Der neue V10-Motor im BMW M5: Ein Meisterwerk der Motorentechnik

Das Herz eines jeden BMW ist sein kraftvoller Motor. Dass dies erst recht für die Modelle der BMW M GmbH gilt, liegt auf der Hand. Doch würde diese Charakterisierung allein dem neuen Motor im M5 nicht gerecht werden: Bescheiden ausgedrückt, ist dieser Zehnzylinder ein Meilenstein in der Geschichte des modernen Motorenbaus, er verkörpert einen der weltweit wohl faszinierendsten Antriebe für ein Serienautomobil.

Bild: BMW V10-Motor komplett, von vorne

Manchmal möchte ein Automobilkenner zuerst den Motor hören. Das gilt auch für den neuen V10: Dieses Meisterwerk der Technik klingt im Ohr des Freundes sportlicher Automobile wie ein Symphoniekonzert im Ohr des Musikliebhabers. Unüberhörbar ist dabei die Klanganleihe am Sound des BMW WilliamsF1-Rennmotors. Mit diesem Formel-1-Triebwerk hat
der V10 des M5 nicht nur die Zylinderzahl gemein, sondern auch das Hochdrehzahlkonzept. Dieses Prinzip generiert enorme Schubkraft aus hohen Drehzahlen und ist charakteristisch für alle Hochleistungs-Saugmotoren der BMW M GmbH. In Verbindung mit zehn Zylindern ergibt sich daraus ein orchestrales Klangstakkato, das man sonst nur von der Rennstrecke her kennt.

Erster hochdrehender V10-Motor in einer Serienlimousine.

V10 – was bislang dem Rennsport oder exotischen Einzelstücken vorbehalten war, hält als Hochdrehzahl-Triebwerk für den M5 bei BMW erstmals Einzug in eine Serienlimousine. Dem exklusiven Anspruch der M Familie entsprechend, gestaltet sich der Auftritt dieses High-Performance-Triebwerks wie ein Paukenschlag: zehn Zylinder, fünf Liter Hubraum, 507 PS Leistung, 520 Newtonmeter Drehmoment, maximale Drehzahl 8.250 min–1 – ein Kraftpaket par excellence.

Und doch ist dieser Motor weit mehr als die Summe beeindruckender Leistungsdaten. So entpuppt sich dieses Hochdrehzahl-Saugtriebwerk beim geringsten Druck auf das Gaspedal als typischer Sportmotor. Gleichwohl lässt er sich problemlos im Alltagsverkehr einsetzen. Eine Alltagslimousine mit Sportlerherz – ein Sportwagen mit Alltagsqualitäten. Der M5 erfüllt beide Anforderungen perfekt und erschließt dabei eine ganz neue Dimension der Mühelosigkeit. 20 Jahre nachdem der erste BMW M5 das Segment leistungsstarker Sport-Limousinen begründete, setzt der M5 Motor erneut die Benchmark in dieser Klasse.

Inspiration vom Formel-1-Motor.

Grundlage hierfür ist die vollständige Neukonstruktion des Motors durch die Ingenieure der BMW M GmbH: Dabei ließen sie sich einerseits vom BMW WilliamsF1-Motor inspirieren, dem anerkannt stärksten Triebwerk im Starterfeld der Königsklasse des Rennsports. Andererseits setzten sie alle M spezifischen Eigenheiten der bisherigen Serienautomobile ein, so die Doppel-VANOS, Einzeldrosselklappen und die im eigenen Haus entwickelte, derzeit wohl leistungsstärkste Motorelektronik sowie eine querkraftgeregelte Ölversorgung.

Wer in die „Fußstapfen“ des Vorgänger-M5 mit seinem 400 PS starken V8-Motor treten will, muss in diesem Marktsegment vor allem eines bieten: noch mehr Leistung. Dafür bieten sich im Motorenbau prinzipiell drei Wege an: mehr Hubraum und damit einhergehend ein höheres Drehmoment, Leistungssteigerung durch Aufladung mittels Turbolader beziehungsweise Kompressor oder die Erhöhung der Drehzahl mittels Hochdrehzahlkonzept.

Power ist mehr als nur eine große PS-Zahl.

