristleiterentwicklungottomotoren

beiderBMWAGinMünchen.

norbert klaueristAbteilungsleiterAntriebs-

funktionengroßereihenmotorenbeiderBMWAGinMünchen.

dirk kannenbergistleiterProjektereihenmotoren

beiderBMWAGinMünchen.

dr. harald ungeristAbteilungsleiterKonstruktion

reihenmotorenbeiderBMWAGinMünchen.

AUtoreN

92912I2011 72.Jahrgang

Die Motorgrunddimensionierung baut auf dem bei BMW seit vielen Jahren übli-chen Zylinderabstand von 91 mm für die Reihenmotoren mit 0,5 l Einzelzylinder-hubvolumen auf. Die Auslegung erfolgte auf einen maximalen Brennraumspitzen-druck von 130 bar und bietet somit aus-reichende Reserven für weitere Leis-tungssteigerungen über der Laufzeit der Baureihe. Die geometrischen Hauptab-messungen des neuen Motors sind in ❷ zusammengestellt.

Zylinderkurbelgehäuse

Das Vollaluminiumkurbelgehäuse, ❸, ist als Bedplate-Konzept mit Teilung auf Mitte der Kurbelwelle ausgeführt. Beide Komponenten sind in Druckguss aus der Legierung AlSi9Cu3 hergestellt. Zur Ver-steifung sind im Bedplate Lagerinserts aus Stahlguss mit eingegossen. Die Kur-

belwellenlagerung hat zur Zylinderachse einen Versatz von 14 mm. Diese Schrän-kung des Kurbeltriebs reduziert die Kol-benquerkraft während des Verbrennungs-takts. Zwischen den Zylindern ist für

eine intensive Stegkühlung jeweils eine Doppel-V-Kühlmittelbohrung angebracht.

Eine erstmalig bei einem Motor in Groß-serie realisierte Technik stellt die Laufflä-chenbeschichtung mittels Lichtbogendraht-spritzen dar. Dabei wird auf die zuvor vor-behandelte Laufbahn mittels Lichtbogen eine im Vergleich zu Graugussbüchsen sehr dünne (circa 0,3 mm dicke) Eisenle-gierung aufgespritzt. Bei der Vorbehand-lung der Lauffläche wird die Oberfläche durch einen Hochdruckemulsionsstrahl aufgeraut. Zudem wird dabei eine Vielzahl an Hinterschnitten erzeugt, in denen sich die gespritzte Lauffläche dann mechanisch verklammert. Ein geringeres Gewicht, bes-sere Wärmeabfuhr und mehr Spielraum für eine gezielte Stegkühlung gegenüber Grau-gussbüchsen sind die wesentlichen Vorteile dieser Technik.

Zylinderkopf, Ventiltrieb und einspritZsystem

Der Zylinderkopf, ❹, aus AlSi7MgCu0,5 wird im Schwerkraftkokillenguß abgegos-sen und anschließend einer festigkeitsstei-gernden Wärmebehandlung unterzogen. Eine sehr gute thermische Entlastung der Brennraumdächer wird durch einen tief-liegenden Wassermantel und eine rechne-risch optimierte Kühlmittelströmung in den kritischen Bereichen erreicht. Die Lager-stühle für die Nockenwellen- und Exzen-terwellenlagerungen sind mit angegossen.

Die Konfiguration und ein Großteil der Bauteile des Kettentriebs, der Ventiltriebs-komponenten inklusive Verstellmotor der variablen Ventilsteuerung Valvetronic, Injektoren und Zündkerzen wurden im Wesentlichen vom bereits auf dem Markt

❶Motorlängs-und-querschnitt

kenngrösse einheit min. leistung (ul) max. leistung (ol)

