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Alt 15.12.2004, 07:06     #6
Albert   Albert ist offline
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CE-
2.3 Der Grundmotor: Basis für zwei sehr unterschiedliche Technologievarianten.

Eine solide Basis ist die Grundvoraussetzung für ein erfolgreiches Motorenkonzept. Der Grundmotor ist so ausgelegt, dass er ohne Abstriche den Ansprüchen beider Technologievarianten genügt.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist die Geometrie der neuen Motorenfamilie bei allen Derivaten in vielen Punkten identisch. Dazu gehören unter anderem der Zylinderabstand von 84 mm, die Bohrung von 77 mm sowie die Höhe des Kurbelgehäuses. Die beiden 1,6 Liter-Motoren haben ferner den Hub von 85,5 mm und das Hubvolumen von 1598 cm3 gemein.

Innovatives Kurbelgehäuse mit vorbildlichen Eigenschaften.

Die zweiteilige Bedplate-Konstruktion des Aluminium-Kurbelgehäuses, bestehend aus Zylinderblock und Lagergehäuse, ist eine aufwändige Technologie, die aus dem Motorsport stammt. Sie sorgt zusammen mit Versteifungsrippen für die extrem hohe Steifigkeit, die einen neuen Maßstab in dieser Klasse setzt.

Die Konstruktion ist aber auch verantwortlich für die ausgezeichneten Akustikeigenschaften, die auf dem Niveau eines wesentlich schwereren Grauguss-Gehäuses liegen und den Bestwert unter den Motoren mit Aluminiumgehäuse markieren. Das Aluminium-Lagergehäuse (Bedplate), in dem die Kurbelwelle sitzt, wird am Zylinderblock angesetzt und mit ihm verschraubt. Im Bedplate der Turbo-Variante sind wegen der höheren Belastung Stahl-Sinter-Inserts für die Kurbelwellenlager mit eingegossen. Außerdem schließen die eingegossenen Grauguss-Laufbuchsen oben mit der Zylinderkopf-Dichtungsebene ab (open liner).

Das Kurbelgehäuse ist so konstruiert, dass die offenen Querschnitte die Pumpverluste reduzieren, die durch die Bewegungen des Kurbeltriebs entstehen.

Qualitätsvorteile durch Funktionsintegration.

Der in das Gehäuse integrierte Kettenkasten hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Flächendichtungen erforderlich sind und der komplette Kettentrieb bei der Montage einfach als teilweise vormontiertes Modul eingesetzt werden kann.

Auch die angegossenen Aufnahmen für Nebenaggregate wie Generator und Klimakompressor reduzieren den Bauteilaufwand, das Gewicht sowie die Montagezeit. Gleichzeitig verbessert die Integration die Akustik und erhöht die Steifigkeit der Nebenaggregate-Anbindung.

Reibungsoptimierter Kurbeltrieb reduziert den Verbrauch.

Weil die Kombination aus Vierzylindermotor und Frontantrieb bei entsprechender Auslegung akustisch unproblematisch ist, hat das Projektteam eine Konstruktion ohne Ausgleichswellen gewählt, die die Baugruppe nur unnötig schwer gemacht hätten.

Bei der Entwicklung genoss aus Verbrauchsgründen die Reduzierung der Reibleistung auf ein in dieser Klasse bislang unerreicht niedriges Niveau sehr hohe Priorität. Da die Kurbelwelle einen wesentlichen Anteil an der Reibleistung hat, wurden vergleichsweise kleine Lagerzapfen mit einem Durchmesser von 45 mm gewählt. Um den Ölverbrauch und damit die Verlustleistung zu optimieren, wurden zur Begrenzung des Lagerspiels im Kurbelwellen-Hauptlager die Lagerschalen bei allen Motoren in fünf Klassen aufgeteilt.

Zum Leichtbaukonzept der Motoren gehörte auch die Gewichtsoptimierung der Kurbelwelle. Sie ist so konzipiert, dass die Steifigkeit von hinten nach vorne abnimmt, was auch schwingungstechnische Vorteile mit sich bringt. Die geschmiedete Kurbelwelle des aufgeladenen Motors ist zusätzlich zu den vier Gegengewichten noch mit vier kleineren Ausgleichsgewichten versehen.