Bild: BMW V10-Otto-Motor komplett, Schwungradseite

Leistung ist jedoch nicht alles. Vielmehr kommt es auf das Beschleunigungsverhalten und damit auf die Fahrdynamik an. Diese hängt von der tatsächlich generierten Schubkraft und dem Fahrzeuggewicht ab. Die Schubkraft an den Antriebsrädern ergibt sich aus dem Motordrehmoment und der Getriebeübersetzung. Das Hochdrehzahlkonzept ermöglicht eine optimale Getriebeübersetzung und damit die Umsetzung einer beeindruckenden Schubkraft.
Bei den physikalischen Grundgesetzen trennt sich die Spreu vom Weizen, selbst unter formal gleich starken Motoren. So leidet ein großvolumiger Motor – trotz hoher Leistung und extremem Drehmoment – unter seinem prinzipbedingten Mehrgewicht ebenso wie unter dem größeren Platzbedarf und dem höheren Kraftstoffverbrauch. Nicht anders bei aufgeladenen Motoren. Sie überzeugen selten im Praxis-Kraftstoffverbrauch und genügen in der Spontaneität, also der blitzschnellen Reaktion des Motors auf Fahrerwünsche, nicht den hohen Ansprüchen an ein M Gesamtkonzept.

Hochdrehzahlkonzept als Königsweg.

Bleibt der dritte Weg: der eines kompakten, hochdrehenden Saugmotors. Für die Ingenieure von BMW M ist dies – schon aus Tradition – der Königsweg: Leistungssteigerung durch Erhöhung der Drehzahl. Nicht verschwiegen werden soll in diesem Zusammenhang aber auch: Das Hochdrehzahlkonzept ist technologisch wesentlich anspruchsvoller und dementsprechend schwieriger umzusetzen. Schließlich ist es kein Zufall, dass mit dem neuen M5 die Marke BMW weltweit als Erste einen V10-Hochdrehzahl-Motor in der Klasse leistungsstarker Serien-Sportlimousinen platziert.

Mit einer Höchstdrehzahl von 8.250 min–1 stößt der M5 in eine Drehzahlregion vor, die bis vor kurzem reinrassigen Rennwagen vorbehalten war. Zum Vergleich: Der bisherige M5 begrenzt elektronisch die Drehzahl auf 7.000 min–1. Der neue Zehnzylinder durchbricht nun die 8 000er-Schallmauer.

Formel-1-Technologie für die Straße.

Damit schiebt der neue M5 die Grenzen des technisch Machbaren im Serienmotorenbau weiter hinaus. Denn je höher die Drehzahl, desto stärker nähert man sich dem Limit des Motors. Welche Materialbelastungen dies mit sich bringt, verdeutlicht ein Vergleich: Bei 8 000 Kurbelwellenumdrehungen in der Minute legt jeder der zehn Kolben etwa 20 Meter Weg in der Sekunde zurück. Noch einmal der Blick auf den Zehnzylinder im BMW WilliamsF1: Dessen Kolben absolvieren bei 18.000 min–1 sogar ca. 25 Meter in der Sekunde. Doch während ein Formel-1-Rennwochenende nur rund 800 Kilometer „dauert“, muss ein M Motor ein ganzes Autoleben lang halten – bei jedem Klima, in jeder Verkehrssituation und bei jeder Fahrweise.

Es liegt auf der Hand, dass für den M5 Motor diverse technologische Grundprinzipien, Fertigungsverfahren und Materialien aus dem Formel-1-Motor übernommen werden, also ein enger Technologietransfer genutzt wird.

Ein Viertel mehr Leistung – eine andere Welt der Fahrdynamik.

Bild: Basismotor mit freistehenden Ansaugtrichtern

Der komplett neu entwickelte V10-Motor zeigt sich als hochdrehender Zehnzylinder dem hubraumgleichen Vorgänger mit acht Zylindern in allen Disziplinen überlegen. Dies belegt schon die Leistungssteigerung um mehr als 25 Prozent. So leistet der neue V10-Motor 507 PS (373 kW) bei 7.750 min–1; der V8 wuchtete 400 PS (294 kW) bei 6 600 min–1 auf die Kurbelwelle. Trotzdem hat der neue Zehnzylinder-Motor mit 240 Kilogramm fast genau das gleiche Gewicht wie sein achtzylindriger Vorgänger.

