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Alt 13.04.2005, 18:26     #3
Albert   Albert ist offline
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2. Der neue V10-Motor im BMW M6: Ein Meisterwerk der Motorentechnik.

Der Zehnzylinder-Motor im BMW M6 verkörpert den wohl faszinierendsten Antrieb für ein Serienautomobil. Dieses vor einem halben Jahr im M5 erstmals präsentierte Triebwerk begeistert seither Kunden und Kritiker auf der ganzen Welt mit seiner fast unerschöpflich scheinenden Kraft. Manche sehen in ihm den „zivilen Abkömmling“ des BMW WilliamsF1-Rennmotors.

Auch die Anleihe am Sound des Formel-1-Rennmotors ist unüberhörbar. Noch etwas tiefer und kräftiger als im M5 macht der Klang des Zehnzylinders aus seiner Lust auf die Rennstrecke keinen Hehl.

Inspiration vom Formel-1-Motor.

Mit dem Formel-1-Triebwerk hat der V10 die Zylinderzahl und das Hochdrehzahlkonzept gemein. Dieses Prinzip generiert enorme Schubkraft aus hohen Drehzahlen und ist charakteristisch für alle Hochleistungs-Saugmotoren der BMW M GmbH. Dem exklusiven Anspruch folgend gestaltet sich der Auftritt des Top-Triebwerks wie ein Paukenschlag: zehn Zylinder, fünf Liter Hubraum, 507 PS (373 kW) 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 das Hochdrehzahl-Saugtriebwerk beim geringsten Druck auf das Gaspedal als typischer Sportmotor. Gleichwohl lässt er sich problemlos im Alltagsverkehr einsetzen: mal luxuriöses Coupé, mal reinrassiger Sportwagen. Der M6 erfüllt beide Anforderungen perfekt und setzt dabei die Benchmark in beiden Fahrzeugklassen.

Neukonstruktion mit dem Besten vom Besten.

Der V10 für M5 und M6 wurde von den Ingenieuren der BMW M GmbH vollständig neu konstruiert. Sie ließen sich einerseits vom BMW WilliamsF1-Motor inspirieren, einem dem stärksten Triebwerke im Starterfeld der Königsklasse des Rennsports. Andererseits setzten sie die M spezifischen Eigenheiten der Serienautomobile wie Doppel-VANOS, Einzeldrosselklappen, die extrem leistungsstarke Motorelektronik sowie eine querkraftgeregelte Ölversorgung ein.

Um optimale Leistung zu realisieren, 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.

Und damit ist Leistung nicht gleich Leistung. 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 Gesamtübersetzung. Das Hochdrehzahlkonzept ermöglicht eine optimale Getriebe- und Hinterachsübersetzung und so die Umsetzung beeindruckender Schubkraft.

Bei solchen physikalischen Grundgesetzen trennt sich die Spreu vom Weizen, selbst unter formal gleich starken Motoren. So leidet ein großvolumiger Motor unter seinem prinzipbedingten Mehrgewicht ebenso wie unter dem größeren Platzbedarf und dem höheren Kraftstoffverbrauch. Aufgeladene Motoren überzeugen selten im Kraftstoffverbrauch und in der Spontaneität, also der blitzschnellen Reaktion des Motors auf Fahrerwünsche.

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. Allerdings: Das Hochdrehzahlkonzept ist technologisch wesentlich anspruchsvoller und dementsprechend schwieriger und aufwendiger umzusetzen. Schließlich stößt der V10-Motor mit einer Höchstdrehzahl von 8 250 min–1 in eine Drehzahlregion vor, die bis vor kurzem reinrassigen Rennwagen vorbehalten war.

Formel-1-Technologie für die Straße.

Damit schiebt der neue V10 die Grenzen des technisch Machbaren im Serienmotorenbau weiter hinaus. 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. Im BMW WilliamsF1 absolvieren die Kolben bei 18 000 min–1 sogar ca. 25 Meter in der Sekunde. Doch während im Motorsport Haltbarkeit eine relative Größe darstellt, muss ein M Motor ein ganzes Autoleben lang halten – bei jedem Klima, in jeder Verkehrssituation und bei jeder Fahrweise.

507 PS für eine andere Welt der Fahrdynamik.


Der hochdrehende Zehnzylinder leistet 507 PS (373 kW) bei 7 750 min–1; trotzdem ist er – gemessen an seiner Leistung – mit nur 240 Kilogramm ein Leichtgewicht. Ein Schwerathlet ist er jedoch, wenn es um die Literleistung geht: Der Zehnzylinder überschreitet die magische Grenze von 100 PS je Liter Hubraum, seine spezifische Leistung liegt damit auf Rennsportniveau.