Mehr Laufruhe durch gewichtsoptimierte Trapezpleuel.

Bei dem Trapezpleuel ist das obere Pleuelauge in der Seitenansicht trapezförmig ausgebildet. Dadurch verjüngt sich das Pleuelauge nach oben, wodurch an dieser Stelle Gewicht gespart wird. Bei einer mittleren Geschwindigkeit von 18,5 m/s, mit der sich die Pleuel auf und ab bewegen, trägt jedes gesparte Gramm an oszillierenden Massen zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens bei.

Die Trapezpleuel sind gecrackt, das heißt, in der mechanischen Bearbeitung wird das untere Pleuelauge an einer definierten Sollbruchstelle gebrochen.

Die Kolben des aufgeladenen Direkteinspritzers sind mit vier Ventiltaschen und einer mittigen Brennraummulde zur Ladungsschichtung versehen. Zur Reduzierung der thermischen Belastung sind die Kolben außerdem spritzölgekühlt. Die Kolben des Saugmotors sind lediglich mit Ventiltaschen versehen.

Bedarfsgerechte Ölversorgung ohne Verlustleistung.

Mit der volumenstromgeregelten Ölpumpe nehmen die neuen Triebwerke eine Alleinstellung in dieser Klasse ein. Die über eine Kette angetriebene Außenzahnradpumpe liefert in Abhängigkeit vom Öldruck präzise die im jeweiligen Betriebszustand erforderliche Ölmenge. Ein Bypass zum Absteuern des zuviel geförderten Volumenstroms ist nicht erforderlich. Durch diese optimierte Bedarfssteuerung und den Entfall unnötiger Arbeitsleistung verbraucht die volumenstromgeregelte Ölpumpe bis zu 160 Watt weniger Antriebsenergie als konventionelle Pumpen und senkt so im europäischen Fahrzyklus den Kraftstoffverbrauch um rund ein Prozent. Im Kundenbetrieb ist die Einsparung wesentlich höher, denn bei 6 000 min–1 werden 1,25 KW eingespart.

Bei der Wahl des Ölfilters hat sich die Entwicklung für eine umweltverträgliche Lösung entschieden. Deshalb ist der Ölfilter keine als Sondermüll schwierig recyclierbare Blechpatrone, sondern ein einfach zu entsorgender Papierfiltereinsatz, der in einem leicht zugänglichen Aluminiumgehäuse mit Kunststoffdeckel sitzt.

Da die thermische Beanspruchung von Turbomotoren hoch ist, hält ein in das Ölfiltergehäuse integrierter Öl/Wasser-Wärmetauscher die Motoröltemperatur selbst bei Volllast auf einem sicheren Niveau. Außerdem verkürzt der Wärmetauscher durch das schnellere Aufheizen des Kühlmittels die Warmlaufphase und verringert so den Verbrauch und die Emissionen.

Bei der Erstbefüllung werden 4,2 Liter Leichtlauföl eingefüllt, die Wechselmenge beim Ölservice beträgt 3,7 Liter.

Der Zylinderkopf als zentrales Unterscheidungsmerkmal.

Die beiden Technologievarianten unterscheiden sich maßgeblich in der Konzeption des Zylinderkopfes und der Gemischaufbereitung. Deshalb sind hier die Gemeinsamkeiten gering: Zwei Nockenwellen, vier Ventile pro Zylinder mit einem Schaftdurchmesser von 5 mm, jeweils eine Ventilfeder und eine senkrecht angeordnete Zündkerze.

Durch den großen Ventilwinkel konnte bei geringer Bauhöhe der Brennraum optimal gestaltet werden. Mit der Umstellung aller mechanischen Übertragungselemente auf Rollreibung (Rollenschlepphebel) wurde außerdem die Reibleistung deutlich verringert.

Durch die Integration zahlreicher Funktionen und Bauteile wie Ölpeilstab, Vakuumpumpe, Hochdruckpumpe, Thermostatgehäuse und Ansauggeräuschdämpfer konnten darüber hinaus die hohen Anforderungen an das Package erfüllt werden.

