Weltpremiere des Antriebs für den neuen BMW M5

Hermann · 24. Juni 2004

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

Das neue sequenzielle M Getriebe:Noch schneller und mit sieben Gängen

Die BMW M5 Motorenproduktion:Motorenbau auf höchstem Niveau.

Wenn die BMW M GmbH ein neues M Automobil präsentiert, befindet sich traditionell der Schwerpunkt des Interesses unter der Motorhaube. Beim neuen M5 trifft dies in ganz besonderem Maße zu: Sein V10-Motor verkörpert weltweit wohl einen der faszinierendsten Antriebe für ein Serienautomobil.

Dieses Meisterwerk der Technik hat mit dem Formel-1-Rennmotor von BMW WilliamsF1 nicht nur die Anzahl der Zylinder gemein, sondern auch das einzigartige Hochdrehzahlkonzept. Wie bei allen Hochleistungs-Saugmotoren von BMW M generiert es enorme Schubkraft in allen Drehzahlbereichen.

Erster hochdrehender V10-Motor in einer Serienlimousine.

Der V10 stellt das derzeit einzige Hochdrehzahl-Triebwerk in einer Serienlimousine dar. Mit zehn Zylindern, fünf Litern Hubraum, 507 PS Leistung und 520 Newtonmetern Drehmoment ist der M5 zugleich das stärkste Serienmodell in der BMW Modellfamilie. 20 Jahre nachdem der erste M5 das Segment leistungsstarker Sport-Limousinen begründete, setzt der neue Motor erneut die Benchmark in dieser Klasse.

Aber Leistung ist nicht alles. Vielmehr kommt es bei einem M Automobil vor allem 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.

Hochdrehzahlkonzept als Königsweg.

Für die Ingenieure von BMW M ist der Weg des kompakten, hochdrehenden Saugmotors der Königsweg. Mit 8 250 min–1 stößt der Zehnzylinder dabei in eine Drehzahlregion vor, die bis vor kurzem reinrassigen Rennwagen vorbehalten war. Gegenüber dem bisherigen M5 Achtzylinder beträgt die Leistungssteigerung mehr als 25 Prozent. Der M5 überschreitet damit sogar die magische 100-PS-je-Liter-Grenze. Seine spezifische Leistung liegt also eindeutig auf Rennsport-Niveau.

Meisterwerk des Motorenbaus.

BMW ist als einer der führenden Motorenbauer vor allem durch seine Reihenmotoren berühmt geworden. Die beiden Fünfzylinderreihen des V10 sind für einen schwingungs- und komfortoptimierten Massenausgleich des Kurbeltriebs im Winkel von 90 Grad angeordnet. Aus Steifigkeitsgründen, d. h. wegen der hohen Belastungen aus Verbrennungsdruck, Drehzahl und Schwingungen, wurde für das Kurbelgehäuse eine Bedplate-Konstruktion gewählt. Für eine optimale Lagerung der Kurbelwelle sind Grauguss-Inlays in das Bedplate aus Aluminium eingegossen. Diese sind auch dem Akustik- und Schwingungskomfort und dem hohen Öldurchsatz zuträglich. Die extrem steife Kurbelwelle ist 6-fach gelagert. BMW setzt beim neuen M5 Motor erstmals eine Bedplate-Konstruktion in einem serienmäßigen V-Motor ein.

Beim Leichtbau wird aufs Gramm geachtet.

Die einteiligen Aluminium-Zylinderköpfe des V10-Motors sind bankspezifisch aufgebaut und verfügen über die für BMW Motoren typischen vier Ventile je Zylinder. Der Ventiltrieb ist in allen Bauteilen auf geringe Masse ausgelegt. So kommen erstmals bei M Motoren gewichts- und strömungsoptimierte Ventile mit 5 mm-Schaft, ballige Tassenstößel mit Hydraulischem Ventilspielausgleich (HVA) und Einfach-Ventilfedern zum Einsatz. Die erreichte Massenreduzierung ist Voraussetzung für das Hochdrehzahlkonzept.

Hochdruck-Doppel-VANOS für optimalen Gaswechsel.

Die variable Nockenwellensteuerung Doppel-VANOS sorgt 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. Denn durch die Doppel-VANOS-Technik können Einlass- und Auslassventile in jeder Fahrsituation zum jeweils optimalen Zeitpunkt öffnen oder schließen.