Nur Drehzahl bringt Leistung und Drehmoment richtig zur Geltung.

Das maximale Drehmoment von 520 Newtonmetern liegt bei 6 100 min–1 an, aber schon bei 3 500 min-1 stellt der Zehnzylinder 450 Newtonmeter Drehmoment zur Verfügung. 80 Prozent des maximalen Drehmoments sind über den weiten Drehzahlbereich von 5 500 min–1 abrufbar.

Damit übertrumpft der BMW M6 mit seinem Hochdrehzahl-Motor souverän seine Wettbewerber, die fast ausschließlich auf das Drehmomentkonzept vertrauen. Das extrem hohe Drehmoment muss dabei über einen massiv verstärkten und damit schweren Antriebsstrang übertragen werden – Gewichte und Massen, die es erst einmal zu beschleunigen gilt. Das Hochdrehzahlkonzept des kompakten V10 ermöglicht hingegen einen erheblich leichteren Antriebsstrang sowie deutlich kürzere Übersetzungen.

Ein anschauliches Beispiel mag dies verdeutlichen: 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 immer derjenige gewinnen, der in der Lage ist, schneller zu treten.

Zehn Zylinder – das Sportkonzept.

Zehn Zylinder sind das Optimum für einen Hochleistungs-Sportmotor. Er ist in Bezug auf die Abmessungen, die Bauteile-Anzahl und die Füllmengen das optimale Konzept. Zudem entspricht jeder Zylinder mit 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 Zehnzylindermotor setzten die Konstrukteure zwei Fünfzylinder-Reihen in einem V-Winkel von 90 Grad mit einem Bankversatz von 17 Millimetern zu einem kompakten Aggregat zusammen. Der 90-Grad-Winkel wurde wegen seines schwingungs- und komfortorientierten Massenausgleichs gewählt, löst er doch 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 – die eisenbeschichteten Kolben laufen direkt in der unbeschichteten Bohrung. Der Hub beträgt 75,2 Millimeter, die Bohrung 92 Millimeter, was einen Gesamthubraum von 4 999 cm3 ergibt. Gegossen werden die M Motorblöcke wie die für die Formel 1 übrigens in der BMW Leichtmetallgießerei Landshut.

Bedplate wie im Rennsport.

Die hohen Drehzahlen, Verbrennungsdrücke und 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 Zehnzylinder 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 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. 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 Millimetern und der dadurch möglichen kurzen Kurbelwelle ergibt sich eine sehr gute Biege- und Torsionssteifigkeit bei sehr geringem Gewicht.

Beim Leichtbau wird auf jedes 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 Millimeter bei einer Verdichtung von 12,0:1. Die Kolben werden durch am Hauptölkanal angeschlossene Ölspritzdüsen gekühlt. Die 140,7 Millimeter langen, gewichtsoptimierten und gecrackten Trapezpleuel sind aus hochfestem Stahl. Sie reduzieren effektiv die oszillierenden Massen. Jede der aus 70MnVS4 geschmiedeten Pleuelstangen wiegt samt ihren 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 über ballige Tassenstößel mit Hydraulischem Ventilspielausgleich (HVA) betätigt werden. Der Stößeldurchmesser beträgt nur 28 Millimeter, die Masse 31 Gramm. Das Einlassventil misst 35, das Auslassventil 30,5 Millimeter im Durchmesser.

Detail-Innovationen senken die Wartungskosten.


Die Einlassventile werden exklusiv für den V10 gefertigt. Sie sind mit nur fünf Millimetern Durchmesser besonders dünnschaftig, so dass sie kaum die Strömung im Einlasstrakt beeinträchtigen. Die stets korrekte Einstellung des Ventilspiels erledigen automatisch die Hydraulischen Ventilspielausgleichselemente. Der Kunde profitiert hiervon durch niedrigere Wartungskosten.

Mit der Motorleistung steigt der Kühlungsbedarf, vor allem in Brennraumnähe. Das Querstromkühlungskonzept des V10 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. 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 sorgt auch im Zehnzylinder 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 weniger Emissionen.

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 gekoppelt. Bei axialer Verschiebung des Verstellkolbens bewirkt die Schrägverzahnung eine relative Verdrehung von Nockenwelle zu Kettenrad. Dies ermöglicht es, den Spreizungswinkel der Einlassnockenwelle um bis zu 66 Grad und denjenigen der Auslassnockenwelle um maximal 37 Grad Kurbelwinkel zu variieren.

