8. Der Antrieb des neuen BMW Z4 M Roadsters: Quell purer Leidenschaft

Kaum ein anderes Fahrzeug verkörpert so authentisch die bedingungslose Leidenschaft am offenen und sportlich-aktiven Fahren. Wer weder bei der Leidenschaft noch beim Offenfahren und erst recht nicht beim Spaß an motorsportlichen Leistungen zu Kompromissen bereit ist, kommt am neuen BMW Z4 M Roadster nicht vorbei.

Mit Hochdrehzahlkonzept an die Spitze.

Der Motor des BMW Z4 M Roadsters macht deutlich, was die Charakterisierung „turbinenartige Kraftentfaltung und Laufruhe“ bedeutet, mit der alle M Motoren belegt werden. Kein anderer Serienmotor dieser Größe entfaltet einen so unwiderstehlichen Vorwärtsdrang.

Foto: Motorraum des BMW Z4 M Roadsters

Das M Hochdrehzahlkonzept generiert enorme Schubkraft aus hohen Drehzahlen, und es bekam dafür schon so manchen Preis – so zum Beispiel den weltweit anerkannten „Engine-of-The-Year-Award“, der den M Sechszylinder-Motor 2005 bereits zum fünften Mal in Folge als besten Motor seiner Hubraumklasse auszeichnet. Entsprechend lesen sich die Leistungsdaten: sechs Zylinder, 3.246 cm³ Hubraum, 252 kW/343 PS Leistung bei 7.900 U/min, 365 Newtonmeter Drehmoment bei 4.900 U/min, Höchstdrehzahl 8.000 U/min. Gleichzeitig bietet der Motor ein großes nutzbares Drehzahlband, das dem Fahrer im Alltag das Leben erleichtert. Bereits bei 2.000 U/min stehen 80 Prozent des maximalen Drehmoments bereit.

Respekteinflößende Performance.

Zwei andere Daten sagen noch viel mehr über die Performance des BMW Z4 M Roadsters aus: Die Literleistung beträgt 106 PS und überschreitet damit die magische Grenze von 100 PS je Liter Hubraum, was bis vor kurzem nur reinrassigen Rennmotoren gelang. Die Masse, die jede der 343 Pferdestärken tatsächlich zu bewegen hat, liegt bei nur 4,1 Kilogramm.

Umgesetzt in die Praxis bedeuten diese Zahlen: Der BMW Z4 M Roadster beschleunigt in nur 5,0 Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100. Für den Zwischenspurt von 80 auf 120 km/h im vierten Gang braucht er ebenfalls nur 5,0 Sekunden. Die Höchstgeschwindigkeit wird bei 250 km/h elektronisch abgeregelt.

Bei Hochleistungsmotoren trennt sich die Spreu vom Weizen.

Um optimale Leistung zu realisieren, bieten sich im Motorenbau prinzipiell drei Wege an: mehr Hubraum, Aufladung mittels Turbolader beziehungsweise Kompressor oder Erhöhung der Drehzahl mittels Hochdrehzahlkonzept. Bei solchen, physikalisch grundsätzlich anderen Wegen trennt sich die Spreu vom Weizen, selbst unter formal gleich starken Motoren. So leidet ein großvolumiger Motor unter seinem prinzipbedingten Mehrgewicht, dem größeren Platzbedarf, dem wenig sportlichen Charakter und dem höheren Kraftstoffverbrauch. Aufgeladene Motoren überzeugen selten im Kraftstoffverbrauch und noch weniger in der Spontaneität, also der blitzschnellen Reaktion des Motors auf Fahrerwünsche.

Hochdrehzahlkonzept als Königsweg.

Bleibt der dritte Weg: der eines kompakten, hochdrehenden Saugmotors. Für die Ingenieure von BMW M ist dies seit jeher – aus Motorsport-Tradition – der Königsweg: Leistungssteigerung durch Erhöhung der Drehzahl. Das Hochdrehzahlkonzept ist technologisch wesentlich anspruchsvoller und dementsprechend schwieriger umzusetzen.

