Die erste Benzin-Direkteinspritzung mit realen Verbrauchsvorteilen in der Fahrpraxis weiter auf Erfolgskurs: High Precions Injection macht jetzt auch die BMW Vierzylinder-Motoren zum Maßstab für effiziente Dynamik.

Mit der Benzin-Direkteinspritzung der zweiten Generation und einer Reihe von Maßnahmen im Motorenumfeld erschließt BMW jetzt auch auf dem Gebiet der Vierzylinder-Triebwerke eine neue Dimension der effizienten Dynamik. In der neuen Generation der Vierzylinder-Benzinmotoren kommt die als High Precision Injection bezeichnete Direkteinspritzung zum Einsatz, die den so genannten Magerbetrieb über einen weiten Drehzahlbereich hinweg ermöglicht und daher trotz einer nochmals gesteigerten Motorleistung erhebliche Verbrauchsreduzierungen im Alltagsbetrieb bewirkt. Damit wird die in den Reihensechszylinder-Motoren von BMW bereits erfolgreich eingeführte High Precision Injection nun für eine noch größere Zahl von Fahrzeugmodellen verfügbar. BMW setzt damit die Entwicklungsstrategie der effizienten Dynamik konsequent fort. Einmal mehr kommen moderne technische Lösungen, die mit der Freude am Fahren zugleich auch die Wirtschaftlichkeit steigern, frühzeitig in der gesamten Breite des Modellportfolios zum Einsatz.

Der wachsende Stellenwert verbrauchsgünstiger Motorisierungen wird so in besonders attraktiver Weise aufgegriffen und unterstützt. Die aktuellen Anforderungen des europäischen Automobilmarktes hinsichtlich Dynamik, Wirtschaftlichkeit und Emissionsverhalten werden mithilfe der Benzin-Direkteinspritzung im Magerbetrieb in idealer Form erfüllt.

Bei den neuen BMW Vierzylinder-Motoren wird die besonders präzise und daher einzigartig effizient agierende High Precision Injection darüber hinaus mit zahlreichen weiteren verbrauchsmindernden Maßnahmen kombiniert. Dazu gehören Brake Energy Regeneration, Auto Start Stop Funktion, Schaltpunktanzeige, eine neue elektrische Lenkung, eine druckgeregelte Kraftstoffpumpe und die Möglichkeit zur Abkopplung des Klimakompressors vom Riemenbetrieb des Motors. So lassen sich – entsprechend dem Leitmotiv der effizienten Dynamik – eine gesteigerte Leistung und eine optimierte Wirtschaftlichkeit gleichermaßen realisieren. Der neue Vierzylinder-Benziner mit 2,0 Litern Hubraum erzeugt in seiner leistungsstärksten Variante eine im Vergleich zum Vorgängermotor um 15 kW höhere Leistung. Zugleich weist beispielsweise der neue, mit diesem Motor angetriebene BMW 120i einen im Vergleich zum Vorgängermodell um rund 14 Prozent auf nunmehr 6,4 Liter je 100 Kilometer reduzierten Kraftstoffkonsum (Durchschnittsverbrauch im EU-Testzyklus) auf. Beim neuen BMW 118i wurde bei einer gleichzeitigen Leistungssteigerung um 10 kW sogar eine Verbrauchsreduzierung um rund 19 Prozent auf 5,9 Liter je 100 Kilometer erzielt. Zugleich sank der CO2-Ausstoß bei diesem Modell auf 140 Gramm je Kilometer.

Drehfreude, Laufruhe, Wirtschaftlichkeit – die neuen Vierzylinder-Benzinmotoren von BMW überzeugen in allen für zeitgemäße Fahrfreude relevanten Kriterien. Ihre temperamentvolle Kraftentfaltung ermöglicht ausgesprochen sportliche Fahrleistungen. Neben der Dynamik erreicht auch die Laufkultur ein in dieser Motorenklasse herausragendes Niveau. In seiner leistungsstärksten Ausführung erzeugt der 2,0 Liter-Vierzylinder 125 kW/170 PS und ein maximales Drehmoment von 210 Newtonmetern. Die zweite Variante der neuen Antriebseinheit leistet 105 kW/143 PS und erreicht ein maximales Drehmoment von 190 Nm. Zu einem späteren Zeitpunkt wird darüber hinaus ein 1,6 Liter-Vierzylinder präsentiert, der es auf 90 kW/122 PS und ein maximales Drehmoment von 160 Nm bringt. In beiden Hubraumklassen und allen Leistungsstufen beschert die High Precision Injection der neuen Vierzylinder-Motorengeneration ein für Benzinantriebe einzigartiges Maß an Effizienz.