Einzeldrosselklappen lassen den Motor tief Luft holen.

„Luft zum Atmen“ holt sich der Saugmotor durch zehn strömungsoptimierte Ansaugtrichter aus zwei Luftsammlern. Rennsport-typisch verfügt jeder Zylinder über eine eigene Drosselklappe. Alle Klappen werden simultan betätigt. 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.

Zweiflutige Abgasanlage aus Edelstahl.

Die Abgasanlage des neuen M5 Motors aus nahtlos gefertigtem Edelstahl wird zweiflutig bis in die Schalldämpfer geführt, bevor das Abgas das System schließlich durch die für M Fahrzeuge charakteristischen vier Endrohre verlässt. Die Abgase erfüllen die europäische EU4-Norm beziehungsweise die US-amerikanische LEV 2.

Weltweit einmaliges Motorsteuergerät.

Zentral verantwortlich für die hervorragenden Leistungs- und Abgasdaten des V10 ist die Motorsteuerung MS S65. Keine andere Motorsteuerung weist mit mehr als 1000 Einzelbauteilen eine solche Packagedichte auf. Ihre Prozessoren sind die leistungsstärksten, die derzeit für die Anwendung im Automobil freigegeben sind, denn die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Motorsteuerung liegen wegen der hohen Drehzahlen sowie der Summe an Steuerungs- und Regelungsaufgaben besonders hoch. 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.

Highlight in der Motorsteuerung: Ionenstromtechnologie.

Ein Highlight des Motorsteuergeräts ist die Ionenstromtechnologie zur Erkennung von Motorklopfen, Zünd- und Verbrennungsaussetzern. Sie ermöglicht es, über die Zündkerze in jedem Zylinder eventuelles Klopfen zu sensieren, die korrekte Zündung zu kontrollieren beziehungsweise eventuelle Aussetzer zu erkennen. Die Zündkerze wirkt somit gleichzeitig als Aktuator – für die Zündung – und als Sensor zur Beobachtung des Verbrennungsprozesses. Die Ionenstrommessung erfolgt direkt in der Verbrennung. Der so genannte Ionenstromsatellit empfängt die Signale von den fünf Zündkerzen einer jeden Zylinderbank. Er verstärkt diese lastabhängig und übermittelt sie an die Motorsteuerung, welche diese dann analysiert und beispielsweise über die Klopfregelung den Zündzeitpunkt zylinderselektiv ideal an den Verbrennungsvorgang anpasst. Der Fahrer des neuen M5 profitiert davon in Form eines verbesserten Kraftstoffverbrauchs sowie einer höheren Drehmoment- und Leistungsausbeute.

Siebengang-SMG-Getriebe bringt die M Power auf die Straße.

Das Konzept eines Hochdrehzahl-Motors geht dann auf, wenn der Motor mit einem entsprechend übersetzten Getriebe kombiniert wird. Nur so kann das vom Motor zur Verfügung gestellte Drehmoment mittels kurzer Gesamtübersetzung in optimale Schubkraft umgesetzt werden.

Mit dem Siebengang-SMG-Getriebe steht genau das Schaltgetriebe zur Verfügung, das die Power des V10-Motors ideal über den Antriebsstrang zu den Rädern transportiert. BMW M bietet mit diesem Getriebe als weltweit erster Hersteller ein sequenziell zu schaltendes Getriebe mit sieben Gangstufen und Drivelogic-Funktion. Noch ausgeprägter als das bisherige Sechsgang-Getriebe erlaubt das Siebengang-SMG sowohl manuelle Gangwahl mit extrem kurzen Schaltzeiten als auch komfortables Cruisen dank automatisierter Gangwahl. Ebenso sind geringere Drehzahl- und Momentensprünge die Folge der zusätzlichen Gangstufe.

Neues SMG bringt 20-prozentigen Gewinn an Schnelligkeit.

