07.10.2015 BMW M4 GTS: Neue Ausbaustufe des Sechszylinder-Reihenmotors. Wassereinspritzung für höhere Leistung und optimierte Effizienz.
Im BMW M4 GTS kommt ein mit einer maximalen Drehzahl von 7.600 Umdrehungen pro Minute arbeitendes Triebwerk mit M TwinPower Turbo Technologie zum Einsatz. Sein Hochdrehzahlcharakter bietet eine für Turbomotoren einzigartige Drehwilligkeit sowie eine lineare Leistungsentfaltung über einen weiten Drehzahlbereich. Darüber hinaus hebt eine innovative Wassereinspritzung den Reihen-Sechszylinder-Turbomotor auf ein neues Leistungsniveau, indem sie die thermisch bedingten Leistungsgrenzen nach oben verschiebt. Das System kommt bereits im aktuellen BMW M4 MotoGP Safety Car zum Einsatz und hat sich auf den Rennstrecken der Top-Serie des internationalen Motorrad-Rennsports bewährt.
Die Höchstleistung des Motors steigt im Vergleich zum BMW M4 um 16 Prozent auf 368 kW (500 PS) und wird bereits bei 6.250 min-1 erreicht. Das maximale Drehmoment legt um zehn Prozent auf 600 Newtonmeter zu und steht über einen sehr breiten Drehzahlbereich von 4.000 min-1 bis 5.500 min-1 zur Verfügung. Den Standardsprint aus dem Stand auf 100 km/h absolviert der neue BMW M4 GTS in 3,8 Sekunden; die Höchstgeschwindigkeit beträgt 305 km/h (abgeregelt). Trotz der signifikant gestiegenen Motorleistung beeindruckt das Triebwerk mit herausragenden Verbrauchswerten: Der Verbrauch im EU-Zyklus beträgt kombiniert 8,3 Liter* Kraftstoff auf 100 Kilometer und der CO2-Ausstoß kombiniert 194 g/km*. Mit diesen Werten liegt der BMW M4 GTS auf dem niedrigen Niveau des BMW M4 Coupé und erfüllt die EU6-Abgasnorm.
Das innovative Wassereinspritzsystem.
Als erstes in Serie gefertigtes Straßenfahrzeug verfügt der BMW M4 GTS über ein innovatives und wegweisendes Wassereinspritzsystem, das Leistung und Verbrauch des aufgeladenen Sechszylinder-Reihenmotors bei Volllast noch weiter optimiert. Dazu nutzen die BMW M Ingenieure den physikalischen Effekt des Wassers, um beim Verdampfen die hierfür erforderliche Energie aus der Umgebungsluft zu ziehen. Indem Wasser als feiner Sprühnebel in den Sammler des Saugmoduls eingespritzt wird, sorgt es beim Verdampfen für eine signifikante Abkühlung der Ansaugluft. Dadurch sinkt die Verdichtungsendtemperatur im Brennraum und somit die Klopfneigung, so dass der Turbomotor mit einem höheren Ladedruck und einem früheren Zündzeitpunkt operieren kann. Die Wassereinspritzung optimiert auch den Wirkungsgrad des Motors deutlich, denn sie sorgt für ein Leistungs- und Drehmomentplus. Trotz der Leistungssteigerung sinkt zudem die thermische Belastung der performancerelevanten Bauteile. Alles Effekte, die letztendlich die Standfestigkeit und die Dauerhaltbarkeit des Motors verbessern.
BMW M4 GTS: Wassereinspritzung
Leistung rauf, Volllastverbrauch runter.
Die günstigen Auswirkungen der Wassereinspritzung lassen sich je nach Motor und Fahrzeugkonzept auf unterschiedliche Weise nutzen. In einem vergleichsweise breiten Spektrum steht es den Entwicklern frei, inwiefern sie einen Motor in Richtung Leistung oder in Richtung Verbrauch optimieren möchten. Wird die Wassereinspritzung bereits bei der Auslegung eines Hochleistungsmotors berücksichtigt, lassen sich Turbolader mit entsprechend hohem Aufladegrad bei gleichzeitig hohem Verdichtungsverhältnis realisieren. Ein Turbomotor, dessen Turbolader bei Maximaldrehzahl seine Nennleistung erreicht, kann so eine Leistungssteigerung von rund acht Prozent realisieren. Zugleich werden Leistungsverluste infolge steigender Umgebungstemperaturen (> 20 °C) durch Erhöhung der Wassereinspritzmenge kompensiert.
Technischer Hintergrund.
Die erzielbare Leistung eines Verbrennungsmotors wird physikalisch nicht zuletzt durch die Prozesstemperatur im Verbrennungsraum begrenzt. Wird diese Temperatur überschritten, kommt es zu einer unkontrollierten Verbrennung (Klopfen) und damit zu Leistungsverlusten, im schlimmsten Fall zu kapitalen Motorschäden. Dies ist besonders bei aufgeladenen Motoren von Bedeutung, da die Ansaugluft bereits im Verdichter des Turboladers auf bis zu 160 °C erwärmt wird. Zwar sorgt ein Ladeluftkühler für die notwendige Absenkung der Temperatur, doch auch seine Leistungsfähigkeit hat physikalische Grenzen. Je nach Auslegung und Dimensionierung des Kühlsystems und der Aerodynamik des Fahrzeugs lässt sich die Ansaugluft auf unter 70 °C abkühlen, bevor sie in den Sammler gelangt. Eine Erhöhung des Ladedrucks hingegen würde die Klopfgrenze überschreiten und kommt daher als Mittel zur Leistungssteigerung nicht in Betracht.