Dieser Fortschritt gegenüber der von BMW nicht eingesetzten Direkteinspritzung der ersten Generation resultiert aus der bei der High Precision Injection erstmals realisierten zentralen Positionierung der Piezo-Injektoren zwischen den Ventilen in unmittelbarer Nähe zur Zündkerze.

Diese Anordnung ist die Voraussetzung für das neuartige strahlgeführte Brennverfahren, das eine deutlich präzisere Kraftstoffdosierung und die Aufrechterhaltung des Magerbetriebs über einen weiten Kennfeldbereich hinweg ermöglicht.

Deutliche Verbrauchsvorteile ohne Kompromisse.

Die High Precision Injection wurde erstmals im 225 kW/306 PS starken Reihensechszylinder-Motor mit Twin Turbo-Aufladung unter der Haube des BMW 335i Coupé präsentiert. Dabei orientierte sich die Wirkungsweise des neuartigen Einspritzsystems zunächst an den Erfordernissen eines besonders leistungsstarken Triebwerks. Ein noch größeres verbrauchsminderndes Potenzial beweist die High Precision Injection – bei Sechszylinder-Motoren ebenso wie nun bei den Vierzylindern – als Magerdirekteinspritzung.

Bei diesem auch als Schichtladung bezeichneten Verfahren wird die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches besonders gezielt gesteuert. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Benzinmotoren das Kraftstoff-Luft-Verhältnis nicht mehr zwingend 1 : 14 betragen muss (Lambda = 1). Der Benzinanteil im Gemisch kann vielmehr über einen weiten Kennfeldbereich hinweg deutlich geringer sein (Lambda > 1). Dies ist möglich, weil die direkt neben den Zündkerzen positionierten Piezo-Injektoren über einen weiten Betriebsbereich eine kontrollierte Verbrennung von Schichten mit unterschiedlichem Kraftstoff-Luft-Gemisch erlauben.

Auch die Dynamik wird deutlich gesteigert.

Mit der wegweisenden Einspritztechnologie stoßen die neuen Vierzylinder-Motoren in eine neue Region der Wirtschaftlichkeit vor. Dank High Precision Injection wurde es möglich, die Verbrauchswerte der bereits sehr effizient agierenden Motoren mit der variablen Ventilsteuerung VALVETRONIC nochmals zu unterbieten. Diese erneute Verbrauchsoptimierung wird aber nicht zu Lasten der Dynamik erzielt. Im Gegenteil: Die leistungsstärkste Ausführung der neuen Motorengeneration übertrifft den 2,0-Liter-Vierzylinder-Antrieb mit VALVETRONIC um 15 kW/20 PS.

Dank der Ingenieursleistung der BMW Motorenentwickler wird das Einsparpotenzial von Ottomotoren umfassender als jemals zuvor erschlossen. Dabei stoßen die BMW Benzinmotoren im Kraftstoffverbrauch in Regionen vor, die bislang nur Dieselmotoren vorbehalten waren. Damit nimmt die neue Triebwerksgeneration im Wettbewerbsvergleich unangefochten die Spitzenposition ein.

High Precision Injection – die Lösung für höchste Effizienz im Alltag.

Die Kombination von Effizienz und Dynamik demonstriert eindrucksvoll, dass die zweite Generation der Benzin-Direkteinspritzung den Systemen der ersten Generation weit überlegen ist. Bisher konnten die mit dieser Technologie verbundenen Hoffnungen auf einen deutlich geringeren Kraftstoffkonsum trotz großen technischen Aufwands in der täglichen Fahrpraxis nicht erfüllt werden. Deshalb hat die BMW Group auf den Einsatz der Benzin-Direkteinspritzung der ersten Generation verzichtet. Ihre systembedingten Defizite lagen vor allem darin, dass Verbrauchsvorteile durch den Betrieb mit hohem Luftüberschuss nur in einem sehr schmalen Lastbereich bei niedrigen Drehzahlen erzielbar waren.

