Mit der Einführung der aktuellen Efficient-Dynamics-Motorenfamilie hat die BMW Group großen Wert darauf gelegt, in allen Fahrzeugsegmenten eine außerordentlich günstige Beziehung zwischen Fahrleistungen und Verbrauchs- / Emissionswerten zu erreichen. Jetzt präsentiert die BMW Group überarbeitete Drei- und Vierzylinder-Dieselmotoren. Die konsequente Weiterentwicklung hat zum Ziel, die Position von BMW in puncto Fahrfreude und Umweltverträglichkeit zu stärken.



ZIELSETZUNG

Die technische Überarbeitung umfasst alle Drei- und Vierzylinder-Motoren in Quer- und Reihenbauweise mit unterschiedlichen Leistungsvarianten zwischen 70 und 140 kW. Der Rollout startet Ende 2017 mit der Einführung der in den Mini-Derivaten verbauten Dreizylinder-Quermotoren und des im BMW X1 verbauten Vierzylinder-Quermotors im oberen Leistungsbereich. Ziel der Weiterentwicklung war es, den Verbrauch und das Gewicht weiter zu reduzieren und gleichzeitig die Dynamik und die Motorakustik zu verbessern. Dabei wurde das bewährte Baukastenprinzip beibehalten. Darüber hinaus bildet die zweite Generation der Modulfamilie die Basis, um zukünftige Emissions- und Gesetzesanforderungen zuverlässig zu erfüllen.



KONZEPT

Dieses anspruchsvolle Ziel wurde durch die Anwendung der folgenden Lösungen erreicht, BILD 1:

- Zylinderblock mit reibungsreduzierter Zylinderoberfläche (Draht-Lichtbogenspritzbeschichtung) und formgehärteter Lagerfläche

- erhöhter Wirkungsgrad im Ölabscheidersystem

- reibungsoptimierter Riemenantrieb mit Freilauffunktion in der entkoppelten Riemenscheibe

- Toleranzreduziertes Ausgleichswellensystem

- Weiterentwicklung des druckerhöhten Common-Rail (CR) -Injektionssystems mit innovativer Nadelverschlusskontrolle (NCC) am Injektor

- umfassender Einsatz eines zweistufigen Aufladesystems in den Vierzylinder-Motoren

- Weiterentwicklung des Hochdruck-Abgasrückführungssystems (HP-EGR)

- Abgasnachbehandlung durch NOx-Speicherkatalysator und Dieselpartikelfilter (DPF) in Kombination mit SCR-System (Selective Catalytic Reduction)

- konsequente Weiterentwicklung des Verbrennungsprozesses, der Thermodynamik und des Wärmemanagements (z. B. schaltbare Kolbenkühlung).

Die Architektur der überarbeiteten Drei- und Vierzylinder-Motoren basiert weiterhin auf dem bewährten Design des BMW-Motorbausystems.
Der seit Jahren übliche Zylinderabstand wurde beibehalten, ebenso das Einzelzylindervolumen von 0,5 dm³, TABELLE 1 [3]. Dies bedeutet, dass es einfach ist, Derivate mit unterschiedlichen Ausgangspegeln basierend auf den gleichen Basismotoren zu realisieren. Die verschiedenen Motorvarianten lassen sich nahtlos in das globale Produktionsnetzwerk der BMW Group integrieren. Im Folgenden wird die konstruktive Gestaltung am Beispiel des Vierzylinder-Quertriebwerks gezeigt.





ZYLINDERBLOCK

Der Zylinderblock ist eine Weiterentwicklung des bewährten Konzepts der Vorgängermotoren:

- wärmebehandelter Vollaluminium-Zylinderblock aus AlSi8Cu3

- gewichtsoptimierte gesinterte Hauptlagerdeckel mit Verzahnung

- zweiteiliger Wassermantel für Robustheit, auch bei höchster Leistung

- Closed-Deck- und Deep-Rock-Design zur sicheren Aufnahme hoher Lasten

- Druckölkanal für den Einsatz einer kennfeldgesteuerten Ölpumpe gießen

- Montage der Ausgleichswelle in einem vorgefertigten Tunnel direkt im Zylinderblock. Darüber hinaus wurden folgende Technologien neu implementiert:

- Zylinderoberflächen, die durch Lichtbogenspritzen beschichtet sind, einschließlich der Änderung der Zylinderoberflächenaktivierung, um ein mechanisches Schruppverfahren zu verwenden, das die Ressourcen effizient nutzt

- Erstmalige Verwendung einer formgehonten Zylinderoberfläche zur Minimierung der Motorreibung, ABBILDUNG 1

- Ölkreislauf für schaltbare Kolbenkühlung, BILD 1

- optimierte Kühlkanalisierung für den Einsatz von zwei unabhängig voneinander arbeitenden Thermostaten.

Der Zylinderblock wird im Core-Pack-Verfahren gegossen, wodurch eine Vielzahl von Funktionen in das Gehäuse integriert werden können. Durch die Verwendung von Kokillenguss in der Kernpackung werden in den hochbelasteten Bereichen besonders hohe statische und dynamische Festigkeiten erreicht. Durch den Einsatz eigener Rohteile für Inline- und Transversalgehäusevarianten konnte das Bauteilgewicht nochmals deutlich reduziert werden.



Ausgleichswellen-System

Die Ausgleichswellen, BILD 1, des Vierzylinders sind in den Zylinderblock integriert und von vorn eingebaut. Durch die geradverzahnte Ausführung der Antriebseinheit kann das Getriebe schmaler ausgeführt werden, wodurch das Trägheitsmoment reduziert wird. Die Ausgleichswellen werden von einem Zahnkranz an der letzten Kurbelwange angetrieben. Eine Besonderheit ist ein Spannsystem, bei dem nur das Zwischenrad verwendet wird, das die Drehrichtung einer der beiden Ausgleichswellen umkehrt. Dies verringert das Torsionsflankenspiel auf der Auslaßseite, was zu erheblichen akustischen Vorteilen führt.



RIEMENANTRIEB

Bei den Vierzylindermotoren kommt der aus den Sechszylinder-Motoren bekannte L-förmige reibungsoptimierte Riemenantrieb zum Einsatz. Der Kern des Riementriebs ist ein integraler Bestandteil des Torsionsschwingungsdämpfers (TVD) zur Reduzierung der Torsionsschwingungen der Kurbelwelle und der entkoppelten Riemenscheibe, um die unregelmäßige Drehung der Nebenaggregate zu reduzieren, BILD 1.

Die Riemenscheibe ist mittels eines Gummielements von der Nabe entkoppelt. Ein mit der entkoppelten Riemenscheibe in Reihe geschalteter Freilauf entkoppelt den gesamten Riementrieb in den Verzögerungsphasen der hohen unregelmäßigen Drehungen beim Motorstart. Der Riementrieb wird in den Beschleunigungsphasen neu gekoppelt. Dies bedeutet, dass der Riemenantrieb stabilisiert ist und die Last in der entkoppelten Riemenscheibe deutlich reduziert ist. Diese Entkopplungsfunktion ermöglicht es, einen Riemen mit einem höheren Reibungskoeffizienten zu verwenden, ohne dass dies zu einem Quietschen des Riemens führt. Zusätzlich kann die Riemenspannkraft um bis zu 40% reduziert werden, wodurch die Reibleistung deutlich reduziert wird. Um zusätzliche Verbrauchsvorteile zu erreichen und dynamische Eigenschaften zu erhöhen, wurde der Aufbau des Motors inklusive Riemenantrieb bereits für die Integration eines riemengetriebenen 48-V-Startergenerators ausgelegt.



Öl-System

Die neuen Dieselmotoren nutzen eine Weiterentwicklung der vollvariablen Drehschieberpumpe [3]. Schaltbare Kolbenkühlung ist als neues Feature integriert. Ein elektrisches Schaltventil in Kombination mit einem Hydraulikventil ermöglicht es, die Kolbenkühlung präzise zu aktivieren und zu deaktivieren, BILD 1. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Kühlung über den gesamten Kennfeldbereich des Motors und reduziert zusätzlich den Verbrauch. Darüber hinaus kann die Ölpumpe im Vergleich zum aktuellen Serienmotor kompakter gebaut werden.