Genau hier setzt die BMW M GmbH an: Mit der Einspritzung von Wasser als feinem Sprühnebel in den Sammler lässt sich die Verbrennungsluft noch einmal um etwa 25 °C abkühlen. Durch die nochmals kühlere Ladeluft kann der Zündzeitpunkt nach vorne und damit näher an den Bestwert verschoben werden. Das steigert den Wirkungsgrad der Verbrennung, während gleichzeitig die Verbrennungsendtemperatur sinkt. Außerdem besitzt kühle Luft eine höhere Dichte, was den Sauerstoffanteil im Brennraum erhöht. Daraus resultiert ein höherer Mitteldruck im Brennverlauf, der zu einer
optimierten Leistungs- und Drehmomentausbeute führt. Schließlich reduziert die effektive Innenkühlung des Brennraums die thermische Belastung einer Reihe elementarer Bauteile. Das schont nicht nur Kolben, Auslassventile und Katalysatoren, sondern entlastet auch die Turbolader, die durch niedrigere Abgastemperaturen weniger beansprucht werden.
Wassereinspritzung verschiebt die Klopfgrenzen nach oben.
Die Ausweitung der Klopfgrenze durch die Wassereinspritzung hilft zudem, einen bekannten Zielkonflikt bei der Auslegung leistungsstarker Motoren weitgehend aufzulösen: Leistung und Verbrauch werden maßgeblich durch das Verdichtungsverhältnis bestimmt. Das gilt auch und gerade für hoch aufgeladene Turbomotoren wie den M TwinPower Turbo Reihen- Sechszylinder, der dank hoher Verdichtung besonders im Teillastbereich mit einem hohen Wirkungsgrad und niedrigen Verbrauchswerten überzeugen kann. Im Volllastbereich dagegen verhindert die Klopfgrenze eine höhere Verdichtung. Dementsprechend bietet die Wassereinspritzung speziell hier Vorteile, weil sie die Klopfneigung zugunsten einer höheren Verdichtung nach oben verschiebt. So kann der Turbomotor über weite Bereiche im leistungsoptimierten Betriebszustand gehalten werden. Das Potenzial der Technologie ist umso ausgeprägter, je niedriger die Oktanzahl des verwendeten Kraftstoffs ist.
Umsetzung in der Praxis: Bei der Platzierung der Wasserinjektoren haben sich die Ingenieure der BMW M GmbH für ein Layout mit drei Einspritzventilen im Luftsammler entschieden, die jeweils zwei Zylinder des Reihen- Sechszylinders versorgen. Diese Lösung stellt eine hohe Gleichverteilung sicher und ermöglicht zudem die kompakte Auslegung des Systems.
In der Gepäckraumwanne unterhalb des Kofferraums sind ein Wassertank mit fünf Liter Volumen, die Wasserpumpe sowie Sensoren und Ventile untergebracht. Die Ansteuerung der Pumpe und der kompletten Sensorik und Aktuatorik erfolgt durch die entsprechend erweiterte Motor-Elektronik. In der Praxis befördert die Pumpe das Wasser mit einem Druck von zirka zehn Bar an die Injektoren, wobei die Mengenzuteilung bedarfsgerecht in Abhängigkeit von Last, Drehzahl und Temperatur erfolgt. So ist sichergestellt, dass der Wasserverbrauch auf das erforderliche Minimum beschränkt bleibt. Im harten Rennstreckeneinsatz ist ein Nachfüllen des Wasservorrats immer dann erforderlich, wenn auch Kraftstoff getankt werden muss. Im Normalbetrieb sind die Intervalle je nach Fahrstil deutlich länger. Selbst bei schneller Autobahnfahrt reicht es aus, den Wasserbehälter bei etwa jedem fünften Tankstopp aufzufüllen. Im Sinne maximaler Praxistauglichkeit erfordert das System keinen zusätzlichen Wartungsaufwand.
Aus Sicherheitsgründen arbeitet die Wassereinspritzung von BMW M mit einer aufwendigen Selbstdiagnose. Bei leerem Wassertank oder einer Fehlfunktion des Systems sorgen entsprechende Maßnahmen für den Schutz des Triebwerks. Ladedruck und Zündzeitpunkt werden zurückgenommen, so dass der Motor uneingeschränkt mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden kann. Doch auch im Regelbetrieb stellen diverse Maßnahmen die Funktionsbereitschaft sicher. Nach jedem Abschalten des Motors wird das Wasser aus dem Leitungssystem zurück in den Tank gefördert, um ein Vereisen der Systemkomponenten bei Minusgraden zu verhindern. Der Wassertank selbst ist ebenfalls frostsicher ausgeführt.