Das Siebengang-SMG-Getriebe wird entweder über den Mittelschalthebel oder über so genannte Paddles am Lenkrad geschaltet. Gegenüber dem bisherigen SMG-Getriebe erledigt die neue SMG Generation den Schaltvorgang aber um 20 Prozent schneller. In kürzerer Zeit ließ sich ein Getriebe dieser Bauart noch nie schalten. Der Vorteil für den M5 Fahrer: Der Gangwechsel erfolgt nahezu „fließend“ und erheblich schneller, als dies selbst geübte Fahrer bewerkstelligen könnten. Damit sind die beim Schalten unvermeidlichen Kraftflussunterbrechungen kaum noch wahrnehmbar. Der M5 beschleunigt fast ruckfrei aus dem Stand bis zur Höchstgeschwindigkeit.

Drivelogic: Der Fahrer bestimmt die Schaltcharakteristik des SMG.

Durch die Drivelogic-Funktion des SMG stehen dem Fahrer insgesamt elf Schaltoptionen zur Verfügung, mit denen er die Schaltcharakteristik des SMG seiner gewünschten Fahrweise individuell anpassen kann.

Sechs dieser Fahrprogramme lassen sich innerhalb der sequenziellen Handschaltfunktion (S-Modus) vorwählen. Sie reichen von ausgeglichen dynamisch bis sehr sportlich. Im S-Modus schaltet der Fahrer stets von Hand. In der Funktion Launch Control schaltet das SMG Drivelogic jedoch selbst optimal knapp vor Erreichen der jeweiligen Höchstdrehzahl und mit optimal geregeltem Schlupf, bis der M5 seine Höchstgeschwindigkeit erreicht.

Im automatisierten Schaltmodus D (Drive)-Modus schaltet das Getriebe die sieben Gänge grundsätzlich selbsttätig. Dies erfolgt abhängig vom jeweils gewählten Fahrprogramm, der jeweiligen Fahrsituation, der Geschwindigkeit und der Gaspedalstellung.

SMG erhöht auch die Sicherheit und den Komfort.

Das Siebengang-SMG-Getriebe unterstützt den Fahrer nicht nur beim Erreichen motorsportlicher Höchstleistungen. Es bietet auch viele Sicherheitsfeatures. So öffnet es in kritischen Fahrsituationen – etwa beim Zurückschalten auf glatter Fahrbahn – blitzschnell die Kupplung, damit der M5 bei einem zu hohen Motorschleppmoment an den Antriebsrädern nicht ausbricht. Andere Spezialfunktionen sind der Steigungsassistent, der für kurze Zeit ein rückrollfreies Anfahren an Steigungen ermöglicht, sowie die Bergerkennung, die an Steigungen und Gefällen die Schaltpunkte verschiebt. Bergauf werden dadurch Pendelschaltungen vermieden. Bergab hält die Bergerkennung die niederen Gänge länger, um die Bremswirkung des Motors besser zu nutzen.

Produktion von Hochleistungsmotoren – Motorenbau vom Feinsten.

Im Hochleistungstriebwerk des neuen BMW M5 spiegelt sich die gesamte Produktionskompetenz der BMW Spezialisten im Motorenbau wider. Das stärkste Pkw-Serientriebwerk der Unternehmensgeschichte entsteht zusammen mit anderen BMW Sondermotoren auf einer hochflexiblen Fertigungslinie im BMW Werk München.

Die breite Produktpalette erfordert einerseits sehr agile Prozesse, andererseits ein Höchstmaß an Flexibilität bei den qualifizierten Mitarbeitern, gekoppelt mit fundierten Produktkenntnissen und handwerklichem Geschick.

Sowohl in der mechanischen Fertigung als auch in der Montage des Hochdrehzahl-Aggregats gelten strengste Qualitätsmaßstäbe. Wegen der außergewöhnlichen Belastung von Materialen und Teilen des Hochdrehzahl-Aggregats sind die Anforderungen an die Oberflächengüte und die Fertigungstoleranzen enorm. Einige Bauteile werden deshalb mit einer Genauigkeit von bis zu 1∕1000 Millimeter bearbeitet.

Die Codierung der Kernbauteile ermöglicht es, den Werdegang jedes dieser Komponenten vom Wareneingang über die mechanische Fertigung bis hin zum Einbau zu verfolgen. Durch einen – jedem einzelnen Motor zugeordneten – Datenträger wird per Datenübertragung an die Montagestationen sichergestellt, dass stets die richtigen Teile und Werkzeuge zum Einsatz kommen.

Hermann · 24. Juni 2004

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.