maximale leistung bei drehZahl

kWbei1/min 135bei5000 180bei5000

maximales drehmoment bei drehZahl

Nmbei1/min 270bei1250–4800 350bei1250–4800

abregeldrehZahl 1/min 7000 7000

speZifische leistung kW/I 67,7 90

speZifisches drehmoment Nm/I 135,3 175,4

max. speZifische arbeit kJ/I 1,7 2,2

masse din 70 020 kg 138,0 138,0

kenngrösse einheit

grundabmessungen

hubraum cm3 1995

bohrung mm 84

hub mm 90

hub-bohrungs-Verhältnis – 1,07

einZelZylinderVolumen cm3 499

pleuellänge mm 144,35

pleuelstangenVerhältnis – 0,312

blockhöhe mm 221,35

Zylinderabstand mm 91

kolben

kompressionshöhe mm 32,4

feuersteghöhe mm 7,9

kolbenbolZen

durchmesser mm 22

länge mm 52

Ventile

durchmesser einlass / auslass mm 32/28

Ventilhub einlass / auslass mm 9,9/9,3

schaftdurchmesser einlass / auslass

mm 5,0/6,0

VerdichtungsVerhältnis ol / ul – 10,0/11,0

❷KennwerteundHauptabmessungenderMotoren

titelthema VIerzylINderMotoreN

930

befindlichen und bewährten Sechszylinder-Turbomotor übernommen [1].

Die Nockenwellen sind gebaut ausge-führt und treiben zusätzlich zur Ventilbe-tätigung auch noch die Kraftstoffhochdruck-pumpe sowie die Vakuumpumpe an. Die Phasensteller für die Nockenwellen sind hydraulische Flügelzellenversteller mit 70° Verstellwinkel an der Einlaßwelle und 55° Verstellwinkel an der Auslasswelle. Das 4/3-Wege-Magnetventil zur Ansteuerung ist in der Zentralverschraubung der Nocken-wellen integriert.

Das Kraftstoffhochdrucksystem besteht im Wesentlichen aus den Komponenten Hochdruckpumpe, Kraftstoffrail, Hoch-druckleitungen und den Injektoren. Der Systemdruck ist kennfeldgeregelt und der maximale Systemdruck beträgt 200 bar. Die Hochdruckpumpe ist als Einstempelpumpe ausgeführt und wird direkt von der Aus-lassnockenwelle über einen Dreifachnocken angetrieben. Die Injektoren werden über Magnetventilaktuatoren be tätigt. Die Ein-spritzdüsen sind als Sechslochdüsen mit Lochdurchmessern von 0,2 mm ausgeführt und zeichnen sich durch eine sehr gute Kleinstmengenfähigkeit und -konstanz aus.

kurbeltrieb

Die fünffach gelagerte Kurbelwelle ist aus C38modBY geschmiedet und mit vier Gegen-gewichten ausgeführt. Die Haupt- und Hub-lagerdurchmesser betragen jeweils 50 mm. Alle Lagerstellen sind in duktiv gehärtet. Das Axiallager befindet sich mittig zwi-schen dem zweiten und dem dritten Zy -linder und ist als 180°-Lager ausgeführt. Zur Minimierung der Reibung und des Lagerverschleißes sind alle Lagerstellen gefinisht. Während die Hauptlager als Zweistofflager ausgeführt sind, erfordert ein gesicherter Betrieb über die Motor-lebensdauer in Kombination mit dem Mo -tor-Start-Stopp-System für die Pleuellager einen fünfschichtigen Aufbau. Die Pleuel sind ebenfalls geschmiedet und im kleinen Pleuelauge mit gewickelten Massivbron-ze büchsen versehen. Die Büchsen haben ei ne geschliffene Formbohrung und wer-den kalt in das Pleuel eingepresst.

Die gegossenen Aluminiumkolben sind in der ersten Ringnut hartanodisiert. Das Ringpaket besteht aus einem Rechteckring in der ersten Nut, einem Nasenminuten-ring in der zweiten und einem dreiteiligen

❸druckguss-AluminiumkurbelgehäusemitBedplate

❹zylinderkopfkomplettmitVentiltriebundKraftstoffsystem

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Ölabstreifring in der dritten Nut. Zur Mini-mierung der Triebwerksreibung wurde eine möglichst geringe Ringvorspannung ge wählt und der Kolbenschaft mit einer reibungsreduzierenden Beschichtung ver-sehen. Je nach Leistungsstufe kommen zwei Verdichtungsvarianten zum Einsatz, 10,0 bei den Topvarianten und 11,0 bei der Einstiegsvariante.