Unterschiedliche Gießverfahren für die Motorvarianten.

Bei der Zylinderkopf-Fertigung werden zwei unterschiedliche Gießverfahren angewendet. Während der Zylinderkopf des Direkteinspritzers im Niederdruck-Kokillenguss entsteht, kommt beim Saugmotor das innovative Lost-Foam-Gießverfahren zum Einsatz, das erstmals für einen Sechszylindermotor in der Leichtmetallgießerei im BMW Werk Landshut zur Serienreife entwickelt wurde. Da die Zylinderköpfe von PSA Peugeot Citroën produziert werden, hat die BMW Group PSA Peugeot Citroën bei der Einführung dieses Verfahrens in die Grosserienherstellung mit fertigungstechnischem Know-how unterstützt. Beide Verfahren sind besonders gut geeignet, die aufwändigen Innenkonturen mit den Hohlräumen für die Luftkanäle sowie die Öl- und Kühlwasserkreisläufe optimal abzubilden.

Im Gegensatz zu konventionellen Gießtechnologien ist das Lost-Foam-Gießen ein Positiv-Verfahren, das zusätzlich zur Gewichtsoptimierung beiträgt. Ein identisches Zylinderkopf-Modell aus Polystyrol wird mit einer keramischen Schlichte überzogen, in einem Sandbett eingerüttelt und bis auf einen Angusskanal vollständig von Gusssand umschlossen. In den Gusskanal läuft dann während des automatisierten Gießprozesses das flüssige Aluminium: Es ersetzt dabei vollständig das Polystyrolmodell und nimmt die Form des Zylinderkopfes an. Aufgrund der hohen Präzision des Gießverfahrens lassen sich selbst filigrane Details wie die Ölbohrungen, Rücklaufleitungen und Blow-By-Kanäle integrieren. Dadurch entfallen zahlreiche Fertigungsschritte in der mechanischen Bearbeitung.

Ideales Packagemaß durch Einriementrieb.

Aus Packagegründen war eines der Entwicklungsziele, den Motor so kurz und kompakt wie möglich zu gestalten. Generator und Klimakompressor werden deshalb von nur einem Poly-V-Riemen angetrieben. Gespannt wird der Riemen mit Hilfe eines Einarm-Torsionsfederspanners. Der Verzicht auf eine zweite Riemenebene wurde durch den Antrieb der Kühlmittelpumpe über ein Reibradgetriebe verwirklicht und macht den Motor zu einem der kürzesten Vierzylinder seiner Klasse.

Intelligentes Wärmemanagement mit schaltbarer Wasserpumpe.

Die situationsgerechte Regelung der geförderten Kühlmittelmenge ist eine der zahlreichen Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung. Zwischen dem Wasserpumpenrad und der Riemenscheibe auf der Kurbelwelle befindet sich ein Reibrad, das an einem Tragarm befestigt ist. Über ein elektrisch betätigtes Exzentergetriebe kann die Stellung des Reibrades verändert und die Wasserpumpe für einen schnelleren Warmlauf beim Kaltstart abgeschaltet werden.

Um Antriebsleistung zu sparen und den Warmlauf zu beschleunigen, wird erst dann Kühlmittel umgewälzt, wenn der Motor betriebswarm ist. Bei betriebswarmem Motor hilft der von der Motorelektronik gesteuerte Thermostat, die je nach Betriebspunkt verbrauchsgünstigste Kühlmitteltemperatur einzustellen.

Servicefreundliche Motorenfamilie.

Auch die Servicefreundlichkeit und das Wartungskonzept waren Teil des Lastenhefts. Die Länge der Ölservice-Intervalle wird deshalb je nach Einsatzbedingungen und Fahrweise etwa 30 000 km betragen. Zündkerzen und Luftfilter müssen nach rund 60 000 km gewechselt werden. Der Antrieb der Nockenwellen per Steuerkette ist nicht nur präzise und zuverlässig, sondern auch über die gesamte Motorlebensdauer wartungsfrei. Durch den automatischen hydraulischen Ventilspielausgleich sind auch am Ventiltrieb keine Wartungsarbeiten erforderlich.
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