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.

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.

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 6100 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.

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.

Hermann · 24. Juni 2004

Das neue sequenzielle M Getriebe: Noch schneller und mit sieben Gängen.

Das Konzept eines Hochdrehzahl-Motors geht dann auf, wenn der Motor mit einem entsprechend übersetzen Getriebe kombiniert wird. Nur so kann das vom Motor zur Verfügung gestellte Drehmoment mittels kurzer Gesamtübersetzung in optimale Schubkraft umgesetzt werden.

Mit dem sequenziellen M Getriebe (SMG) mit sieben Gängen steht genau das Schaltgetriebe zur Verfügung, das die Power des V10-Motors ideal über den Antriebsstrang zu den Rädern transportiert. BMW M bietet mit diesem Getriebe als weltweit erster Hersteller ein sequenziell zu schaltendes Getriebe mit sieben Gangstufen und Drivelogic-Funktion. Dennoch handelt es sich beim neuen Siebengang-SMG nicht um ein erweitertes Sechsgang-Getriebe, sondern um ein von Grund auf neu entwickeltes Getriebe, das exklusiv im neuen M5 eingesetzt wird. Noch ausgeprägter als das Sechsgang-Getriebe erlaubt das Siebengang-SMG sowohl manuelle Gangwahl mit extrem kurzen Schaltzeiten als auch komfortables Cruisen dank automatisierter Gangwahl.

Technisch ausgelegt ist das neue Getriebe für ein Drehmoment von bis zu 550 Newtonmeter und für Drehzahlen bis 8 500 min–1. Damit verfügt es über genügend Reserven für eine stets zuverlässige Funktion während der gesamten Lebensdauer des neuen M5, die durch eine eigene Ölkühlung für das Hochleistungsgetriebe zusätzlich unterstützt wird.

Noch geringere Drehzahlsprünge als beim Sechsgang-Getriebe.

Sieben Gangstufen ermöglichen geringere Drehzahl- und Momentensprünge beim Gangwechsel als bei einem Sechsgang-Getriebe. Da die Schubkraft von möglichst hohen Motordrehzahlen abhängt, führen diese geringeren Sprünge zu einer fulminanteren Beschleunigung des neuen M5.

Das SMG-Getriebe steht für pures Schaltvergnügen.

Natürlich gelten auch für das neue Siebengang-SMG-Getriebe alle Vorteile des sequenziellen Getriebekonzepts: Geschaltet werden kann entweder über den Mittelschalthebel oder über so genannte Paddles am Lenkrad. Der Fahrer braucht kein Kupplungspedal zu drücken. Er kann beim Schalten sogar auf dem Gaspedal bleiben. Anders als bei einem Automatikgetriebe arbeitet im SMG-Getriebe aber kein Energie verzehrender und die Fahrleistung mindernder Drehmomentwandler.

Grundsätzlich werden alle Gänge des SMG-Getriebes elektro-hydraulisch geschaltet. Seine Bedienelemente arbeiten „by wire“, also wie in der Luft- und Raumfahrt blitzschnell und sicher ohne mechanische Verbindungen. Im Unterschied zum bisherigen Sechsgang-SMG sind beim neuen M5 die SMG-Hydraulikeinheit und die Schaltaktuatorik im Getriebegehäuse integriert. Soll ein Schaltvorgang ausgelöst werden, wählt das Steuergerät innerhalb von Tausendstelsekunden entsprechende Magnetventile an, die die Hydraulik des Gesamtsystems steuern. Nun kann das unter dem hohen Systemdruck von bis zu 90 bar stehende Hydrauliköl über ein Magnetventil blitzschnell in den Kupplungsgeberzylinder strömen und die Kupplung öffnen. Im nächsten Schritt werden über Magnetventile in der Hydraulikeinheit vier Hydraulikzylinder im Schaltaktuator angesteuert. Diese führen über vier separate Schaltstangen den eigentlichen Schaltvorgang aus. Bei Rückschaltungen gibt der Motor selbsttätig Zwischengas.

Neues SMG bringt 20-prozentigen Gewinn an Schnelligkeit.