Hohe Drehzahlen sind sehr anspruchsvoll.

Bei Drehzahlen von 8.000 U/min erreichen die Kolben des M Motors Geschwindigkeiten von mehr als 24 Metern pro Sekunde. Zum Vergleich: In aktuellen Formel-1-Triebwerken rotiert die Kurbelwelle zwar bis zu über 18.000 Mal pro Minute, jedoch legt jeder der zehn Kolben mit rund 25 Metern pro Sekunde kaum mehr Weg zurück.

Power ist mehr als nur eine große PS-Zahl.

Neben der Leistung kommt es auf die an den Antriebsrädern tatsächlich generierte Schubkraft an. Sie ergibt sich aus dem Motordrehmoment und der Gesamtübersetzung. Das Hochdrehzahlkonzept ermöglicht die optimale Getriebe- und Hinterachsübersetzung für eine beeindruckende Schubkraft.

Ein anschauliches Beispiel: Schaltet ein Radfahrer am Berg zurück, muss er zwar schneller treten, kann aber nahezu jede Steigung bewältigen. Bleibt er im selben Gang oder schaltet er gar hoch, muss er mit mehr Kraft in die Pedale treten oder absteigen. Die gleiche Kraft vorausgesetzt, wird von zwei Radfahrern stets derjenige gewinnen, der schneller tritt.

Leichtbau für mehr Drehfreudigkeit.

Wegen der hohen Drehzahlen und der hohen Verbrennungsdrücke besteht das Kurbelgehäuse aus Perlitguss. Die graphitbeschichteten Alugusskolben mit bearbeiteter Mulde werden durch Ölspritzdüsen gekühlt. Die Pleuel sind geschmiedete Stahlcrackpleuel.

Zylinderkopf mit Gleitschlepphebel und Querstromkühlung.

Der einteilige Vierventilzylinderkopf wird in der BMW Leichtmetallgießerei im Werk Landshut in einer Stahlkokille gegossen und verfügt über integrierte Luftkanäle für die Zusatzlufteinblasung, die für eine schnelle Aufwärmung und optimale Wirkung des Katalysators wichtig ist. Die Ventilsteuerung übernehmen Gleitschlepphebel. Die Ventilspieleinstellung erfolgt nur bei den großen Inspektionen, womit je nach Fahrzeugbeanspruchung Einstellintervalle von bis zu 40 000 Kilometern möglich sind.

Wegen des extremen Kühlbedarfs ist der Zylinderkopf nach dem Prinzip der Querstromkühlung konstruiert. Es minimiert die Druckverluste im Kühlsystem und gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Zylinderkopf beziehungsweise senkt Temperaturspitzen in den kritischen Bereichen ab. Jeder einzelne Zylinder wird gleichmäßig von einer optimalen Flüssigkeitsmenge umspült. Dabei strömt das Kühlmittel vom Kurbelgehäuse über die Auslassseite quer durch den Zylinderkopf und wird auf der Einlassseite über eine Sammelleitung dem Thermostat und Kühler zugeführt.

Optimale Motorsteuerung.

Gesteuert wird der Motor von einem speziell für den Roadster entwickelten Motorsteuergerät. Das Mehrprozessorsytem besitzt einen 32-bit-Micro-Controller mit zwei Timing-Coprozessoren mit hoher Taktfrequenz, um die komplexen Funktionsdaten und vor allem die hohe Maximaldrehzahl des Motors zu beherrschen. Andererseits hilft es, das Abgasverhalten zu verbessern. Die Rechenleistung dieses Systems liegt bei 64 Millionen Berechnungen pro Sekunde – eine unvorstellbare Datenmenge.