ZYLINDERKOPFHAUBE

Die Zylinderkopfhaube mit integriertem Ölabscheidersystem ist aus Kunststoff gefertigt, bei optimalem Gewicht und Kosten. Das zweistufige passive Ölabscheidersystem besteht aus einer Absetzkammer mit Vortrennfunktion und einem Feinabscheider. Ein Wirkungsgradgewinn (erhöhte Ölabscheideleistung bei vergleichbarem Druckverlust) wird durch den Einsatz eines Kugelimpaktors im Feinabscheider erreicht. Wenn der Durchblasvolumenstrom ansteigt, wird eine größere Anzahl von Durchtrittsöffnungen freigegeben, Fig. 1, wodurch ein optimaler Ölabscheidegrad unabhängig von der Durchflussrate des Durchblasgases erreicht wird und der Druckverlust begrenzt ist.



ZWEI-STUFENTURBOARGING-SYSTEM

Für alle Vierzylinder-Motoren wird ein zweistufiges Aufladesystem verwendet, das einen integrierten Krümmer mit einer nicht verstellbaren Hochdruckstufe sowie eine Niederdruckstufe mit verstellbaren Leitschaufeln auf der Turbinenseite umfasst, BILD 2. Der Auslösemechanismus auf Die Niederdruckstufe sorgt für eine präzise und schnelle Verstellung der variablen Leitschaufeln und damit für eine optimale Boost-Regelung mit geringer Hysterese. Der Abgasmassenstrom wird durch ein pneumatisch betätigtes Abgasregelventil zwischen den beiden Abgasturboladern aufgeteilt. Je nach Betriebsbereich des Motors durchströmt Abgas sowohl die Hoch- als auch die Niederdruckstufe und trägt damit zur Erzeugung von Ladedruck bei. Lediglich die Niederdruckstufe arbeitet weiterhin im oberen Drehzahlbereich. In diesem Fall umgeht die Ladeluft den Hochdruckkompressor mittels eines pneumatisch betätigten Verdichterbypassventils.





EINSPRITZSYSTEM

Ein CR-Einspritzsystem wird mit Magnetventil-Einspritzdüsen und 2200 (unterer Motorleistungsbereich) oder 2500 bar (oberer Motorleistungsbereich) des Spitzendrucks verwendet.
Als Hochdruckpumpe wird eine Einkolbenpumpe verwendet; Diese verfügt über eine modifizierte Nockenwelle für Hub- und Nockenprofil, um das Fördervolumen zu erhöhen. Ein spezielles, asymmetrisches Nockenprofil reduziert die Motorsteuerzeiten trotz erhöhtem Einspritzdruck deutlich. Die Injektoren wurden auf Basis der bekannten 2000-bar-Injektoren weiterentwickelt.
Zum ersten Mal wurde ein NCC-System eingeführt, um die Einspritzdauer zu steuern und dadurch die Dosiergenauigkeit signifikant zu erhöhen.



ABGASRÜCKFÜHRUNG

Das weiterentwickelte HP-AGR-Modul hat die Aufgabe, das direkt vom Abgaskrümmer einströmende Abgas über ein Ventil zu regeln und nach Konditionierung (entweder gekühlt oder ungekühlt) in das Saugmodul einzuleiten. Die Umschaltung zwischen gekühltem und ungekühltem Betrieb erfolgt durch eine vakuumgesteuerte Bypassklappe, BILD 1. Bei den neuen BMW Dieselmotoren ist der Kühler direkt hinter dem Ventil angeordnet und besteht aus mehreren Plattenwärmetauschern; diese erlauben eine sehr hohe Wärmeübertragungsrate bei vergleichsweise geringem Bauraum. Spezielle Elemente werden zur Erzeugung von Turbulenzen in den Wärmetauscherplatten verwendet. Dies erhöht zum einen die Wärmeabgabe, zum anderen verringert es die Neigung zu Rußablagerungen durch Kondensatablagerungen.