ölpumpe und massenausgleich

Die Ölversorgung des Motors erfolgt mit-tels einer volumenstromgeregelten Pendel-schieberölpumpe, die zusammen mit dem Massenausgleichsmodul als Einheit in der Motorölwanne angeordnet ist und vom vor-deren Kurbelwellenende über eine äußerst

geräuscharm laufende Zahnkette ange-trieben wird. Aufbau und Funktionalität des Massenausgleichs werden im Kapitel Akustik näher beschrieben. Der Motor-öldruck wird über ein Magnetventil für jeden Betriebspunkt bedarfsgerecht ein-gestellt und reduziert somit deutlich die Antriebsleistung.

Zylinderkopfhaube, kurbelgehäuseentlüftung und ölabscheidung

Die Zylinderkopfhaube aus Kunststoff hat einerseits Abdichtfunktion, andererseits ist die Kurbelgehäuseentlüftung mit der Ölabscheidung integriert. Die Kurbelge-häuseentlüftung wird wie bei Turbomoto-

ren üblich über zwei Pfade rückgeführt, im Teillastbereich nach der Drosselklappe direkt in die Ansaugkanäle des Zylinder-kopfs und bei höheren Lasten und damit Ladedrücken in die Ansaugluftführung vor das Verdichterrad des Abgasturboladers.

Um in jedem Einsatzfall und bei Betrieb in Märkten mit kritischen Kraftstoffquali-täten oder extremen klimatischen Verhält-nissen gute Ölqualität über das gesamte Ölwechselintervall sicherzustellen, ist der Motor mit einer Kurbelgehäusebelüftung ausgestattet. Diese stellt über einen geziel-ten, permanenten Frischluftstrom durch den Kurbelraum sicher, dass sich keine Kondensate im Motoröl ansammeln und beugt einer möglichen Ölverschlammung wirksam vor.

motorölkreislauf

Der Motorölkreislauf, schematisch in ❺ dargestellt, wird von der im hinteren Be -reich der Ölwanne angeordneten Pendel-schieberölpumpe mit Drucköl versorgt. Das Motoröl wird nach der Ölpumpe zuerst über einen plattenförmig aufgebauten Öl-Wasser-Wärmetauscher geleitet und dann dem Motor über den unmittelbar vor dem Hauptölkanal angeord neten Ölfilter zur Schmierung zugeführt. Vom Ölkreislauf aus werden über Ölspritz düsen die Kolben des Motors, der Kettentrieb, die beweglichen Elemente des vollvariablen Ventiltriebs Valvetronic einschließlich der Verzahnung des Stell motors und die Auslassnocken-welle gezielt mit Schmieröl versorgt.

Im Hauptölkanal ist ein kombinierter Öldruck- und -temperatursensor angeord-net. Das Drucksignal wird zur kennfeld-spezifischen Regelung der Motorölpumpe genutzt, das Temperatursignal fließt in den gesamthaften Motorwärmemanage-mentkoordinator ein, der in der Motor-steuerung hinterlegt ist. Zur permanenten Überwachung des Ölstands wird ein ther-mischer Ölniveausensor in der Ölwanne eingesetzt, sodass der Fahrer jederzeit über die Cockpitanzeige den aktuellen Motoröl-stand abrufen kann, beziehungsweise bei zu geringem Ölstand einen entsprechenden Warnhinweis erhält.

kühlkreislauf

Der Kühlmittelkreislauf, ❻, wird eben-falls bedarfsgerecht geregelt, ausgehend vom im Steuergerät hinterlegten Motor-

❺Motorölkreislauf

❻Kühlkreislauf

titelthema VIerzylINderMotoreN

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Mehr Leistung

Weniger Emissionen

thermomanagementkoordinator. Als Stellereinheiten stehen die elektrisch angetriebene Wasserpumpe, das Kenn-feldthermostat und der Elektrolüfter des Kühlsystems zur Verfügung. Mit den dadurch gegebenen Möglichkeiten lässt sich in jedem Betriebszustand eine opti-male Betriebstemperatur des Motors ein-stellen. Das Kennfeldthermostat ist zur schnellen Reaktionsmöglich keit auf spontane Laständerungen motoreintritts-seitig angeordnet. Die elektrische Wasser-pumpe kann einerseits im Warmlauf komplett stillgelegt werden, übernimmt andererseits nach Abstellen des Motors aus Volllast noch Kühlungsaufgaben im Nachlauf wie zum Beispiel die Kühlung des Turboladerlagerbereichs.