Integriert sind die Regelung der ein- und auslassseitig stufenlos verstellbaren Nockenwelle (Doppel-VANOS) mit separater Hochdruck-Ölversorgung, eine ständige Ölniveaukontrolle, eine Wegfahrsperre, die elektronische Drosselklappenregelung, sowie ein aufwendiges Diagnosesystem für die Wartung. Das Steuergerät errechnet zylinderindividuell für jeden Arbeitstakt den Zündzeitpunkt, die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt. Synchron dazu wird die optimale Nockenspreizung errechnet und eingestellt.

Hochdruck-Doppel-VANOS für optimalen Gaswechsel.

Die variable Nockenwellensteuerung Doppel-VANOS sorgt im Sechszylinder für einen optimal angepassten Gaswechsel. Damit können extrem kurze Verstellzeiten realisiert werden. In der Praxis heißt das: mehr Leistung, besserer Drehmomentverlauf, optimales Ansprechverhalten, weniger Verbrauch und weniger Emissionen.

Beispielsweise kann im unteren Last- und Drehzahlbereich mit mehr Ventilüberschneidung und damit mehr innerer Abgasrückführung gefahren werden. Hierdurch werden die Ladungswechselverluste reduziert und der Kraftstoffverbrauch verbessert. Abhängig von der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl – den Parametern für die Leistungsanforderungen an den Motor – werden die Spreizungen stufenlos und kennfeldgesteuert angepasst. Hierfür ist das über eine Doppelrollenkette mit der Kurbelwelle verbundene Kettenrad durch ein zweistufiges, schräg verzahntes Getriebe mit der Nockenwelle gekoppelt. Wird die Welle axial verschoben, ergibt sich durch die Schrägverzahnung eine radiale Relativbewegung zwischen Nockenwelle und Kettenrad. Dadurch kann der Spreizungswinkel der Einlassnockenwelle um 60 Grad, jener der Auslassnockenwelle um maximal 45 Grad Kurbelwinkel variieren.

Die M Doppel-VANOS erfordert hohe Öldrücke, um die Nockenwellen mit maximaler Geschwindigkeit und Präzision zu verstellen. Das Motoröl wird deshalb durch eine Hochdruckpumpe auf einen Arbeitsdruck von 115 bar gebracht. Die kennfeldgesteuerte Hochdruckverstellung garantiert kurze Verstellzeiten und somit für jeden Betriebspunkt last- und drehzahlabhängig den optimalen Spreizungswinkel synchron zu Zündzeitpunkt und Einspritzmenge.

Sichere Ölversorgung auch in extrem gefahrenen Kurven.

Die Schmierölversorgung des Motors erfolgt über eine Zahnradölpumpe. Ein System mit zwei Quasitrockensümpfen – einer aus dem Rennsport abgeleiteten Technik – stellt die Ölversorgung auch bei extremen Fahrzuständen sicher. Infolge der Sumpfanordnung und des um 30 Grad nach rechts geneigten Motors kann das Öl bei hoher Querbeschleunigung in Linkskurven und bei starkem Bremsen nicht mehr von selbst in den Sumpf zurückfliessen. Deshalb wurden eine Rückförderpumpe, die eine Baueinheit mit der Druckölpumpe bildet, sowie Ölabläufe in Zylinderkopf und Kurbelgehäuse vorgesehen. Bei starkem Bremsen und in schnell gefahrenen Linkskurven saugt die Rückförderpumpe das Öl aus dem vorderen Ölsumpf ab und pumpt es in den hinten liegenden Hauptsumpf.

Strömungsoptimierte Ansaugseite.

Um auch auf der Ansaugseite eine bestmögliche Lösung zu erreichen, besitzt der Z4 M Roadster-Motor einen Luftsammler mit optimierten Saugrohren sowie einen strömungsoptimierten Luftfilter.