War das bisherige SMG-Getriebe der zweiten Generation bereits ein Schnelligkeitswunder, so verkürzt die neue, dritte SMG-Generation den Schaltvorgang noch einmal um 20 Prozent: Schneller ließ sich ein Getriebe dieser Bauart noch nie schalten! Der Vorteil für den M5 Fahrer: Der Gangwechsel erfolgt nahezu „fließend“ und erheblich schneller, als selbst geübte Fahrer dies bewerkstelligen könnten. Damit sind die beim Schalten unvermeidlichen Kraftflussunterbrechungen kaum noch wahrnehmbar. Der M5 beschleunigt fast ruckfrei aus dem Stand bis zur Höchstgeschwindigkeit. Dadurch erhöht sich für den Fahrer merklich der Spaß am Schalten, denn SMG erzeugt ein hautnahes „Formel-1-Erlebnis“.

Doch Schalten mit SMG erhöht auch die Verkehrssicherheit: Da die Gangwechsel stets mit derselben Geschwindigkeit und Präzision ablaufen und damit absolut reproduzierbar sind, muss der Fahrer sich nicht mehr so stark darauf konzentrieren. Dadurch fördert das SMG-Getriebe präzises, sicheres und entspanntes Fahren.

Drivelogic: Der Fahrer bestimmt die Schaltcharakteristik des SMG.

Durch die Drivelogic-Funktion des SMG stehen dem Fahrer insgesamt elf Schaltoptionen zur Verfügung, mit denen er die Schaltcharakteristik des SMG seiner gewünschten Fahrweise individuell anpassen kann. Grundsätzlich unterscheiden sich diese Fahrprogramme durch die vorgewählte Schaltzeit voneinander: je höher das Fahrprogramm, die Drehzahl und die Last, desto kürzer die Schaltzeit.

Sechs der elf Schaltoptionen lassen sich innerhalb der sequenziellen Handschaltfunktion (S-Modus) vorwählen. Sie reichen von ausgeglichen dynamisch bis sehr sportlich. Im S-Modus schaltet der Fahrer stets von Hand, das Getriebe führt den Gangwechsel in keinem Fall selbsttätig aus.

Launch Control: mit voller Leistung zum Höchsttempo.

Im S-Modus steht auch die Funktion einer Launch Control zur Verfügung. Sie ergänzt das puristisch-sportliche Fahrprogramm S6. Die Launch Control ermöglicht es weniger rennerfahrenen Automobilisten, optimal aus dem Stand heraus zu starten, um die maximale Beschleunigung zu nutzen. DSC ist dabei vorher auszuschalten.

Ziel der Launch Control ist es, dem Fahrer die einzelnen Schaltvorgänge abzunehmen, damit er sich stattdessen voll auf das eigentliche Fahren konzentrieren kann. Der Fahrer braucht daher bei stehendem Auto nur den Wählhebel nach vorne zu drücken und so zu halten. Tritt er jetzt das Gaspedal voll durch, wird automatisch die optimale Anfahrdrehzahl des Motors eingeregelt. Lässt der Fahrer nun den Wählhebel los, wird der M5 mit ideal geregeltem Schlupf beschleunigt. Der Fahrer braucht bis zur Höchstgeschwindigkeit nicht zu schalten – das SMG mit Drivelogic schaltet die sieben Gänge selbsttätig knapp vor Erreichen der jeweiligen Höchstdrehzahl.

Wie in allen Fahrprogrammen informiert eine Ganganzeige im Cockpit den Fahrer auch hier über den aktuell eingelegten Gang.

Automatisiertes Getriebe – aber eines für die Rennstrecke!

Fünf der insgesamt elf Schaltoptionen von Drivelogic sind im so genannten D (Drive)-Modus verfügbar. In diesem automatisierten Modus schaltet das Getriebe die sieben Gänge selbsttätig. Dies erfolgt abhängig von dem jeweils gewählten Fahrprogramm, der jeweiligen Fahrsituation, der Geschwindigkeit und der Gaspedalstellung. Im Fahrprogramm D1 wird beispielsweise zum Anfahren der zweite Gang gewählt. Die Kupplung arbeitet dann besonders weich, was auf winterlichen Straßen das Anfahren erleichtert.

