6. BMW Innovation: Weltpremiere elektrische Wasserpumpe.

Entkoppelung von der Motordrehzahl, Senkung des Verbrauchs.

BMW setzt für den Transport des Wassers im Kühlsystem weltweit erstmalig eine elektrische Wasserpumpe ein. Sie arbeitet vollkommen autonom und wird vollkommen unabhängig von der gerade anliegenden Drehzahl ausschließlich nach dem tatsächlichen Kühlbedarf des Motors gesteuert.

Bild: BMW 6-Zylinder-Ottomotor mit Valvetronic - elektrische Wasserpumpe

Mit der elektrischen Wasserpumpe erzielt BMW beachtliche Verbrauchseinsparungen. Eine konventionelle Wasserpumpe verbraucht bis zu 2 kW Motorleistung, das neue BMW System hat eine maximale Leistungsaufnahme von nur 200 W. Auch in der besonders verbrauchsintensiven Warmlaufphase braucht die elektrische Wasserpumpe kaum Treibstoff, denn das Kühlwasser erwärmt sich sehr schnell, da in dieser Phase noch kein Kühlbedarf besteht und es deshalb nicht umgepumpt wird. Andererseits kann bei Stillstand des Motors die Restwärme im Kühlwasser für die Heizung des Fahrgastraums bedarfsgerecht genutzt werden.

Konventionelle Wasserpumpen müssen in ihrer Förder- und Kühlleistung auf die Maximalbelastung des Motors bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt sein und sind daher für viele Betriebszustände bei hohen Drehzahlen überdimensioniert. Zudem sind sie über den Riemenantrieb in Dauerfunktion, mit den entsprechenden Verlusten durch die Reibarbeit. In der Fördermenge sind konventionelle Pumpen ausschließlich an die Drehzahl gekoppelt und nicht an den tatsächlichen, dem Betriebszustand des Motors entsprechenden Kühlbedarf.

7. Weitere Innovationen und konsequenter Leichtbau in den Aggregaten und Bauteilen.

Leichtbau-Nockenwellen mit Gewichtsvorteil von 1,2 kg.

Bild: BMW 6-Zylinder-Ottomotor mit Valvetronic - hydro-geformte Nockenwelle

Nach dem revolutionären Aluminium-Magnesium-Verbund-Kurbelgehäuse leisten die neuen Leichtbau-Nockenwellen den größten Einzelbeitrag zum ungewöhnlich niederen Gewicht des neuen BMW R6 von 161 kg.

Durch Innenhochdruck-Umformung können die gebauten Nockenwellen um jeweils 600 g (–25%) leichter dargestellt werden. Basisbauteil der neuen Nockenwellen ist ein Stahlrohr, das durch die Nockenringe aus hochfestem Edelstahl gezogen wird. Zusammen werden die Teile in eine Form eingelegt und das Rohr von innen mit einem Wasserdruck von 4.000 bar belegt. Dadurch wird das Rohr kalt in die gewünschte Wellenform gebracht und von innen an die Nocken gepresst. In einem finalen Feinschliff werden die Nocken auf 1m (1∕1000 mm) genau bearbeitet.

Jede dieser gebauten Nockenwellen ist um 600 g leichter als konventionelle Nockenwellen. Bei der DOHC-Bauweise des R6 bedeutet das daher allein bei den beiden Nockenwellen eine Gewichtsersparnis von 1,2 kg. Innenhochdruck-Umformung wurde von BMW im Automobilbau z. B. bereits bei der Fertigung des Frontscheibenrahmens für das aktuelle Cabrio der 3er Baureihe eingesetzt. BMW hat die Technologie weiterentwickelt und für hochpräzise Teile wie die Nockenwellen nutzbar gemacht.

Zylinderkopf in Lost-Foam-Fertigung.