Gemessen an seiner Leistung handelt es sich beim neuen Zehnzylinder also um ein Leichtgewicht. Ein Schwerathlet ist der Motor jedoch, wenn es um die Literleistung geht: Der M5 Zehnzylinder überschreitet die magische Grenze von 100 PS je Liter Hubraum, seine spezifische Leistung liegt damit auf Rennsport-Niveau.

Nur Drehzahl bringt Leistung und Drehmoment richtig zur Geltung.

Das maximale Drehmoment liegt mit 520 Newtonmetern beim Zehnzylinder auf dem Niveau des Achtzylinders. Dennoch schlägt der neue M5 seinen Vorgänger in allen fahrdynamischen Disziplinen. Auch dieses Phänomen hängt mit der Drehzahl zusammen. 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 daher immer derjenige gewinnen, der in der Lage ist, schneller zu treten. Folgerichtig übertrumpft der neue M5 mit seinem Hochdrehzahl-Motor souverän auch sämtliche direkten Wettbewerber, die fast ausschließlich auf das „Drehmomentkonzept“ eines großvolumigen Achtzylinders vertrauen. Er triumphiert auch deshalb, weil dort das prinzipbedingt extrem hohe Drehmoment über einen massiv verstärkten und damit schweren Antriebsstrang übertragen werden muss – Gewichte und Massen, die erst einmal beschleunigt werden wollen. Das Hochdrehzahlkonzept des kompakten V10 ermöglicht hingegen einen erheblich leichteren Antriebsstrang sowie deutlich kürzere Übersetzungen.

Im Übrigen braucht sich der neue M5 mit seinen Drehmomentzahlen nicht zu verstecken: Üppige 520 Newtonmeter liegen bei 6.100 min–1 an, schon bei 3.500 min–1 stellt er 450 Newtonmeter Drehmoment zur Verfügung. Und 80 Prozent des maximalen Drehmoments sind über den – für einen Sportmotor – weiten Drehzahlbereich von 5.500 min-1 abrufbar.

Zum Vergleich: Die sportliche und kraftvolle Top-Motorisierung im BMW 545i bietet ein maximales Drehmoment von 450 Newtonmetern an.

Auch zwölf Zylindern überlegen.

So souverän der Zehnzylinder der achtzylindrigen Konkurrenz überlegen ist, so konsequent vermeidet er die konstruktionsbedingten Nachteile eines Zwölfzylinders. Denn ein solcher Motor wäre in den Abmessungen größer und aufgrund der Bauteile-Anzahl und der Füllmengen schwerer als der kompakter bauende Zehnzylinder. Auch der Kraftstoffverbrauch spricht wegen der geringeren Reibungsverluste durch weniger Bauteile klar für den Zehnzylinder.

Somit stellt der neue V10 die optimale Lösung für ein Auto wie den M5 dar: Zudem entspricht jeder der zehn Zylinder mit jeweils 500 Kubikzentimetern Hubraum den Idealvorstellungen anspruchsvoller Motorenkonstrukteure.

Kompakte Bauweise für Bauteilfestigkeit und Komfort.

BMW ist als einer der führenden Motorenbauer vor allem durch seine Reihenmotoren berühmt geworden. Beim neuen Zehnzylindermotor setzten die Konstrukteure zwei Fünfzylinder-Reihen in einem V-Winkel von 90 Grad mit einem Bankversatz von 17 mm zu einem kompakten Aggregat zusammen. Der 90-Grad-Winkel wurde wegen seines schwingungs- und komfortorientierten Massenausgleichs gewählt. Im Ergebnis löst diese Baugeometrie optimal den Zielkonflikt aus größtmöglicher Vibrationsarmut und Bauteilefestigkeit.

Das Zylinderkurbelgehäuse wird im Niederdruck-Kokillengussverfahren mit einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gegossen. Bei dieser speziellen Legierung beträgt der Silizium-Anteil mindestens 17 Prozent.

Die Zylinderlaufbahn wird durch Freilegen der harten Siliziumkristalle erzeugt. Zusätzliche Laufbuchsen sind daher nicht nötig – die eisenbeschichteten Kolben laufen direkt in dieser unbeschichteten Bohrung. Der Hub beträgt 75,2 mm, die Bohrung 92 mm, was einen Gesamthubraum von 4 999 cm3 ergibt. Übrigens werden die Blöcke für den M5 Motor an gleicher Stelle gegossen wie die für die Formel 1: in der BMW Leichtmetallgießerei in Landshut.