Rennsport-typisch verfügt jeder Zylinder über eine eigene Drosselklappe. Damit der Motor bei niedrigen Drehzahlen feinfühlig anspricht, aber auch beim Abrufen hoher Motorleistung unmittelbar reagiert, werden die Drosselklappen vollelektronisch gesteuert. Hierzu wird die Position des Fahrpedals mittels zweier Potentiometer 200 Mal pro Sekunde abgetastet und ausgewertet.

Das Motormanagement reagiert auf Veränderungen und veranlasst die entsprechende Verstellung der Drosselklappen. Für deren maximale Öffnung werden nur 120 Millisekunden benötigt. Gleichzeitig lässt die elektronische Drosselklappenbetätigung die Übergänge vom Schub- in den Teillastbetrieb und umgekehrt absolut harmonisch verlaufen.
Zweiflutige Abgasanlage.

Die beiden Rohrfächerkrümmer der Abgasanlage sind auf gleiche Länge und Durchmesser sowie einen möglichst geringen Gegendruck ausgelegt. Die gesamte Abgasanlage führt zweiflutig durch die Schalldämpfer und bis zu den für M Fahrzeuge charakteristischen vier Endrohren. Im Sounddesign legten die BMW M Ingenieure Wert auf einen sehr rennsportlichen Klang. Jeder Abgasstrang enthält zwei trimetallbeschichtete, strömungsoptimierte Metall-Katalysatoren, die sich durch niedrigen Druckverlust, hohe mechanische Festigkeit sowie kurze Ansprechzeit nach dem Kaltstart auszeichnen. Die Abgaswerte entsprechen selbstverständlich der europäischen EU4-Norm beziehungsweise der US-amerikanischen LEV II.

Durch den guten Gesamtwirkungsgrad des Motors erreicht man nicht nur ein hohes Leistungs- und Drehmomentniveau, sondern auch einen günstigen Kraftstoffverbrauch. Trotz der hohen Fahrleistungen beträgt der Spritverbrauch nur 12,1 Liter Super Plus je 100 Kilometer im EU-Testzyklus.

Auf Tastendruck: mehr Fahrdynamik.

Nach jedem Anlassen des Motors stellt der BMW Z4 M Roadster zunächst eine sportwagentypisch sehr fein dosierbare Gaspedal-Charakteristik zur Verfügung. Über die „Sport“-Taste der elektronischen Drosselklappensteuerung (EDR) kann der Fahrer jedoch jederzeit eine progressivere Kennlinie bezüglich Gaspedalweg zu Drosselklappenöffnung aktivieren. Gleichzeitig werden dann die dynamischen Übergangsfunktionen der elektronischen Motorsteuerung auf eine spontanere Applikation umgeschaltet.

Sechsfaches Schaltvergnügen.

Das Konzept eines Hochdrehzahl-Motors geht dann auf, wenn der Motor mit einem entsprechend übersetzten Getriebe kombiniert wird. Nur so kann das verfügbare Drehmoment mittels kurzer Gesamtübersetzung in optimale Schubkraft umgesetzt werden. Das Schaltgetriebe mit sechs Gängen erfüllt diese Anforderungen in hervorragender Weise. Es wurde gemeinsam mit der Hinterachsübersetzung so ausgelegt, dass über das gesamte Schalt- und Drehzahlspektrum optimale Fahrleistungen erreicht werden. Um das Leistungsangebot des Motors optimal umzusetzen, ist die Hinterachse mit 3,62:1 übersetzt.

Kurze, knackige Schaltwege, hohe Laufruhe sowie eine präzise Führung des Schalthebels sind typisch für das handgeschaltete Sechsgang-Getriebe. Durch die insgesamt enge Abstufung der sechs Gänge sowie eine große Getriebespreizung zwischen kleinstem und größtem Gang kann der Fahrer auch bei sportlicher Fahrweise den jeweils idealen Gang schnell und sicher einlegen.

Quelle: BMW Presse-Information vom 25.10.05

Weiter: Das Fahrwerk des neuen BMW Z4 M Roadsters: Fahrvergnügen am Limit.