Auch der Zylinderkopf des neuen Motors stellt bereits beim ersten Produktionsschritt, dem Gießen, besondere Anforderungen an die Fertigungstechnologie. Generell gilt: Bei keiner anderen Motorenbauart ist das Gießen des Zylinderkopfes so anspruchsvoll wie bei einem Reihensechszylinder (vergleichbar ist nur ein Zwölfzylinder-Motor mit seinen beiden Sechszylinderbänken), denn aufgrund der großen Baulänge machen sich die physikalisch bedingten Schwindungseffekte während der Erstarrung und Abkühlung des rund 700 Grad Celsius heißen Aluminiums besonders deutlich bemerkbar. Die unternehmenseigene Leichtmetallgießerei verfügt über eine einzigartige Kompetenz in der Fertigung dieser Bauteile – schließlich gießt sie seit der Einführung der Aluminium-Zylinderköpfe für Benzinmotoren in den 60er-Jahren und für Dieselmotoren in den 80er-Jahren die Zylinderköpfe für sämtliche BMW Reihensechszylinder-Motoren.

Entscheidende Einflussfaktoren für die erfolgreiche Gussfertigung der Zylinderköpfe sind umfangreiche computergestützte Gießsimulationen, um bereits vorab die Schwindungsprozesse in der Konstruktion der Bauteile und Gussformen sowie die exakte Steuerung der Erstarrungsprozesse während des Gießvorgangs durch ein entsprechendes Temperatur-Management in der Gussform berücksichtigen zu können.

Bild: Zylinderkopf von unten mit Auspuffkrümmer

Für die Zylinderkopf-Fertigung des neuen Sechszylinder-Motors kommen parallel zwei Gießverfahren zum Einsatz, die sich schon bei der letzten Motorengeneration bewährt haben und für die spezifischen Anforderungen des neuen Bauteils nochmals weiterentwickelt wurden: das Niederdruckkokillengießen und das Lost-Foam-Gießen. Beide Verfahren sind besonders gut geeignet, die komplexe Außenkontur mit dem integrierten Camcarrier zur Lagerung der Nocken- und Exzenterwelle und die aufwändigen Innenkonturen mit den Hohlräumen für die Luftkanäle und die filigranen Öl- und Kühlwasserkreisläufe optimal abzubilden.

Seit dem erstmaligen Einsatz des Lost-Foam-Verfahrens („verlorener Schaum“) zur Fertigung der Zylinderköpfe für die BMW Reihensechszylinder-Motoren im Jahr 1997 ist die unternehmenseigene Leichtmetallgießerei führend in der Anwendung dieser Gießtechnologie für komplexe Motorenbauteile. Das Verfahren hat sich inzwischen in der Fertigung von mehr als anderthalb Millionen BMW Sechszylinder-Zylinderköpfen erfolgreich bewährt.

Im Gegensatz zu konventionellen Gießtechnologien ist das Lost-Foam-Gießen ein Positiv-Verfahren: Am Anfang des Fertigungsprozesses wird der Zylinderkopf als identisches Polystyrolmodell nachgebaut. Dazu werden sechs einzelne Scheiben des auch als Verpackungsmaterial eingesetzten Schaumstoffes in Formen aufgeschäumt und anschließend präzise miteinander verklebt. Das fertige Polystyrolmodell des Zylinderkopfes wird dann mit einer keramischen Schlichte überzogen, in einem Sandbett eingerüttelt und bis auf einen Angusskanal vollständig von feinkörnigem Gusssand umschlossen.

In diesen Angusskanal läuft während des automatisierten Gießprozesses das flüssige Aluminium: Es ersetzt dabei vollständig das Polystyrolmodell und nimmt die Form des Zylinderkopfes an. Aufgrund der hohen Präzision des Gießverfahrens lassen sich auch besonders filigrane Konstruktionsdetails wie beispielsweise die Ölbohrungen gleich beim Gießen mit integrieren – dadurch entfallen zahlreiche Fertigungsschritte in der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung.