aufladung und abgasnachbehandlung

Um ein bestmögliches, saugmotorähn-liches Instationärverhalten zu erzielen, kommt der Auslegung des Abgasturbo-laders und des Abgaskrümmers hohe Bedeutung zu. Wie bei BMW üblich, wurden daher die Fluten zwischen den sich ladungswechselmäßig störenden Zylindern konsequent getrennt. Um diese Flutentrennung auch an der Turbine wirk-sam zu machen, ist auch das Turbinenge-häuse bis an das Turbinenrad heran als Twin-Scroll-Turbine ausgeführt. Der Auf-bau des Abgaskrümmers in einer Blech-schalenbauweise mit Luftspaltisolierung stellt sicher, dass möglichst wenig Energie im Abgas auf dem Weg vom Auslassventil bis zur Turbine verloren geht.

Der Wastegate-Kanal im Turbinengehäuse wurde extrem kurz ausgeführt und so ge -staltet, dass die vorhandene Abgaswärme im für die Abgasreinigung sehr wichtigen Katalysatorheizbetrieb wirkungsvoll an den motornah angeordneten Monolithen des Katalysators gelangt. Das Wastegate wird pneumatisch über eine großzügig di -mensionierte Unterdruckdose betätigt. Zur Vermeidung unerwünschter Pumpeffekte beim spontanen Lastabwurf ist verdichter-seitig ein Schubumluftventil integriert. Der Katalysator ist motornah angeordnet und hat einen kaskadenförmigen Aufbau. Der erste Monolith ist ein Hochzeller mit 600 cpsi, während für den zweiten Mo -nolith ein Träger mit 400 cpsi zum Einsatz

kommt. Zur Regelung und OBD-Überwa-chung ist die erste Lambdasonde im Ein-gangstrichter des Katalysators angeordnet, die zweite in der Katalysatorpatrone zwi-schen den beiden Monolithen. Die geome-trische Ausführung des gesamten Heißbe-reichs (Hotend) ist in ❼ dargestellt.

motorleistung

Der neue Vierzylinder-Ottomotor wird mehrere Leistungsstufen von 135 bis zu 180 kW abdecken und damit zum größten Teil die erfolgreichen Sechszylinder-Saug-motoren bei BMW ersetzen. Daran wird deutlich, dass mit dem neuen Motor der Downsizingansatz bei BMW konsequent

❼GesamtanordnungHeißbereich

❽drehmomentundleistungimVergleichzumVorgängermotor

titelthema VIerzylINderMotoreN

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fortgeführt wird. Zur Erreichung eines di rekten Ansprechverhaltens ist auch beim Vierzylindermotor die beschriebene Flutentrennung un umgänglich. Wie beim Sechszylinder-Ottomotor wird daher ein Monoturbolader nach dem Twin-Scroll-Prinzip verwendet, der unter Abwägung aller Aspekte wie Low-End-Torque, Ansprechverhalten, Maximalleistung, Emissionen und Kosten optimal ist [2].

Durch die Twin-Power-Turbo-Technolo-gie wird der in ❽ gezeigte, äußerst füllige Drehmoment verlauf erreicht, wobei insbe-sondere hervorzuheben ist, dass das maxi-male Drehmoment von 350 Nm bereits bei einer sehr geringen Drehzahl von 1250/min zur Verfügung steht. Im Vergleich zum Vorgänger-Saugmotor mit sechs Zylindern und 3,0 l Hubraum wird der enorme Vor-teil hinsichtlich des verfügbaren Drehmo-ments – insbesondere bei niedrigen Dreh-zahlen – deutlich. Die maximale Leistung von 180 kW wird bei 5000/min erreicht.

Durch die Twin-Power-Turbo-Technik kann das aus der Vergangenheit bekannte Turboloch fast gänzlich vermieden wer-den. Das sehr direkte Ansprechverhalten wird durch mehrere Maßnahmen erreicht. Aufgrund der Valvetronic entfällt die Tot-zeit, die gewöhnlich für das Befüllen des Sammlers anfällt. Da die Laststeuerung über die Verstellung der Einlassöffnung realisiert wird, erfolgt die Anhebung der Zylinderfüllung ohne Zeitverzögerung und kann unmittelbar für eine Erhöhung des Drehmoments genutzt werden.