Bedplate wie im Rennsport.

Die hohen Drehzahlen, hohen Verbrennungsdrücke und hohen Temperaturen belasten das Kurbelgehäuse extrem. Die Konstrukteure haben es daher sehr kompakt und ungewöhnlich verwindungssteif als so genannte Bedplate-Konstruktion ausgelegt, wie man sie aus dem Rennsport kennt. Im neuen Motor für den M5 setzt BMW erstmals eine solche Bedplate-Konstruktion in einem serienmäßigen V-Motor ein. Das Aluminium-Bedplate mit Grauguss-Inlays gewährleistet eine sehr exakte Kurbelwellenlagerung, speziell hält es das Hauptlagerspiel über den gesamten Betriebstemperaturbereich in engen Grenzen. Die Grauguss-Inlays reduzieren dabei die starke Wärmeausdehnung des Aluminiumgehäuses. Damit sie eine formschlüssige Verbindung mit dem umgebenden Aluminiumrahmen eingehen können, wurden sie mit Durchbrüchen versehen. Gleichzeitig trägt diese Konstruktion dazu bei, die akustischen Anforderungen an den M5 Motor zu erfüllen.

Die für hohe Steifigkeit ausgelegte und fein gewuchtete Kurbelwelle aus geschmiedetem, hochfestem Stahl ist sechsfach gelagert und wiegt nur 21,8 Kilogramm. Sie ist auf geringe Massenträgheit ausgelegt und auf maximale Verdrehsteifigkeit konstruiert. Ihr Hauptlagerdurchmesser misst 60 mm bei einer tragenden Lagerbreite von 28,2 mm. Je zwei Pleuel greifen an einem der fünf Hubzapfen an, die ihrerseits um 72 Grad zueinander versetzt sind. Wegen des geringen Zylinderabstands von nur 98 mm und der dadurch möglichen kurzen Kurbelwelle ergibt sich eine sehr gute Biege- und Torsionssteifigkeit bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht.

Beim Leichtbau wird aufs Gramm geachtet.

Die gewichtsoptimierten Kastenkolben sind aus einer hochtemperaturfesten Aluminium-Legierung gegossen und eisenbeschichtet. Sie wiegen nur 481,7 Gramm inklusive Kolbenbolzen und -ringen. Die Kompressionshöhe beträgt 27,4 mm bei einer Verdichtung von 12,0:1. Die Kolben werden durch direkt am Hauptölkanal angeschlossene Ölspritzdüsen gekühlt.

Die 140,7 mm langen, ebenfalls gewichtsoptimierten und gecrackten Trapezpleuel bestehen aus hochfestem Stahl. Sie reduzieren effektiv die oszillierenden Massen. Jede der zehn aus 70MnVS4 geschmiedeten Pleuelstangen wiegt mit Lagerschalen nur 623 Gramm. Die einteiligen Aluminium-Zylinderköpfe des V10-Motors werden von BMW ebenfalls in der Leichtmetallgießerei in Landshut gegossen. Die Zylinderköpfe verfügen über integrierte Luftkanäle für die Sekundärlufteinblasung. Sie ist für eine schnelle Aufwärmung des Katalysators wichtig. Die Zylinderköpfe weisen die für BMW Motoren typischen vier Ventile je Zylinder auf. Die Ventilbetätigung erfolgt über ballige Tassenstößel mit Hydraulischem Ventilspielausgleich (HVA). Hierdurch konnten der Stößeldurchmesser auf 28 Millimeter und die Masse auf 31 Gramm reduziert werden. Durch die Optimierung aller Teile des Ventiltriebs wurde die bewegte Masse gegenüber dem Vorgängermodell um insgesamt 17,5 Prozent verringert. Der Durchmesser des Einlassventils beträgt 35 Millimeter, der des Auslassventils 30,5 Millimeter. Der Schaftdurchmesser misst 5 Millimeter.

Detail-Innovationen senken die Wartungskosten.

Die Einlassventile werden exklusiv für den M5 Motor gefertigt. Sie sind mit nur 5 mm Durchmesser besonders dünnschaftig, so dass sie kaum die Strömung im Einlasstrakt beeinträchtigen. Die stets korrekte Einstellung des Ventilspiels erledigen automatisch die Hydraulischen Ventilspielausgleichselemente (HVA). Der Kunde profitiert hiervon auch in Form geringerer Wartungskosten.