Kundenfreundliche Dauerlösung: Ventilantrieb mit Kette. BMW hält auch beim neuen R6 am Ventilantrieb mit Kette fest.

Bild: BMW 6-Zylinder-Ottomotor mit Valvetronic - Kettentrieb für Nockenwelle

Zum einen handelt es sich dabei um eine solide Lösung zugunsten der präzisen, langlebigen Funktion des Motors. Andererseits erspart sich der Kunde aufwändige Servicearbeiten und hat dadurch die entsprechenden Kostenvorteile.

Der Kettentrieb ist im Magnesium-Gussteil des neuen Leichtbau-Kurbelgehäuses integriert. Er wird als Modul in den Räderkasten-Schacht an der Stirnseite des Motors eingeschoben. Der Kettenspanner ist vollkommen aus Aluminium gefertigt und setzt auch hier die konsequente Leichtbauweise des R6 fort.

Macht den Motor kürzer und leichter: Einriementrieb zum Antrieb aller Nebenaggregate.

BMW treibt beim neuen R6 alle Nebenaggregate nur noch mit einem einzigen Riemen an. Die zweite Riementriebebene entfällt vollständig, wodurch sich die Baulänge des Motors verkürzt. Gleichzeitig entfallen alle hier erforderlichen Bauteile, d. h. Riemen, Riemenscheibe und Spanner – ein weiterer Punkt, der dazu beiträgt, den neuen BMW R6 zum leichtesten Motor seiner Klasse zu machen. Möglich wird der Einriementrieb durch den Einsatz der oben beschriebenen elektrischen Wasserpumpe, die nicht über einen Riemen angetrieben wird.

Mehr Drehmoment bei weniger Drehzahl: die neue dreistufige Resonanzsauganlage.

Mit der dreistufigen Resonanzsauganlage erzielt BMW beim R6 höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen. Der neue R6 erreicht sein maximales Drehmoment von 300 Nm dadurch bereits bei 2.500 min–1 und hält es konstant bis 4.000 min–1.

Die neue dreistufige Resonanzsauganlage ist eine Weiterentwicklung der bisher zweiflutigen Anlage. Durch den Einsatz eines dritten Resonanzrohrs (sog. Überschwingrohr), das über Resonanzklappen geschaltet wird, erweitert sich der Drehzahlbereich, in dem der Selbstladeeffekt der Anlage wirkt. Innerhalb dieses Drehzahlbands ist jedes der drei Resonanzrohre in einem klar definierten Bereich wirksam.

Volumenstromgeregelte Ölpumpe: doppelte Förderleistung, präzise Steuerung, deutlich weniger Energieverbrauch.

Bild: BMW 6-Zylinder-Ottomotor mit Valvetronic - Volumenstrom geregelte Ölpumpe

Die volumenstromgeregelte Ölpumpe liefert in Abhängigkeit vom Öldruck präzise die im jeweiligen Betriebszustand erforderliche Ölmenge. Da die Parameter des Ölkreislaufs (Druck, Menge und Temperatur) sich teils gegenläufig verhalten, sind konventionelle Pumpen, die ihre Förderleistung linear mit der Drehzahl steigern, für die komplexen Anforderungen des neuen BMW R6 nicht tauglich. An einem einzelnen Nebenaggregat zeigt sich so auch beispielhaft die Dimension des R6 Motorenprojekts insgesamt. Mit der volumenstromgeregelten Ölpumpe erreicht BMW zwei Ziele gleichzeitig:

– die angesaugte Ölmenge entspricht dem Mengenbedarf im jeweiligen Betriebszustand, die volumenstromgeregelte Ölpumpe braucht keinen Bypass, um den zu viel geförderten Volumenstrom (bis zu 80%!) wieder abzusteuern,
 

– durch die individuelle Bedarfssteuerung und den Entfall unnötiger Arbeitsleistung verbraucht die volumenstromgeregelte Ölpumpe bis zu 2 kW weniger als konventionelle Ölpumpen.

