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Alt 30.07.2006, 18:32     #2
Hermann   Hermann ist offline
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Innovative Antriebstechnik für mehr Fahrspaß und Effizienz. Die Motoren des neuen MINI Cooper und des neuen MINI Cooper S.

Höhere Leistung, geringerer Verbrauch, mehr Fahrspaß und weniger Emissionen: Die Einführung komplett neu konstruierter Benzinmotoren ist für MINI nicht nur der Schlüssel zu gesteigerter Fahrdynamik, sondern auch ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Umsetzung der Selbstverpflichtung der europäischen Automobilindustrie, bis 2008 die CO2-Emissionen im Flottendurchschnitt auf 140 g/km zu senken. „Mit der neuen Triebwerksfamilie ist es gelungen, anspruchsvolle und technisch aufwändige Motorentechnologie in das Segment der Klein- und Kompaktfahrzeuge zu übertragen“, sagt Erich Sonntag, Projektleiter Antrieb bei der Entwicklung des neuen MINI. „Unser Leitmotiv lautet effiziente Dynamik. Mit anderen Worten: verbesserte Fahrleistungen bei gleichzeitig gesenktem Verbrauch.“

Die ersten Vertreter der neuen Motorenfamilie sind ein Saug- und ein Turbomotor mit jeweils vier Zylindern, die im BMW Group Motorenwerk Hams Hall (Großbritannien) entstehen. Im Vergleich zum Vorgängermodell sind beide Aggregate um 180 Grad gedreht eingebaut, die Auslass-Seite liegt nun vorne. Im Grundmotor gleichen sich Saug- und Turbobenziner in vielen Bereichen. Beiden Triebwerken gemeinsam sind der Zylinderabstand von 84 Millimetern, die Bohrung von 77 Millimetern, der Hub von 85,5 Millimetern und damit der Hubraum von 1598 Kubikzentimetern. Die zweiteilige Bedplate-Konstruktion des Kurbelgehäuses stellt eine aus dem Motorsport stammende Technologie dar. Zylinderblock und Lagergehäuse sind aus einer Aluminiumlegierung gegossen. Die Integration des Kettenkastens in das Gehäuse führt zu einer Gewichtsersparnis, verbessert die Akustik und reduziert den Bauteileaufwand.

Eine Neuheit im Segment des MINI ist die Ausstattung der Motoren mit einer volumenstromgeregelten Ölpumpe. Diese über eine Kette angetriebene Pumpe fördert stets nur die Ölmenge, die vom Motor tatsächlich benötigt wird. Der Leistungsbedarf der Nebenaggregate wird so um rund 160 Watt reduziert, bei 6 000 min–1 werden damit rund 1,25 kW gewonnen und der Kraftstoffverbrauch reduziert sich um etwa ein Prozent. Einen ähnlichen Effekt hat die abschaltbare Wasserpumpe des Kühlmittelkreislaufs. Sie wird erst angetrieben, wenn der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Dadurch wird in der Warmlaufphase Treibstoff gespart, außerdem erreicht der Katalysator schneller die für eine optimale Wirkungsweise nötige Temperatur.

Die Nockenwellen der beiden Motorvarianten sind gebaut. Im Gegensatz zum konventionellen Gussverfahren werden dabei Nockenringe aus hochfestem Edelstahl auf die eigentliche Welle aufgeschrumpft. Anschließend werden die Nocken mit einer Genauigkeit von 1∕1000 mm feingeschliffen. Auch die Exzenterwelle der Phasenverstellung wird in diesem Verfahren gefertigt, was zur weiteren Gewichtsreduzierung beiträgt.

Zum Leichtbaukonzept, das bei der Entwicklung der neuen MINI Motoren zur Anwendung kam, gehört auch die Reduzierung der Reibungsverluste. So sind die Kurbelwellen beider Antriebseinheiten gewichtsoptimiert konstruiert und außerdem mit speziellen Lagerschalen sowie vergleichsweise kleinen Lagerzapfen – Durchmesser: 45 Millimeter – versehen. Generator und Klimakompressor werden jeweils von einem einzigen Poly-V-Riemen angetrieben. Den Antrieb der Wasserpumpe übernimmt dagegen ein Reibrad. Beide Maßnahmen verhelfen den Motoren des neuen MINI zu einer besonders kompakten Bauart. Sie gehören zu den kürzesten Vierzylindern in ihrer Hubraumklasse.

Saugmotor mit vollvariabler Ventilsteuerung.

Bei allen Gemeinsamkeiten im grundsätzlichen Aufbau unterscheiden sich die beiden Motoren des neuen MINI beträchtlich im Bereich des Zylinderkopfes. Der 1,6 Liter-Sauger des MINI Cooper ist mit einer vollvariablen Ventilsteuerung ausgerüstet, die auf Basis der VALVETRONIC Technologie der BMW Group entwickelt wurde. Bei dieser Ventilsteuerung werden Hub und Öffnungsdauer der Einlassventile in Sekundenbruchteilen der jeweiligen Leistungsanforderung angepasst.

Dazu wirkt die Nockenwelle nicht direkt über einen Schlepphebel auf das Ventil, sondern über einen weiteren Zwischenhebel. Dessen Drehpunkt wird über eine elektromotorisch betriebene Exzenterwelle verstellt. Je nach Stellung des Umlenkhebels variiert der Hub der Einlassventile stufenlos zwischen 0,2 und 9,5 Millimeter. Die Umstellung von Minimal- auf Maximalhub geschieht innerhalb von etwa 300 Millisekunden.