Mit der Motorleistung steigt auch der Kühlungsbedarf, vor allem in Brennraumnähe. Das Querstromkühlungskonzept des M5 Motors minimiert die Druckverluste im Kühlsystem gegenüber konventionellen Systemen deutlich. Es gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Zylinderkopf beziehungsweise die Absenkung der Spitzentemperaturen in den kritischen Bereichen des Zylinderkopfes. Jeder einzelne Zylinder wird gleichmäßig von einer optimalen Flüssigkeitsmenge umspült. Hierfür strömt das Kühlmittel vom Kurbelgehäuse über die Auslassseite quer durch den Zylinderkopf und über die Sammelleiste auf der Einlassseite zum Thermostat beziehungsweise Kühler.

Hochdruck-Doppel-VANOS für optimalen Gaswechsel.

Die variable Nockenwellensteuerung Doppel-VANOS, die im M3 schon 1995 Weltpremiere feierte und für das aktuelle M3 Modell weiter optimiert wurde, sorgt auch im neuen M5 Motor 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 schadstoffärmeres Abgas.

Beispielsweise kann im unteren Last- und Drehzahlbereich mit mehr Ventilüberschneidung und damit mehr innerer Abgasrückführung gefahren werden. Hierdurch werden die Ladungswechselverluste reduziert und damit 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 Einfachkette mit der Kurbelwelle verbundene Kettenrad durch ein zweistufiges, schräg verzahntes Getriebe mit der Nockenwelle verbunden. Bei axialer Verschiebung des Verstellkolbens bewirkt die Schrägverzahnung eine relative Verdrehung von Nockenwelle zu Kettenrad. Dies ermöglicht, den Spreizungswinkel der Einlassnockenwelle um bis zu 66° und denjenigen der Auslassnockenwelle um maximal 37° Kurbelwinkel zu variieren.

Die M Doppel-VANOS erfordert sehr hohe Öldrücke, um die Nockenwellen mit maximaler Geschwindigkeit und Präzision verstellen zu können. Das Motoröl wird deshalb durch eine im Kurbelraum platzierte Radialkolbenpumpe auf einen Arbeitsdruck von 80 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 insgesamt vier Ölpumpen. Hintergrund für diese ungewöhnlich aufwändige Ölversorgung ist die hohe Fahrdynamik des M5 mit seinen extremen Beschleunigungen. So erreicht die Sportlimousine in Kurven durchaus Querbeschleunigungswerte von über 1 g. Dabei wird das Motoröl durch die Fliehkraft so stark in die kurvenäußere Zylinderreihe gepresst, dass kein natürlicher Ölrücklauf aus dem Zylinderkopf möglich ist, woraus ein Ölmangel in der Ölwanne entstehen kann.

Dies könnte im ungünstigsten Fall dazu führen, dass die Druckstufe in der Ölpumpe Luft ansaugt. Um dies verlässlich zu verhindern, verfügt der Motor über eine querkraftgeregelte Ölversorgung, bei der ab einer Querbeschleunigung von etwa 0,6 g eine von zwei elektrisch betriebenen Duozentricpumpen Öl aus dem kurvenäußeren Zylinderkopf absaugt und in den Hauptölsumpf transportiert. Als Signalgeber für die Pumpen arbeitet ein Querbeschleunigungssensor. Die Ölpumpe selbst ist eine so genannte volumenstromgesteuerte Pendelschieberzellenpumpe, die nur genau das Volumen an Motoröl fördert, welches der Motor benötigt. Erreicht wird das durch eine veränderbare Exzentrizität (außermittige Anordnung) des Innenrotors der Pumpe zum Pumpengehäuse in Abhängigkeit des anliegenden Öldrucks im Hauptölkanal.

Damit beim Bremsen der Schmierfilm nicht reißt.

Bei extremen Bremsmanövern erreicht der M5 sogar bis zu 1,3 g negative Beschleunigung. Bei einer solch extrem hohen Verzögerung läuft u. U. nicht ausreichend Öl in den als Zwischenspeicher fungierenden Ölsumpf zurück, zumal dieser aus Platzgründen hinter dem Vorderachsträger angeordnet ist. Dadurch könnte im widrigsten Fall die Schmierung unterbrochen werden.