Weiterhin ist es durch die vollvariable Ventilsteuerung möglich, im Bereich der saugmotorischen Volllast den Ventilhub der Einlassventile so zu reduzieren, dass der Restgasanteil minimiert und gleichzeitig der Liefergrad – Maß für die im Zylinder nach Abschluss des Ladungswechsels verblei ben-de Frischladung – maximiert wird. Im auf-geladenen Bereich wird bei niedrigen Dreh-zahlen über die entsprechen de Einstellung der Nockenwellensteller das positive Spül-gefälle – der Saugrohrdruck ist höher als der Abgasgegendruck – dafür genutzt, Rest-gas aus dem Zylinder zu spülen. Der ver grö-ßerte Abgasmassenstrom wiederum erzeugt ein entsprechend hohes Energieangebot für die Abgasturbine, woraus eine hohe An-triebsleistung für den Verdichter resultiert [3].

Der in ❾ gezeigte Lastsprung verdeut-licht die Vorzüge der Twin-Power-Turbo-Technik gegenüber einem konventionellen Motor ohne Valvetronic und mit einem

herkömmlichen Mono-Scroll-Turbolader. Der Twin-Power-Turbo-Motor erreicht das maximale Drehmoment nach einem Last-sprung um mehr als 40 % schneller als der konventionelle Motor. Durch die Kom-bination aus überragendem Drehmomen-tangebot bei niedrigen Drehzahlen und einem sehr direkten Ansprechverhalten ermöglicht der neue Vierzylinder-Ottomo-tor einen souveränen Betrieb bei außerge-wöhnlich niedrigen Drehzahlen.

kraftstoffVerbrauch

Trotz der hohen spezifischen Leistung von 75 Nm/l und 90 kW/l konnte ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis von 10:1 realisiert werden, welches die Basis für geringen Kraftstoffverbrauch ist. Bei Varianten mit reduzierter Leistung beträgt die Verdichtung sogar 11:1. Ein weiterer Baustein ist die stufenlose Einlassventil-hubverstellung mittels der Valvetronic,

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93512I2011 72.Jahrgang

welche die Entdrosselung des Ladungs-wechsels und die Reduzierung der Reib-arbeit infolge geringerer Teillasteinlass-ventilhübe erlaubt. Die Maßnahmen hin-sichtlich des Brennverfahrens führen, kombiniert mit weiteren innovativen mo -torischen Ansätzen, beispielsweise der kennfeldgeregelten Ölpumpe, der elektri-schen Wasserpumpe und reibungsreduzie-renden Maßnahmen, zu einem sehr gerin-gen spezifischer Kraftstoffverbrauch im gesamten Kennfeld [4].

Weiterhin ermöglicht das Twin-Power-Turbo-Technikpaket mit hohem Drehmo-mentpotenzial bei niedrigen Drehzahlen sowie di rektem Ansprechverhalten ein Fahren bei niedrigen Drehzahlen. Insbe-

sondere in Kombination mit den Achtgang-Automatikgetrieben so wie einer langen Hinterachsübersetzung fährt der Kunde in Kennfeldpunkten mit sehr geringem spezi-fischen Verbrauch. Durch die Kombination aus spezifischer Verbesserung des Ver-brauchs im Kennfeld und Lastpunktver-schiebung konnte der Verbrauch je nach Fahrzeugtyp und Ge triebeart gegenüber dem Vorgänger um circa 15 % reduziert werden. ❿ zeigt, dass die EfficientDyna-mics-Ziele erreicht worden sind: Der neue Vierzylindermotor mit Twin-Power-Turbo-Technik ist dem Vorgänger, dem Sechs-zylinder-Saugmotor, sowohl hinsichtlich Wirtschaftlichkeit als auch Leistungs-fähigkeit deutlich überlegen.

akustik

Da das neue Vierzylinderaggregat zum größten Teil die für ihre Laufruhe bekann-ten Sechszylinder-Saugmotoren ersetzen wird, wurde dem Schwingungs- und Akus-tikverhalten besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Neben einer Vielzahl von De -taillösungen – beispielsweise Versteifung Bedplate, entkoppeltes Kraftstoffrail und Stop-Choc-Elemente an den Injektoren – kommen erstmalig zwei Ausgleichswellen mit asymmetrischen, höhenversetzten Un -wuchtsmassen zum Einsatz. Vierzylinder-Reihenmotoren sind durch die freien Mas-senkräfte und -momente zweiter Ordnung besondere Herausforderungen. Mittels der beiden Ausgleichswellen können die freien Massenkräfte vollständig kompensiert wer-den, ⓫. Der Ausgleich der Massenmomente kann durch den Höhenversatz der Aus-gleichswellen ebenfalls beeinflusst werden: Durch den Höhenversatz wird ein Moment erzeugt, das dem freien Massenmoment des Kurbeltriebs entgegenwirkt.