Die Motorenentwickler der BMW Group erkannten dies bereits frühzeitig und entwickelten eine alternative Lösung, um zuverlässig und auch im Praxisbetrieb messbar möglichst günstige Verbrauchswerte zu realisieren. Im Jahre 2001 stellte BMW daher die drosselfreie Laststeuerung VALVETRONIC vor, die mittlerweile weltweit in der gesamten BMW Modellpalette im Einsatz ist und sich in mehr als einer Million Fahrzeugen bewährt.

Neuartige Piezo-Injektoren in optimaler Position.

Das große Potenzial der Benzin-Direkteinspritz-Technologie konnte erst mit der Entwicklung der High Precision Injection erschlossen werden. Den Ingenieuren der BMW Group ist es gelungen, die Piezo-Injektoren trotz der beengten Bauraumsituation im Zylinderkopf zwischen den Ventilen direkt neben der Zündkerze zu positionieren. Gleichzeitig sind die Injektoren so konzipiert, dass sie den hohen dort herrschenden Temperatur- und Druckbelastungen dauerhaft Stand halten.

Über eine elektrische Pumpe im Kraftstofftank, die bedarfsabhängig arbeitet, wird die Hochdruckpumpe am Zylinderkopf versorgt. Diese erzeugt in der gemeinsamen Versorgungsleitung (Common Rail) für die vier Injektoren einen Druck von 200 bar. Die Injektoren befördern den Kraftstoff in die Brennräume, wobei die Düsennadeln extrem schnell und mit hoher Konstanz auf die von einem speziell entwickelten Motorsteuergerät elektronisch übertragenen Einspritzimpulse reagieren. Im Unterschied zu konventionellen Magnetventilen ermöglichen Piezo-Injektoren bis zu sechs Einspritzvorgänge je Arbeitstakt.

Gemisch gelangt präzise und fein dosiert in die Zylinder.

Die nach außen öffnenden Piezo-Düsen bewirken im Brennraum eine stabile und kegelförmige Ausbildung des Einspritzstrahls und so eine besonders fein dosierte Gemischaufbereitung. Außerdem kann die Kraftstoffmenge eines Arbeitstaktes in mehrere Portionen aufgeteilt eingespritzt werden. Dadurch sind über einen weiten Last- und Drehzahlbereich perfekte Voraussetzungen für eine exakte Kraftstoffbemessung und damit für eine kontrollierte, saubere und effiziente Verbrennung gegeben.

Im Gegensatz zu der bislang üblichen wandgeführten Einspritzung ermöglicht das strahlgeführte Verfahren in unmittelbarer Nähe zur Zündkerze eine erheblich schnellere, vor allem aber effizientere Gemischaufbereitung ohne Streuverluste durch Wandbenetzung. Dadurch sind die Voraussetzungen für die den Magerbetrieb kennzeichnende Schichtladung gegeben. Dabei bilden sich innerhalb des Brennraums verschiedene, ineinander übergehende Zonen unterschiedlich zusammengesetzter Kraftstoff-Luft-Gemische. Mit größerer Entfernung zur Zündkerze nimmt der Benzin-Anteil im Gemisch kontinuierlich ab. Nur unmittelbar im Bereich der Kerze steht eine fette und daher zündfähige Gemisch-Schicht zur Verfügung. Sobald sie entflammt wird, verbrennen auch die mager zusammengesetzten Schichten in größerer Distanz zur Zündkerze sauber und gleichmäßig.

Auf diese Weise kann der verbrauchsgünstige Magerbetrieb über sehr weite Drehzahl- und Lastbereiche hinweg aufrechterhalten werden. Darin liegt ein wesentlicher Grund für die Verbrauchsvorteile der High Precision Injection gegenüber einer Benzin-Direkteinspritzung der ersten Generation.

Zusätzliche Innovationen für optimierte Wirtschaftlichkeit.

Fahrzeugseitig und im Motorenumfeld sorgt zusätzlich zur High Precision Injecton ein umfangreiches Paket von Innovationen dafür, dass die neue Generation der BMW Vierzylinder-Benzinantriebe sowohl auf dem Gebiet der Dynamik als auch im Bereich der Wirtschaftlichkeit zum neuen Maßstab wird. Die Palette der technischen Neuerungen umfasst die Brake Energy Regeneration, die Auto Start Stop Funktion, die Schaltpunktanzeige, die elektrische, kennfeldgeregelte Kühlmittelpumpe, die druckgeregelte Hochdruck-Kraftstoffpumpe, den Klimakompressor mit Magnetkupplung, Leichtbaumaßnahmen an Kurbelgehäuse und Kurbelwelle sowie die elektrische Servolenkung EPS (Electric Power Steering).