Um dies zu verhindern, ist der M5 Motor mit einem so genannten „Quasitrockensumpfsystem“ ausgestattet, das zwei Ölsümpfe aufweist: einen kleinen vor dem Vorderachsträger und einen großen dahinter. In das Gehäuse der Druckölpumpe ist eine Rückförderpumpe integriert, welche das Öl aus dem vorderen kleinen Ölsumpf absaugt und in den hinteren großen Ölsumpf fördert. Dieser Ölsumpf ist sorgfältig abgeschirmt. Die Rücklauföffnungen und der Absaugpunkt der Druckölpumpe sind auf die auftretenden Beschleunigungen hin genau abgestimmt.

Zehn Einzeldrosselklappen werden elektronisch geregelt.

Rennsport-typisch verfügt jeder der zehn Zylinder über eine eigene Drosselklappe, wobei jede Zylinderbank von einem eigenen Stellmotor bedient wird. Dieses System ist zwar mechanisch äußerst anspruchsvoll, doch gibt es kein besseres Arbeitsprinzip, will man ein möglichst spontanes Ansprechverhalten des Motors erzielen. Um einerseits ein feinfühliges Ansprechen des Motors im niedrigen Geschwindigkeitsbereich zu ermöglichen und andererseits auch beim Abrufen hoher Motorleistung eine unmittelbare Reaktion des Fahrzeuges zu erreichen, werden die Drosselklappen vollelektronisch gesteuert. Hierzu wird die Position des Gaspedals mittels zweier berührungsloser Hall-Potentiometer 200 Mal pro Sekunde abgetastet und ausgewertet. Das Motormanagement reagiert auf Veränderungen und veranlasst dann über die beiden Stellmotoren die Verstellung der zehn Einzeldrosselklappen. Dass dies blitzartig geschieht, versteht sich von selbst: Für die maximale Öffnung der Drosselklappen werden nur 120 Millisekunden benötigt – etwa so lange, wie ein routinierter Fahrer braucht, um das Gaspedal durchzutreten. Dadurch wird dem Fahrer ein unmittelbarer „Antritt“ vermittelt. Er kann die abgerufene Motorleistung auch feinfühlig dosieren. Gleichzeitig lässt die elektronische Drosselklappenbetätigung die Übergänge vom Schub- in den Teillastbetrieb und umgekehrt absolut harmonisch verlaufen. „Luft zum Atmen“ holt sich der V10 aus zwei Luftsammlern durch seine zehn strömungsoptimierten Ansaugtrichter. Luftsammler und Trichter bestehen aus einem leichten Verbundwerkstoff mit 30-prozentigem Glasfaseranteil.

Zweiflutige Abgasanlage aus Edelstahl.

So wichtig die Ansaugseite für das glänzende Leistungsergebnis des neuen M5 Motors ist, so wenig darf die Abgasanlage vernachlässigt werden. Auch hier erfüllt nur das Beste die Ansprüche der BMW M Ingenieure.

Die beiden 5-in-1-Rohrfächerkrümmer aus Edelstahl sind in aufwändigen Rechenverfahren auf gleiche Längen optimiert worden. Um auch die Rohrdurchmesser exakt zu gestalten, werden die nahtlos gefertigten Edelstahlrohre im so genannten Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU) unter einem Druck von bis zu 800 bar von innen her ausgeformt. Schließlich weisen die Krümmerrohre eine Wandstärke von nur ca. 0,8 mm auf – auch dies ein Zeichen der außergewöhnlichen Sorgfalt, mit der die M Konstrukteure auch das kleinste Detail dieses Meisterwerks des Motorenbaus gestaltet haben.

Auch ein Sportmotor kann vorbildlich sauber sein.

Bei der Auslegung der Abgasanlage wurde konsequent auf einen möglichst geringen Gegendruck geachtet und die gasdynamische Auslegung auf ein günstiges Leistungs- und Drehmomentverhalten hin optimiert.