Die M Doppel-VANOS erfordert 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 BMW M6 mit seinen extremen Beschleunigungen. So erreicht das Coupé in Kurven durchaus Querbeschleunigungswerte von deutlich 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 BMW M6 sogar bis zu 1,3 g negative Beschleunigung. Bei einer so extremen Verzögerung läuft unter Umständen 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 M6 Motor mit einem so genannten „Quasitrockensumpfsystem“ ausgestattet, das zwei Ölreservoirs aufweist: einen vor dem Vorderachsträger und einen weiteren 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. Die Rücklauföffnungen und der Absaugpunkt der Druckölpumpe sind genau auf die möglichen Beschleunigungen 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 Drehzahlbereich 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 Fahrpedals 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 holt sich der V10 durch zehn strömungsoptimierte Ansaugtrichter aus zwei Luftsammlern. Trichter und Luftsammler bestehen aus einem leichten Verbundwerkstoff mit 30-prozentigem Glasfaseranteil.

Zweiflutige Abgasanlage aus Edelstahl.

So wichtig die Ansaugseite für das glänzende Leistungsergebnis des M6 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 Millimeter auf – auch dies ein Zeichen der außergewöhnlichen Sorgfalt, mit der die Konstrukteure bei BMW M auch das kleinste Detail dieses Meisterwerks des Motorenbaus gestaltet haben.

Auch ein Sportmotor kann vorbildlich sauber sein.

Die Abgasanlage ist konsequent auf einen möglichst geringen Gegendruck ausgelegt, die gasdynamische Auslegung auf ein günstiges Leistungs- und Drehmomentverhalten hin optimiert. Sie wird zweiflutig bis in die Schalldämpfer geführt und endet in den für M Autos charakteristischen vier markanten Endrohren. Im Unterschied zum M5 ist der Sound der Abgasanlage beim M6 etwas kräftiger und noch sportlicher abgestimmt.

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 schnellstmöglich ihre optimale Betriebstemperatur, was vor allem beim Kaltstart sehr wichtig ist. 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 Fahrzeugsteuergeräten, insbesondere dem des SMG. Das Steuergerät ist für einen Serienmotor weltweit einzigartig: Keine andere Motorsteuerung weist mit mehr als 1000 Bauteilen eine auch nur annähernd hohe Packagedichte auf. Hardware, Software und Funktionsweise sind Eigenentwicklungen von BMW M.

Hohe Motordrehzahlen erfordern extreme Leistungsfähigkeit.


Wegen der hohen Drehzahlen des Motors und der Summe an Steuerungs- und Regelungsaufgaben sind die Anforderungen an die Motorsteuerung sehr hoch. Um diesen gerecht zu werden, verfügt die MS S65 über drei 32-Bit-Prozessoren. Sie können über 200 Millionen Einzeloperationen pro Sekunde abarbeiten. Absolut präzise 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 werden die optimale Nockenwellenspreizung sowie die Stellung der Einzeldrosselklappen errechnet und eingestellt.

Über die Power-Taste kann der Fahrer ein sportlicheres Programm mit der vollen Leistungscharakteristik aktivieren. Hierbei wird bezüglich Gaspedalweg zu Drosselklappenöffnung eine progressivere Kennlinie benutzt und die dynamischen Übergangsfunktionen der Motorsteuerung werden auf spontaneres Ansprechen umgeschaltet. Das komfortablere der beiden Programme wird automatisch aufgerufen, sobald der Motor gestartet wird. Die Programm-Umschaltung kann auch im MDrive konfiguriert und abgerufen werden. Im MDrive ist zudem ein weiteres sportliches Programm abzurufen.

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. Zudem übernimmt die Motorsteuerung umfassende On-Board-Diagnoseaufgaben mit Diagnoseroutinen für die Werkstatt, weitere Funktionen sowie 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. Motoren ohne Klopfregelung werden etwas niedriger verdichtet und mit einem etwas späteren Zündzeitpunkt gesteuert, damit keinesfalls ein Zylinder die Klopfgrenze erreicht oder überschreitet. 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 Sensor zur Beobachtung des Verbrennungsprozesses und als Aktuator für die Zündung. Dies macht den Unterschied zu konventionellen Klopf- und Zündungssensoren deutlich: Diese sitzen außerhalb des Verbrennungsraumes. Die Ionenstrommessung erfolgt dagegen 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 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 greift gegebenenfalls zylinderselektiv ein, wenn sie etwa über die Klopfregelung den Zündzeitpunkt ideal an den Verbrennungsvorgang anpasst.

Zugleich erleichtert die doppelte Funktionalität der Zündkerze – einerseits Zündquelle, andererseits Sensor – die Diagnose bei Wartungs- und Servicearbeiten.
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