Der Fahrer kann den automatisierten Gangwechsel aber auch z. B. durch langsame Gaszurücknahme beeinflussen und dadurch auch im D-Modus den Zeitpunkt des Hochschaltens selbst bestimmen. Umgekehrt bewirkt er mit dem Durchtreten des Gaspedals das schnelle Zurückschalten. Sowohl im S- als auch im D-Modus schaltet das Getriebe bei einem Halt selbsttätig in den ersten Gang zurück. Zur Weiterfahrt genügt ein Druck aufs Gaspedal.

Spezialfunktionen erhöhen die Sicherheit und den Komfort.

Das Siebengang SMG Getriebe im M5 unterstützt den Fahrer aber nicht nur beim Erreichen motorsportlicher Höchstleistungen, es bietet auch eine Vielzahl an Sicherheitsfeatures. So öffnet es in kritischen Fahrsituationen, etwa beim Zurückschalten auf glatter Fahrbahn, blitzschnell die Kupplung, damit das Auto bei einem zu hohen Motorschleppmoment an den Antriebsrädern nicht plötzlich ausbricht.

Eine andere praktische Spezialfunktion von SMG ist der so genannte Steigungsassistent, den bisher nur der M3 zu bieten hatte. Er ermöglicht für eine kurze Zeit rückrollfreies Anfahren an Steigungen. Diese Funktion erfolgt mit einem Bremseneingriff und kann sowohl im sequenziellen als auch im automatisierten Modus eingesetzt werden – bei Vorwärts- wie Rückwärtsfahrt. Dazu muss der Fahrer lediglich bei stehendem Auto die Fußbremse treten. Ist die Fußbremse wieder gelöst, kann der M5 innerhalb von zwei Sekunden losfahren, ohne zuvor unkontrolliert wegzurollen.

Am Berg „denkt“ das Getriebe mit.

Die so genannte Bergerkennung verschiebt an Steigungen und Gefällen die Schaltpunkte. Bergauf werden dadurch Pendelschaltungen vermieden. Bergab werden die niederen Gänge länger gehalten, um die Bremswirkung des Motors besser zu nutzen. Im D-Modus wird zudem die Gangwahl der Fahrbahnsteigung angepasst.

Auch diese Funktionen sind nur möglich, weil das SMG-Steuergerät und die Motorsteuerung im M5 eng miteinander kommunizieren. Dies erfolgt über einen besonders leistungsfähigen CAN-Datenbus, der das Motorsteuergerät MS S65 und das mit zwölf redundanten SMG-Sensoren vernetzte SMG-Steuergerät verbindet. Das SMG-Steuergerät erhält so von MS S65 die relevanten Daten zu Gaspedalstellung, Rad- und Motordrehzahlen, Temperaturen, Lenkwinkel und Key Memory. Ebenso kommunizieren SMG und DSC direkt miteinander.

Hermann · 24. Juni 2004

Die BMW M5 Motorenproduktion: Motorenbau auf höchstem Niveau.

Die Highlights:

hochflexible Fertigungslinie mit breiter Produktpalette im BMW Werk München,
qualifizierte Mitarbeiter und flexible Prozesse,
Qualitätssicherung durch Datentransfer,
höchste Qualitätsmaßstäbe.

Im 507 PS starken Hochleistungstriebwerk des neuen BMW M5 spiegelt sich die gesamte Fertigungskompetenz der BMW Spezialisten wider. Die Herstellung des stärksten Pkw-Serientriebwerks der Unternehmensgeschichte ist ein komplexer Prozess mit höchsten Qualitätsansprüchen.

Kernkomponenten aus dem Produktionsnetzwerk.

Die Zylinderköpfe und Kurbelgehäuse für den neuen V10-Motor kommen aus der Leichtmetallgießerei im BMW Werk Landshut, wo auch die Teile für die BMW Formel-1-Triebwerke produziert werden.

Wegen der enormen Belastung des Hochdrehzahl-Aggregats sind in der mechanischen Bearbeitung im BMW Werk München die Anforderungen an die Oberflächengüte und die Fertigungstoleranzen außergewöhnlich hoch. So werden Bauteile mit einer Genauigkeit von bis zu 1∕1000 Millimeter bearbeitet. Zum Vergleich: Das Haar eines Menschen hat einen Durchmesser von 50∕1000 oder 0,05 Millimeter.

Flexible Montage.