Intelligenter Leichtbau auch im Motorraum.

Zu den Entwicklungszielen, die unter dem Leitmotiv der effizienten Dynamik zusammengefasst werden, gehört neben der Steigerung von Leistung und Wirtschaftlichkeit auch die Optimierung des Gewichts. Aus diesem Grund kam auch bei der Entwicklung der neuen BMW Vierzylinder-Benzinmotoren eine konsequente Leichtbaustrategie zum Tragen. Weder die zusätzliche Leistung noch der reduzierte Verbrauch wurden durch Mehrgewicht erkauft. Trotz der um 15 kW/20 PS gesteigerten Leistung ist der neue 2,0 Liter-Vierzylinder rund 4 Kilogramm leichter als sein Vorgänger mit VALVETRONIC. Sein Idealgewicht kommt in der Praxis sowohl der Verbrauchsoptimierung als auch der Agilität des jeweiligen Fahrzeugs zugute.

Dazu tragen eine Reihe von Leichtbau-Maßnahmen bei. Besonders deutliche Fortschritte bei der Gewichtsreduzierung wurden unter anderem durch die im Hydroforming-Verfahren gefertigte Leichtbau-Nockenwelle sowie die schaltbare Sauganlage (DISA) aus Kunststoff erzielt.

Der neue Vierzylinder: Bewährte Basis, Innovation im Detail.

Der Vollaluminium-Motor mit stabiler Bedplate-Konstruktion und eingegossenen Grauguss-Laufbuchsen basiert auf dem bewährten Vierzylinder-Triebwerk mit vollvariablem Ventiltrieb. Zylinderbohrung (84 mm), Kolbenhub (90 mm) und damit auch der Hubraum (1995 cm3) sind identisch, das Verdichtungsverhältnis wurde jedoch zur Leistungssteigerung von 10,5 : 1 auf 12 : 1 angehoben. Zwei gegenläufig drehende Ausgleichswellen eliminieren die prinzipbedingten Drehschwingungen im Vierzylindermotor und sorgen für hohe Laufkultur.

Zur Umsetzung des Magerbetriebs mit Schichtladung war allerdings eine völlige Neukonstruktion des Zylinderkopfs erforderlich. Dort wurden die Piezo-Injektoren trotz der beengten Geometrie zwischen den Ventilen in optimaler Lage zur Zündkerze positioniert.

Der Gaswechsel wird über einen konventionellen Ventiltrieb mit zwei obenliegenden Nockenwellen und reibungsoptimierten Rollenschlepphebeln gesteuert. Diese Art der Ventilsteuerung erlaubt gegenüber der mit VALVETRONIC ausgestatteten Motorvariante eine deutliche Anhebung des Drehzahlniveaus um 800 min–1 auf rund 7 000 min–1. Um über das
gesamte Drehzahlband einen fülligen Drehmomentverlauf zu erzielen, sind beide Nockenwellen mit einer Vorrichtung zur stufenlosen Verstellung der Ventilöffnungszeiten (Doppel-VANOS) versehen. Um bereits bei niedrigen Drehzahlen möglichst hohe Drehmomentwerte zu erzielen, kommt zusätzlich eine Sauganlage mit variablen Saugrohrlängen (DISA) zum Einsatz.

Saubere Sache: NOX-Speicherkatalysatoren.

Der neue Magermotor verfügt über einen motornahen Hauptkatalysator und nachgeschaltete Speicherkatalysatoren zur Vermeidung von NOX-Emissionen. Mit der großen Vielfalt an Innovationen, die sowohl zur Verbrauchs- als auch zur Emissionsminderung beitragen, stellt BMW erneut seine herausragende Kompetenz auf dem Gebiet des Motorenbaus unter Beweis. Die bei den neuen Vierzylinder-Benzinmotoren erzielten Fortschritte hinsichtlich Effizienz und Abgasverhalten sind zugleich ein überaus wirksamer Schritt auf dem Weg zu einer weiteren Reduzierung des Flottenverbrauch und der Emissionen bei Neufahrzeugen der Marke BMW. BMW unterstreicht damit seine Entschlossenheit, den im Rahmen der freiwilligen Selbstverpflichtung des Europäischen Kraftfahrzeugherstellerverbandes ACEA vereinbarten Beitrag dazu zu leisten, dass die durchschnittlichen CO2-Emissionen von neu zugelassenen Pkw im europäischen Flottenmittel bis zum Jahr 2008 auf 140 Gramm pro Kilometer verringert werden.