Die Abgasanlage wird zweiflutig bis in die Schalldämpfer geführt, bevor das Abgas schließlich das System durch die für M Fahrzeuge charakteristischen vier markanten Endrohre verlässt. Wie von einem BMW M Automobil nicht anders zu erwarten, reinigen je zwei trimetallbeschichtete Katalysatoren pro Abgasstrang die Abgase des Zehnzylinders entsprechend der anspruchsvollen europäischen EU4-Norm beziehungsweise der US-amerikanischen LEV 2. Zwei Katalysatoren sind im Unterboden angeordnet und je ein Katalysator je Abgasstrang ist motornah platziert. In Verbindung mit den dünnwandigen Abgaskrümmern erreichen diese Katalysatoren so schnellstmöglich ihre optimale Betriebstemperatur. Entsprechend schnell sprechen die Katalysatoren nach dem Kaltstart an. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen Druckverlust und hohe mechanische Festigkeit aus.
Weltweit einmaliges Motorsteuergerät.

Zentral verantwortlich für die hervorragenden Leistungs- und Abgasdaten des V10 ist seine Motorsteuerung MS S65. Sie ermöglicht die optimale Koordination aller Motorfunktionen mit den verschiedenen Fahrzeugsteuergeräten, insbesondere dem des SMG. Dieses innovative Steuergerät ist für einen Serienmotor weltweit einzigartig: Keine andere Motorsteuerung weist mit mehr als 1000 Einzelbauteilen eine auch nur annähernd hohe Packagedichte auf. Hardware, Software und Funktionsweise sind übrigens Eigenentwicklungen von BMW M.

Hohe Motordrehzahlen erfordern extreme Leistungsfähigkeit.

Wegen der hohen Drehzahlen des M5 Motors und der Summe an Steuerungs- und Regelungsaufgaben sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Motorsteuerung MS S65 besonders hoch.

Um diesen gerecht zu werden, verfügt die Motorsteuerung über drei 32-Bit-Prozessoren. Sie sind in der Lage, über 200 Millionen Einzeloperationen pro Sekunde abzuarbeiten. Damit liegen sie um den Faktor acht höher als die erst vor vier Jahren präsentierte Motorsteuerung des M3. In puncto Speicherkapazität übertrifft sie diese sogar um den Faktor zehn. Schließlich errechnet sie aus mehr als 50 Eingangssignalen zylinderindividuell und für jeden einzelnen Arbeitstakt den optimalen Zündzeitpunkt, die ideale Füllung, die Einspritzmenge sowie den Einspritzzeitpunkt. Synchron dazu wird die optimale Nockenwellenspreizung errechnet und eingestellt, ebenso die jeweilige Stellung der zehn Einzeldrosselklappen.

Über einen Schalter kann der Fahrer zwei sportlichere, bezüglich Gaspedalweg zu Drosselklappenöffnung progressivere Kennlinien abrufen. Bei Aktivierung dieser Gaspedalkennlinien werden die dynamischen Übergangsfunktionen der elektronischen Motorsteuerung auf spontaneres Ansprechen umgeschaltet. Die komfortablere der beiden Kennlinien wird im M5 automatisch aufgerufen, sobald der Motor neu gestartet wird.

Umfassende „Nebenaufgaben“ für die Motorsteuerung.

Bild: Stellmotor für Drosselklappenregelung, Ansicht Elektronik und Getriebe

Die Steuerung der elektronischen Drosselklappenregelung basiert auf einer so genannten Momentenstruktur. Hierbei wird der jeweilige Fahrerwunsch über das Potentiometer am Gaspedal gemessen und in ein Wunschmoment übersetzt. Im Momentenmanager wird dieses Wunschmoment um die Bedarfsmomente der Nebenaggregate wie Klimakompressor oder Generator korrigiert. Auch Funktionen wie Leerlaufregelung, Abgasreinigung und Klopfregelung werden koordiniert sowie mit den geforderten Maximal- beziehungsweise Minimalmomenten der Dynamischen Stabilitäts Control (DSC) und der Motor-Schleppmomenten-Regelung (MSR) abgeglichen. Das so berechnete Sollmoment wird dann unter Berücksichtigung des aktuellen Zündwinkels eingestellt. Darüber hinaus übernimmt die Motorsteuerung umfassende On-Board-Diagnoseaufgaben mit verschiedenen Diagnoseroutinen für die Werkstatt sowie weitere Funktionen und die Steuerung von Peripherieaggregaten.

Highlight in der Motorsteuerung: Ionenstromtechnologie.