Leichter und stabil: Trapezpleuel.

Bei einem Trapezpleuel ist das obere Pleuelauge in der Seitenansicht trapezförmig ausgebildet. Beim Ottomotor wird diese neue Technik genutzt, um das Pleuelauge nach oben zu verjüngen und damit an dieser Stelle Gewicht zu sparen. Einige Gramm nur bei jedem Pleuel, die aber bei der hohen Geschwindigkeit, mit der sich die Pleuel im Motor auf und ab bewegen, positiv ins Gewicht fallen.

Im unteren Bereich des Pleuelauges wird wie bisher die gesamte Breite der Auflage für den Kolbenbolzen benötigt, um die Kraft des Arbeitstaktes über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen zu können.

Wie alle BMW Pleuel, so sind auch die des neuen Reihensechszylinder-Motors gecrackt. Bei diesem Verfahren wird das untere Pleuelauge gebrochen, bei der Montage auf die Kurbelwelle werden dann die beiden Teile wieder miteinander verschraubt. Die unregelmäßigen Bruchflächen, die beim Cracken entstehen, geben der Verbindung der beiden Pleuel-Teile eine deutlich höhere Festigkeit als die glatten Kontaktflächen, die bei konventionell gesägten Pleuel entstehen.

Kürzere Warmlaufphase, zusätzliche Ölkühlung: Öl-/Wasser-Wärmetauscher.

Der Öl-/Wasser-Wärmetauscher überträgt in der Warmlaufphase Wärme in den Ölkreislauf, weil sich das Kühlwasser schneller als das Motoröl erwärmt. Dadurch wird das Motoröl aufgeheizt, der Motor erreicht schneller seine Betriebstemperatur und die verbrauchsintensive Warmlaufphase wird deutlich verkürzt.

In Betriebszuständen mit hoher Motorleistung und hohen Öltemperaturen wird über den Öl /Wasser-Wärmetauscher Wärme aus dem Ölkreislauf entnommen und über den Kühlkreislauf und die Motorkühlung aus dem Motor hinausgebracht.

R6 insgesamt außerordentlich reibungsreduziert.

Neben der bedarfsgerechten Steuerung des Kühlmittelstroms durch eine elektrische Wasserpumpe und des Ölvolumenstroms durch eine volumenstromgeregelte Ölpumpe ist die Reduktion der Reibung im Triebwerk ein weiterer wesentlicher Beitrag zur Kraftstoff-Verbrauchsreduzierung. So wurden etwa im Zylinderkopf alle Elemente auf Rollreibung umgestellt. Im Kurbeltrieb ist die Reibung durch Optimierung der Lagerauslegung
reduziert worden.

Hochtemperaturfester Leichtbau-Abgaskrümmer: EU4 ohne Sekundärluft verwirklicht.

BMW hat beim neuen Reihensechszylinder-Motor auch beim Abgaskrümmer Know-how investiert und dadurch alleine in diesem Bauteil eine Gewichtsreduzierung von 0,8 kg erzielt. Die hohen Temperaturen erfordern aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium (Zylinderkopf) und Stahl (Abgaskrümmer) eine neue Lösung an dieser Schnittstelle. BMW verwendet einen Leichtbau-Tiefziehflansch mit 2 mm Stärke (statt bisher 12 mm) und erreicht mit je einem Graphitring pro Zylinder eine nochmals deutlich verbesserte Abdichtung des Fächerkrümmers am Motor.

Die Dünnwand-Keramikkatalysatoren sind kleiner und damit leichter als bisher. Sie erreichen dadurch schneller ihre Betriebstemperatur und die volle Konvertierungsrate und ermöglichen es, ohne Sekundärluft-Einblasung auszukommen.

Quelle: BMW Presse-Information vom 23.06.04

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