Durch eine Vielzahl von Optimierungen auf den Gebieten der Antriebstechnik, der Aerodynamik und des Fahrzeugleichtbaus hat die BMW Group bereits in der Vergangenheit eine erhebliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen ihrer Fahrzeuge bewirkt. Auf diese Weise hat die BMW Group ihren Beitrag zur freiwilligen Selbstverpflichtung des Verbands der Automobilindustrie (VDA), den Flottenverbrauch im Zeitraum zwischen 1990 und 2005 um 25 Prozent zu senken, mit einer Reduzierung um rund 29 Prozent mehr als erfüllt. Allein mit der Einführung der VALVETRONIC in allen neu entwickelten Benzinmotoren wurde der Kraftstoffkonsum im EU-Testzyklus und damit auch der CO2-Ausstoß um rund 10 Prozent reduziert.

Auch im längerfristigen Vergleich wird der Effekt des technischen Fortschritts deutlich. So konnte der Kraftstoffverbrauch des Einstiegsmodells der BMW 3er Reihe mit Vierzylinder-Benzinmotor zwischen 1983 und 2003 um 22 Prozent gesenkt werden, obwohl das Gesamtfahrzeug im gleichen Zeitraum aufgrund von Sicherheits- und Komfortanforderungen um 32 Prozent schwerer wurde. Die für die Festlegung von Abgasnormen relevanten Emissionen konnten zugleich sogar um 95 Prozent reduziert werden.

Die neue Vierzylinder-Benzinmotorenfamilie wird zunächst nur auf den europäischen Märkten eingeführt. Nur dort ist die flächendeckende Versorgung mit schwefelfreiem Kraftstoff gewährleistet, auf den die NOX-Speicherkatalysatoren dieser Motoren angewiesen sind. Gleichwohl werden europäische Kunden ihr Fahrzeug auch in solchen Ländern nutzen können, in denen schwefelfreier Kraftstoff noch nicht flächendeckend angeboten wird. Die Motoren können dann lediglich ihre besonderen Verbrauchsvorteile nicht völlig ausspielen, weil häufiger als beim Betrieb mit schwefelfreiem Kraftstoff ein Regenerierungszyklus für den Speicherkatalysator initiiert werden muss.

Erst mit Einführung des umweltverträglichen Kraftstoffs kann die Technologie der High Precision Injection im Magerbetrieb sukzessive auch in anderen Märkten eingeführt werden. Deshalb wird die VALVETRONIC in den BMW Vierzylindermotoren auch weiterhin weltweit eine wichtige Rolle spielen. Sie bietet nach wie vor hervorragende Voraussetzungen für einen außergewöhnlich wirtschaftlichen Motorbetrieb. Auch das Emissionsverhalten der jüngsten Generation von Vierzylinder-Motoren mit VALVETRONIC wurde nochmals optimiert. Die Modifikationen umfassen unter anderem die Motorsteuerung, die Zylinderkopfhaube, die Abgastechnologie sowie die Einspritzventile. Auch die durch konsequenten Leichtbau bewirkten Gewichtsoptimierungen tragen zur weiter verbesserten Effizienz der Vierzylinder-Motoren mit VALVETRONIC bei.

2.1 Die technischen Daten der neuen BMW Vierzylinder-Benzinmotoren
mit High Precision Injection.

2.2 Das Drehmoment- und Leistungsdiagramm des BMW 2,0 Liter-Vierzylinder-Ottomotors mit 125 kW und Mager-Direkteinspritzung der zweiten Generation (High Precision Injection).	2.3 Das Drehmoment- und Leistungsdiagramm des BMW 2,0 Liter-Vierzylinder-Ottomotors mit 105 kW und Mager-Direkteinspritzung der zweiten Generation (High Precision Injection).

  
Quelle: BMW Presse-Information vom 22.03.2007

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