Die Montage erfolgt im so genannten Sondermotorenbau des Münchner Werks in einem hochflexiblen Montageablauf im Zweischichtbetrieb. Dort werden neben dem V10-Motor auch der Sechszylinder-Motor für den M3, der V8-Diesel sowie der Zwölfzylinder für die BMW 7er Reihe produziert.

Diese Vielfalt erfordert von den Spezialisten ein Höchstmaß an Flexibilität sowie sehr fundierte Produktkenntnisse und Fertigkeiten. Deshalb sind alle Mitarbeiter im BMW Motorenbau ausgebildete und erfahrene Fachkräfte.

Wegen der nicht allzu großen Stückzahlen ist eine Vollautomatisierung der Montageumfänge nur in engen Grenzen sinnvoll. Deshalb ergänzen sich hier Handarbeit und automatische Montagevorrichtungen auf perfekte Weise.

Ergonomisch gestaltete Arbeitsplätze, dreh- und schwenkbare Vorrichtungen für den Motor sowie Handlinggeräte für schwere Lasten sind die Basis für bestmögliche Arbeitsbedingungen und Grundlage für die hohe Produktqualität.

Zur Qualitätskontrolle werden bei jedem Motor sowohl der Wasserraum als auch der drucklose Ölraum auf Undichtigkeiten überprüft. Im Anschluss erfolgt ein Heiß-Funktionslauf auf dem Motorprüfstand.

Qualitätssicherung durch Datentransfer.

Die Motoren sind auf speziellen Vorrichtungen bzw. auf fahrerlosen Systemträgern montiert, in die eine Dateneinheit integriert ist. Darin sind die wichtigsten Produktionsdaten hinterlegt. Der Datenträger zeichnet im Laufe der Montage wichtige qualitätsrelevante Daten wie Anzugsmomente oder Ventilspiel auf und legt sie auf einer Datenbank ab. Die Datenträger sorgen aber auch dafür, dass an den automatisierten Verschraubungsanlagen das zum jeweiligen Motortyp passende Programm aktiviert wird. An den Montagestationen mit integrierten Werkzeugen gewährleistet der Datenaustausch, dass die Mitarbeiter stets nur die richtigen Werkzeuge mit den korrekten Anzugsmomenten verwenden.

Kernbauteile wie Zylinderköpfe oder Pleuel sind außerdem mit einem Code versehen, der es ermöglicht, zur Qualitätssicherung den Werdegang des Bauteils vom Wareneingang über die mechanische Fertigung bis hin zum Einbau in den Motor zu verfolgen.

An Arbeitsplätzen mit besonders hoher Komplexität wird auf Monitoren zum Beispiel angezeigt, welche der farbcodierten Kurbelwellenlagerschalen eingelegt werden muss.

Handwerkliches Geschick gefragt.

Besonders bei der Vormontage des Ventiltriebs und des Kurbeltriebs sind Erfahrung, Sorgfalt und handwerkliches Geschick gefragt. Auch die Einstellung der Kinematik der variablen Nockenwellensteuerung VANOS und die Synchronisation der zehn Einzeldrosselklappen verlangen viel Fingerspitzengefühl.

Die zweigeteilte Kurbelgehäuse-Konstruktion erfordert eine spezielle Dichtungstechnologie. Durch eine umlaufende Nut in der Dichtfläche wird vollautomatisch eine Dichtmasse eingespritzt. Sobald die Masse am anderen Ende austritt, wird sie an diesem Punkt mit UV-Licht ausgehärtet. Das Dichtmittel im Inneren härtet dann im Laufe der Montage aus.

Anspruchsvolle Logistik.

Die Teileversorgung stellt hohe Anforderungen an die Logistik, da jeder der vier produzierten Motortypen mit seinen zahlreichen Varianten aus rund 400 verschiedenen Einzelteilen und Baugruppen besteht. Die Mitarbeiter sind ein wichtiger Teil dieses komplexen Prozesses, denn sie müssen je nach Motortyp andere Teile und Werkzeuge verwenden.

Der Sondermotorenbau arbeitet auftragsbezogen, das heißt, erst wenn eine Bestellung aus einem der Fahrzeugwerke vorliegt, startet der kundenspezifische Aufbau. Der Durchlauf eines Motors durch die gesamte Montagelinie beträgt spezifikationsabhängig bis zu 24 Stunden.