ABGAS NACHBEHANDLUNGSSYSTEM

Es wird ein kombiniertes Abgasnachbehandlungskonzept verwendet, BILD 3. Auf Motorebene ist eine Kombinationseinheit installiert, die aus einem NOx-Speicherkatalysator (NSC) mit einem beschichteten Partikelfilter besteht. Dies wird ergänzt durch einen im Unterboden angeordneten Selektivkatalysator. Die Harnstoff / Wasser-Lösung im Filter für selektive katalytische Reduktion wird mit Hilfe eines Dosierventils und eines speziell entwickelten Mischers so gut wie möglich zugeführt und verteilt.






FUNKTIONSERGEBNISSE MECHANISCHE SYSTEME

Zur Optimierung der Motorreibung wurde mit dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT) der Technischen Universität Graz eine neue Messmethode zur Reibungsmessung entwickelt, die sich insbesondere auf die getrennte Erfassung der Kurbeltriebsreibung im Verbrennungsmodus ( "Betankter Betrieb") [4]. Durch den Einsatz dieses neuen Verfahrens wurde eine weitere signifikante Verbesserung der Motorgrundreibung gegenüber dem Vorgängermodell erreicht. Neben den bereits beschriebenen Maßnahmen zum Ölsystem und zum Riementrieb wurde der Fokus auf folgende Maßnahmen gerichtet:

- Formhonen: Die Zylinderfläche wird im unteren Hubbereich mit größerem Durchmesser gefertigt, wodurch sich eine Glockenform ergibt. Neben deutlichen Vorteilen hinsichtlich der Reibung und damit des Verbrauchs konnte auch eine geringfügige Reduzierung des akustisch relevanten Kolbenspiels im Bereich des oberen Totpunktes erreicht werden.

- Leichtlauf-Motoröl: Zusätzlich konnte durch ein weiterentwickeltes Leichtlauf-Motorenöl die Gesamtreibung des Motors reduziert werden.




VERBRENNUNGSPROZESS

Aufgrund der inneren Gemischbildung bei Dieselmotoren ist der Verbrennungsprozess ein Schlüsselelement für die meisten Motoreigenschaften. Daher wurde bei dem neuen Motor besonderes Augenmerk auf eine nachhaltige Architektur gelegt, die auf den Hauptelementen der Lade-, Einspritztechnik und des Abgasrückführungssystems basiert. Geringere Rohemissionen durch ein AGR-System mit erhöhtem Wirkungsgrad, bessere Drehmoment- und Leistungsabgabe, geringer Verbrauch auch unter realen Fahrbedingungen sowie das Fehlen von Impulsverbren- nungsgeräuschen standen im Vordergrund der Entwicklung des Verbrennungsprozesses. Basierend auf umfangreichen Konzeptauswertungen wurde der Ansatz "hohe Ladedrücke kombiniert mit kleinen Einspritzdüsenquerschnitten" gewählt. Für die neuen Vierzylinder-Motoren heißt das:

- Zweistufiger Turbolader für alle Leistungsstufen

- CR-Systeme mit maximalem Einspritzdruck von 2200 bis 2500 bar

- erhöhte Effizienz HP-EGR, keine Niederdruck-AGR.




FUNKTIONSERGEBNISSE ZWEI-STUFENTURBOARGING SYSTEM

Im Gegensatz zur Kombination zweier variabler Düsen-Turbolader (VNT) im derzeit leistungsstärksten Vierzylinder-Motor werden die neuen Vierzylinder-Motoren ihren haben
untere und obere Motorleistungsbereiche konfiguriert mit nicht einstellbaren Hochdruckstufen und VNT-Niederdruckstufen. Dadurch ist es möglich, einen sehr schnellen Ladedruckaufbau, hohe Ladedrücke auch bei niedrigen Motordrehzahlen sowie erhebliche Verbrauchsvorteile über große Betriebsbereiche hinweg durch hohe Ladewirkungsgrade zu erreichen, BILD 4. Aufgrund der Stufendesign und Optimierung der Niederdruckstufe über den gesamten Betriebsbereich (verlängerte Pumpgrenze und verbesserter Turbinenwirkungsgrad) konnten eine signifikante Effizienzsteigerung erreicht werden. Dies zeigt sich im Teillastbereich durch einen deutlichen Verbrauchsvorteil und im Volllastbereich durch das höhere verfügbare Drehmoment, was zu einer verbesserten Fahrdynamik führt. Die wirtschaftlichen Nachteile der zweistufigen Turboaufladung konnten durch den Wegfall der Niederdruck-AGR kompensiert werden, die durch die sehr geringen Rohemissionen im Motor möglich wurde.