Beim neuen Vierzylinder-Ottomotor wur -de die Momentenkompensation auf eine in-novative Weise optimiert. Da der konstruk-tiv umsetzbare Höhenversatz begrenzt ist, wurde die Wirkung der Ausgleichsgewichte auf die Momentenkompensation er höht, in-dem die Gewichte der beiden Ausgleichs-wellen asymmetrisch ausgeführt werden. Zusätzlich zu dem ausgleichenden Moment durch den Höhenversatz (blauer Pfeil in ⑪) ergibt sich ein weiteres ausgleichendes Mo-ment durch das unterschiedliche Gewicht der Unwuchtsmassen (rote Pfeile in ⑪). Dadurch entsteht ein größeres resultieren-des Moment, das einem effektiv größeren Höhenversatz entspricht. Die Kompensa-tion der Massenkräfte bleibt weiterhin vollständig erhalten. Aus dem höherwer-tigen Ausgleich der Massenmomente resul-tiert – insbesondere im niedrigen Lastbe-reich – ein deutlich abgesenktes Vibrations-niveau. Der Kunde erlebt im Fahrzeug ein weiches und müheloses Hochdrehen des Motors bis in höchste Drehzahlbereiche [5].

Zusammenfassung

Der neue 2,0-l-Vierzylinder-Turbomotor kombiniert souveräne Drehmomententfal-tung sowie hohe spezifische Leistung mit sehr geringem Kraftstoffverbrauch und ei -nem klassenadäquaten, ausgezeichneten Schwingungs- und Geräuschverhalten. Ba -

❾Vorteildrehmomentaufbaumittwin-Power-turbo-technikimVergleichzueinemMotormitdoppel-Vanos-VentilsteuerungundherkömmlichemMono-Scroll-turbolader(bei1500/min)

❿KraftstoffverbrauchundFahrdynamik

titelthema VIerzylINderMotoreN

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sis dafür bilden die sehr kompakte und steife Grundmotorkonstruktion, die Twin-Power-Turbo-Technologie mit vollvariabler Ventilsteuerung, Direkteinspritzung und Twin-Scroll-Turboaufladung. Mit diesem

neuen Motor wird BMW den Flottenver-brauch seiner Fahrzeuge weiter absenken sowie die Erfüllung der weltweiten Emissi-onsrichtlinien auch bei weiter steigenden Gesetzesvorgaben sicherstellen.

literaturhinweise[1] Klauer,N.;Kretschmer,J.;Unger,H.:derAntriebdesBMW 535iGranturismo.In:Atz 111(2009),Nr. 9,S.610–617[2] Steinparzer,F.;Unger,U.;Brüner,t.;Kannen-berg,d.:derneueBMW2,0-l-4-zylinder-ottomo-tormittwin-Power-turbo-technologie.32. Interna-tionalesWienerMotorensymposium,2011[3] langen,P.;reissing,J.;lopezAlvaredo,B.:dieneueBMWMotorenpalette–Basisfürnach-haltigeAntriebslösungen.32. InternationalesWie-nerMotorensymposium,2011[4] Steinparzer,F.;Schwarz,C.;Miklautschitsch,M.:dasBMW-tVdI-Brennverfahren–BasisfürNied-rigstemissionskonzepteundgeringenKraftstoffver-brauch.13. tagungderArbeitsprozessdesVer-brennungsmotors,Graz,2011[5] Klauer,N.;Klüting,M.;luttermann,C.;Sodtke,C.:derAntriebdesneuenBMW 528i–effizientedynamikundKomfortdurchdenneuenaufgela-denenVierzylinder-ottomotor.20. AachenerKollo-quiumFahrzeug-undMotorentechnik,2011

⓫FunktionsweisezweiAusgleichswellenmitasymmetrischen,höhenversetztenUnwuchtsmassen

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