Ein Highlight des Motorsteuergeräts ist die Ionenstromtechnologie zur Erkennung von Motorklopfen sowie Zünd- und Verbrennungsaussetzern. Als Klopfen bezeichnet man die unerwünschte Selbstentzündung des Kraftstoffs im Zylinder. Um dies zu verhindern, werden Motoren ohne Klopfregelung grundsätzlich etwas niedriger verdichtet und mit einem etwas späteren Zündzeitpunkt gesteuert, damit keinesfalls ein Zylinder die Klopfgrenze erreicht oder überschreitet, denn das könnte zu einer Schädigung des Motors führen. Der daraus resultierende „Sicherheitsabstand“ zur Klopfgrenze bringt aber immer Einbußen bei Kraftstoffverbrauch, Motorleistung und Drehmoment mit sich. Mit aktiver Klopfregelung kann der optimale Zündzeitpunkt realisiert werden, da die Klopfregelung den Motor in den klopfbegrenzten Arbeitspunkten vor Schäden bewahrt. Eine solche Auslegung erzielt den besten Wirkungsgrad.

Bei einer konventionellen Lösung erhält die Klopfregelung ihr Klopfsignal über mehrere Körperschallsensoren, die außen am Zylinder angebracht sind. Bei BMW M überwacht jeweils ein Sensor zwei Zylinder. Bei einem vielzylindrigen und dazu hochdrehenden Motor wie dem Zehnzylinder genügen solche Körperschallsensoren jedoch nicht, um drohendes Motorklopfen sicher zu erkennen. Wegen der hohen Drehzahlen ist aber eine relativ hohe Auswertegenauigkeit notwendig, um die Verbrennungsqualität in den Zylindern und damit die Lebensdauer der Bauteile sowie die Abgaswerte zu gewährleisten. Daher nun der Einsatz der Ionenstromtechnologie.

Die Zündkerze bekommt zusätzliche Kontrollfunktionen.

Diese Technologie ermöglicht es, über die Zündkerze in jedem Zylinder nicht nur eventuelles Klopfen zu sensieren und zu regeln, sondern auch die korrekte Zündung zu kontrollieren beziehungsweise eventuelle Aussetzer zu erkennen. Die Zündkerze wirkt also gleichzeitig als Aktuator für die Zündung und als Sensor zur Beobachtung des Verbrennungsprozesses. Dies macht noch einmal den Unterschied zu konventionellen Klopf- und Zündungssensoren deutlich: Diese sitzen außerhalb des Verbrennungsraumes. Die Ionenstrommessung erfolgt hingegen direkt in der Verbrennung, da die Zündkerze selbst Sensor ist.

Messungen im Zentrum der Verbrennung.

In einem Ottomotor treten während der Verbrennung im Brennraum Temperaturen von bis zu 2.500 Grad auf. Diese hohen Temperaturen und die während der Verbrennung ablaufenden chemischen Reaktionen bewirken eine partielle Ionisation des im Brennraum vorhandenen Benzin-Luftgemischs. Insbesondere in der Flammenfront wird das Gas durch die Erzeugung von Ionen durch Abspalten bzw. Anlagern von Elektronen (Ionisation) elektrisch leitfähig. Mit Hilfe der vom Zylinderkopf elektrisch isolierten und mit einem kleinen von der Motorsteuerung abhängigen Steuergerät, dem sog. Ionenstrom-Satelliten, verbundenen Zündkerzenelektrode, an die eine Gleichspannung angelegt ist, wird nun der so genannte Ionenstrom zwischen den Elektroden gemessen. Seine Größe hängt dabei vom Ionisationsgrad des Gases zwischen den Elektroden ab. Durch die Ionenstrommessung werden also Informationen über den Verbrennungsprozess direkt am Geschehen – im Verbrennungsraum – ermittelt. Der Ionenstrom-Satellit empfängt die Signale von den fünf Zündkerzen einer Zylinderbank, verstärkt diese und übermittelt die Daten an die Motorsteuerung. Diese analysiert die Daten und nimmt gegebenenfalls zylinderselektiv Eingriffe vor. Beispielsweise passt sie über die Klopfregelung den Zündzeitpunkt zylinderselektiv ideal an den Verbrennungsvorgang an.
Zugleich erleichtert die doppelte Funktionalität der Zündkerze – einerseits Zündquelle, andererseits Sensor – die Diagnose bei Wartungs- und Servicearbeiten.

Quelle: BMW Presse-Information vom 23.06.04

BMW M5 SMG 7-Gang-Getriebe