FUNKTIONSERGEBNISSE EINSPRITZSYSTEM

Um das Prinzip der "kleinen Düsenlöcher" für eine verbesserte Kraftstoffaufbereitung ohne Leistungseinbußen umzusetzen, wurde das Common-Rail-Einspritzsystem mit Magnetventil-Injektoren auf einen maximalen Druck von 2500 bar aufgerüstet. In Zusammenarbeit mit einem Zulieferer wurde die innovative Nadelverschluss-Technologie (NCC) entwickelt, um die anspruchsvollen zukünftigen Ziele zu erfüllen. Kernstück von NCC ist ein im Magnetventil-Injektor integrierter piezoelektrischer Sensor, mit dem das System die genauen Zeiten der einzelnen Einspritzungen misst. Die zweite Innovation in NCC betrifft die Software: Das tatsächliche Einspritzverhalten im realen Fahrbetrieb wird anhand der Sensormessungen und physikalischen Softwaremodelle kontinuierlich berechnet. Abweichungen von den Einspritzzeitpunkten und -volumina werden in einem geschlossenen Regelkreis korrigiert. Dies eröffnet eine Reihe von sehr wertvollen Möglichkeiten:

- Robuste Implementierung von Injektionsmustern mit kleinsten Volumina und sehr kurzen Intervallen (Digital Rate Shaping, DRS)

- Adaption unabhängig vom Antrieb und schnelle Kontrolle der kleinsten Einspritzmengen

- Erkennung und Kompensation von Kohlenstoffablagerungen in der Düsenöffnung als Maßnahme, um sehr kleine Düsenlöcher zu realisieren

- Während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs können die Einspritzzeiten und -volumina im realen Fahrbetrieb weitgehend konstant gehalten werden. Das Funktionsprinzip der NCC-Parametererkennung ist in BILD 5 dargestellt. Das Magnetventil des Injektors ist so konfiguriert, dass der zentrale Ankerstift empfindlich auf die Änderung der charakteristischen Injektorparameter, wie zum Beispiel Schließen der Düsennadel, reagiert. Die Integration eines piezoelektrischen Sensors direkt oberhalb dieses Ankerbolzens ermöglicht trotz der relativ geringen Komplexität eine sehr robuste Erfassung des Düsennadelschließens.





FUNKTIONSERGEBNISSE ABGASNACHBEHANDLUNG

Die neuen Motoren müssen das Potenzial haben, die ab 2017 schrittweise eingeführten Rechtsvorschriften für reale Fahrzeugemissionen (RDE) zu erfüllen. Dazu ist es erforderlich, nicht nur emissionsmßige Maßnahmen im Motor durch ein hocheffizientes AGR-System, sondern auch eine sehr effektive Abgasnachbehandlung einzuleiten. DeNOx-Systeme sind unerlässlich, um die NOx-Grenzwerte von RDE zu erreichen. Das oben beschriebene Kombinationssystem wird verwendet. Dadurch kann ein sehr breites Temperatur- und Lastspektrum bei hohen Umsetzungsgraden abgedeckt werden, BILD 3.



Dynamik und Leistung des kompletten Fahrzeugs

Die stationären Volllastwerte wurden gegenüber den Vorgängermotoren nicht weiter erhöht, BILD 6. Die beiden Vierzylinder-Leistungsbereiche decken einen Leistungs- und Drehmomentbereich von 110 bis 140 kW und 350 bis 400 Nm ab. Das Portfolio wurde mit den Dreizylinder-Derivaten (70 bis 85 kW und 220 bis 270 Nm) nach unten erweitert; eine Vierzylinder-Top-Performance-Variante wird zu einem späteren Zeitpunkt vorgestellt. Trotz der unveränderten Volllastkennwerte wurde die Dynamik im Vergleich zu den Vorgängermotoren deutlich verbessert, insbesondere durch die Einführung der zweistufigen Turboaufladung in den Vierzylindermotoren.