Weitere Besonderheiten des Reihen-Sechszylinder-Turbomotors.
Das Kurbelgehäuse des aufgeladenen Triebwerks ist dank seiner sogenannten Closed-Deck-Bauweise besonders steif und ermöglicht höhere Zylinderdrücke sowie eine bessere Leistungsausbeute. Seine buchsenlosen, LDS-beschichteten Zylinderlaufbahnen tragen außerdem maßgeblich zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung bei.
Ein weiteres technisches Highlight ist die geschmiedete und hoch torsionsfeste Kurbelwelle. Sie überträgt nicht nur das abermals gesteigerte Drehmoment, dank ihres geringen Gewichts trägt sie zu einer deutlichen Reduzierung der rotierenden Massen bei. Das Resultat sind ein optimiertes Ansprechverhalten und ein besseres Beschleunigungsvermögen des Motors.
Das hohe fahrdynamische Niveau des BMW M4 GTS stellt insbesondere beim Einsatz auf Rennstrecken besonders hohe Anforderungen an die ölversorgung des Motors. Hier zeigt sich erneut die umfangreiche Motorsport-Erfahrung der BMW M GmbH. Die Aluminium-ölwanne ist so gestaltet, dass Bewegungen des Schmiermittels bei starken querdynamischen Bewegungen reduziert werden. Außerdem stabilisieren eine zusätzliche ölabsaugpumpe sowie ein ausgeklügeltes ölrücklaufsystem im Bereich des Abgasturboladers bei extremen Beschleunigungs- und Verzögerungsmanövern den ölkreislauf und garantieren eine sichere ölversorgung sämtlicher Motorkomponenten – im Alltagsbetrieb ebenso wie bei forcierter Fahrt auf der Rennstrecke.
Ein Endschalldämpfer aus leichtem und extrem strapazierfähigem Titan sorgt für den einem Hochleistungsautomobil entsprechenden Motorklang. Typisch für BMW M Automobile zeigt die Abgasanlage vier Endrohre, die hier 80 Millimeter Durchmesser aufweisen und gelaserte M Embleme auf den Endrohren tragen. Sie sorgt nicht nur für einen markanten hochemotionalen und unverkennbaren BMW M Sound über den gesamten Drehzahlbereich, sondern bietet auch einen minimalen Abgasgegendruck sowie eine präzise Rückmeldung des Lastzustandes. Die Soundrückmeldung des Motors kann der Fahrer über die Wahl der vorkonfigurierten Fahrmodi variieren.
M TwinPower Turbo Technologie.
Die im BMW M4 GTS eingesetzte M TwinPower Turbo Technologie umfasst zwei spontan ansprechende, nach dem Mono-Scroll-Prinzip arbeitende Turbolader, die Benzin-Direkteinspritzung High Precision Injection, die variable Ventilsteuerung VALVETRONIC sowie die stufenlose Nockenwellenverstellung Doppel-VANOS. Die Ventil- und die Nockenwellenverstellung regulieren gemeinsam den Hub der Einlassventile vollvariabel. So kann der Motor seine Leistung optimal entfalten und spricht extrem spontan an. Zusätzlich werden der Verbrauch und die Abgas- Emissionen reduziert.
7-Gang M Doppelkupplungsgetriebe mit Drivelogic.
Mit dem 7-Gang M Doppelkupplungsgetriebe mit Drivelogic (M DKG) setzt die BMW M GmbH den Maßstab in puncto Kraftschluss und Rennstreckeneignung. Neben dem automatischen Wechsel der Fahrstufen erlaubt das hochmoderne Getriebe dem Fahrer, die Gänge auch manuell besonders schnell und ohne Zugkraftunterbrechung per Schaltpaddle am Lenkrad zu wechseln. über die manuelle Betriebsart steht auch die spezifisch abgestimmte Launch Control zur Verfügung, die einen Start aus dem Stand mit maximaler Beschleunigung erlaubt und nach dem Start die Schaltpunkte so setzt, dass immer die optimale Anschlussdrehzahl zur Verfügung steht.
Drivelogic stellt drei Fahrprogramme zur Wahl.
Die auf das 7-Gang M Doppelkupplungsgetriebe abgestimmte Drivelogic stellt insgesamt drei Fahrprogramme zur Verfügung, die über den Drivelogic Taster auf der Mittelkonsole ausgewählt werden. Die Programme unterscheiden sich durch die Geschwindigkeit der Gangwechsel und die Drehzahlen, bei denen er ausgelöst wird. Das Spektrum reicht von extrem sportlich bis dynamisch-komfortabel. Daraus ergeben sich Vorteile bei der Beschleunigung sowie für die Effizienz. Die weitere M Funktion Stability Clutch Control unterstützt den Fahrer bei sportlicher Fahrweise. Sie öffnet automatisch die Kupplung bei drohendem übersteuern und stabilisiert das Fahrzeug.
* Die Verbrauchswerte wurden auf Basis des EU-Testzyklus ermittelt, abhängig vom Reifenformat.
Quelle: BMW Presse Mappe vom 07.10.2015; Video ergänzt im Juli 2016
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