Kraftstoffverbrauch des kompletten Fahrzeugs

Durch die in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Maßnahmen konnten je nach Motorvariante im NEFZ allein durch motorische Maßnahmen Verbrauchsverbesserungen von 4 bis 5% erreicht werden, BILD 7. Die eingesetzten Technologien wie Formhonen oder Stufenaufladung Effekt in einem weiten Bereich des Kennfeldes, BILD 4, wodurch sich entsprechende Vorteile auch in Fahrzyklen mit höheren Lasten zeigen. Im Gesamtfahrzeug ergeben sich folgende CO2-Einsparungen und Verbrauchseinsparungen gegenüber den Vorgängerantrieben, BILD 8.








EMISSIONEN DES KOMPLETTEN FAHRZEUGS

Die Fahrzeuge mit den neuen Antriebssträngen sind nach den neuen WLTP-Vorschriften homologiert. Aufgrund der eingesetzten Technologie und Anwendungen sind die ab September 2017 geltenden RDE1-Spezifikationen jedoch bereits erreicht, und die NOx-Emissionen liegen auch bei den unterschiedlichsten Fahr- und Umgebungsbedingungen bereits deutlich unter den RDE2-Grenzwerten. Insbesondere die Randbereiche der zukünftigen RDE2-Spezifikationen bleiben jedoch sehr herausfordernd.




FAHRZEUGAKUSTIK

Ein wesentliches Entwicklungsziel für die neuen Motoren waren weitere akustische Verbesserungen mit Fokus auf die Reduzierung der Pulsation. Insbesondere mit folgenden technologischen Ansätzen wurden signifikante Verbesserungen erzielt:

- optimierte Gestaltung der Kontaktflächen von Zylindern / Kolben durch Formhonen

- toleranzreduzierte Ausgleichswellen

- Verbrennungsprozess mit kleinen Düsenlöchern und NCC-Injektoren.

BILD 9 zeigt beispielhaft die Verbesserungen des Luftschalls im Vergleich zum Vorgängermotor. Subjektiv wird die früher für Dieselmotoren typische Pulsation somit weiter in den Hintergrund gedrängt.






ZUSAMMENFASSUNG

Die Weiterentwicklung von Dieselmotoren zum sogenannten Next-Generation-Baukastensystem hat nicht nur die beschriebenen funktionalen Verbesserungen ermöglicht, sondern auch die Auswirkungen auf das Produktionsnetzwerk (Eigenfertigung und Komponentenindustrie) hinsichtlich der Variantenvielfalt optimiert Flexibilität und gleichzeitig die Voraussetzungen schaffen, um zukünftige Emissionsanforderungen zuverlässig zu erfüllen. Nach dem Start des Rollouts der neuen Motorengeneration in der Queranwendung folgen anschließend weitere Motorvarianten mit unterschiedlichen Leistungsstufen und inline-Anwendungen.




VERWEISE

[1] Steinparzer, F .; Ardey, N .; Mattes, W .; Hiemesch, D .: Die neue BMW Efficient Dynamics Motorenfamilie. In: MTZworldwide 75 (2014), Nr. 5

[2] Steinparzer, F .; Nefischer, P .; Hiemesch, D .; Rechberger, E .: Der neue BMW Sechszylinder-Top-Motor mit innovativem Turboaufladekonzept. In: MTZworldwide 77 (2016), Nr. 10

[3] Ardey, N .; Stütz, W .; Hiemesch, D .; Kaufmann, M .: Die neuen BMW Drei- und Vierzylinder-Dieselmotoren. In: MTZworldwide 75 (2014), Nr. 7

[4] Wichtl, R .; Eichlseder, H .; Mallinger, W .; Peterek, R .: Reibungsuntersuchungen am Dieselmotor im Verbrennungsmodus - eine neue Messmethode. In: MTZworldwide 78 (2017), Nr. 12