Dieser Vorgang erzielt den gleichen Effekt, für den in konventionellen Motoren eine Drosselklappe im Ansaugtrakt bewegt wird. Die variable Ventilsteuerung macht die Drosselklappenregelung überflüssig, die vor allem im Halbgasbetrieb für unerwünschte Luftverwirbelungen im Ansaugtrakt sorgt. Die Drosselklappe ist im neuen Saugmotor des MINI Cooper zwar noch vorhanden, übernimmt aber lediglich Notlauf- und Diagnosefunktionen und befindet sich im Normalbetrieb in strömungsgünstiger, voll geöffneter Stellung. Der vom Bremskraftverstärker benötigte Unterdruck wird von einer Vakuumpumpe erzeugt, die von der Auslassnockenwelle angetrieben wird.

Zusätzlich zur variablen Steuerung des Ventilhubs auf der Einlassseite werden die Steuerzeiten auf Einlass- und Auslassseite drehzahlabhängig gespreizt. Die Verstellung erfolgt ebenfalls stufenlos, der Spreizungsbereich beträgt 70 Grad für die Einlass- und 60 Grad für die Auslassnockenwelle. Auch diese Umstellung geschieht im Bedarfsfall innerhalb von nur 300 Millisekunden. Diese enorme Reaktionsgeschwindigkeit wird mit Hilfe eines leistungsfähigen 32-Bit-Computers realisiert, der mit der Motorsteuerung vernetzt ist.

Variabler Ventilhub und drehzahlabhängige Nockenwellensteuerung bewirken gemeinsam eine Optimierung von Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe. Bereits im niedertourigen Betriebsbereich stellt der Motor des neuen MINI Cooper ein hohes Drehmoment zur Verfügung und im oberen Drehzahlbereich wird spürbar mehr Leistung erzeugt als bei herkömmlichen Motoren. Darüber hinaus sorgen beide Technologien für einen deutlich reduzierten Kraftstoffverbrauch – je nach Streckenprofil um bis zu 20 Prozent. Im EU-Testzyklus liegt die Einsparung bei rund 12,5 Prozent. Ein weiterer Vorteil ist die von der Kraftstoffqualität unabhängige Funktionsweise. Sie ist ein bedeutendes Kriterium für einen weltweit agierenden Hersteller wie MINI. Dazu tragen auch die Einzelzündspulen bei. Von der Motorelektronik gesteuert, versorgen sie die Zündkerze für jeden Zylinder gesondert mit der optimalen Zündspannung. Eine Klopfregelung ermöglicht den Betrieb mit Kraftstoff unterschiedlicher Qualität im Bereich zwischen 91 und 98 Oktan.

Der 1,6-Liter-Saugmotor leistet 88 kW/120 PS bei 6 000 Touren, die Höchstdrehzahl beträgt 6 500 min–1. Bereits bei 2 000 min–1 steht ein Drehmoment von 140 Nm zur Verfügung, das Maximum von 160 Nm wird bei 4 250 min–1 erreicht. Durch das breite nutzbare Drehzahlband kombiniert das kompakte Triebwerk optimalen Fahrspaß mit günstigem Verbrauch.

Turbomotor mit Twin-Scroll-Lader und Benzin-Direkteinspritzung.

Noch eindrucksvollere Leistungsdaten kennzeichnen die Turbo-Version des neuen 1,6 Liter-Vierzylinders, die im MINI Cooper S zum Einsatz kommt. 128 kW/175 PS sind ein Wert, der in dieser Hubraumklasse Maßstäbe setzt. Die Höchstleistung liegt bei 5 500 min–1 an. Das maximale Drehmoment des Motors beträgt 240 Nm und steht im Drehzahlbereich zwischen 1600 und 5 000 min–1 praktisch konstant zur Verfügung. Beim Beschleunigen wird das Drehmoment mittels kurzfristiger Erhöhung des Ladedrucks sogar auf 260 Nm angehoben. Diese als Overboost bezeichnete Funktion verhilft dem MINI Cooper S ganz gezielt zu einem noch dynamischeren Antritt. Sie wirkt sich ausschließlich auf das Drehmoment, nicht aber auf die Motorleistung aus.

Die vier Ventile pro Zylinder werden von zwei oben liegenden Nockenwellen, reibungsoptimierten Rollenschlepphebeln und hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselementen gesteuert. Die Auslassventile sind mit Natrium gefüllt, um den bei einem Turbomotor höheren Kühlbedarf zu decken. Die Einlassnockenwelle verfügt über eine stufenlose Phasenverstellung, mit der die Ventilsteuerzeiten der jeweils aktuellen Leistungsanforderung angepasst werden. So wird ein Optimum an Leistung und Drehmoment bei gleichzeitig niedrigen Verbrauchs- und Emissionswerten erreicht.

Den Kraftstoff erhält der Turbo-Vierzylinder über eine Direkteinspritzung nach dem Common-Rail-Prinzip. Eine für alle Zylinder gemeinsame Edelstahl-Speicherleitung (englisch: common rail) wird von einer Hochdruckpumpe am hinteren Ende der Einlassnockenwelle mit hohem Druck gefüllt. Seitlich im Zylinderkopf positionierte Einspritzventile befördern den Treibstoff aus dem Speicher in Bruchteilen von Sekunden exakt dosiert direkt in den Brennraum. Vier Ventiltaschen und eine mittig angeordnete Brennraummulde auf jedem Kolben sorgen für eine optimale Ladungsschichtung des homogenen Benzin-Luft-Gemischs ( = 1,0). Die Kolben, die in gusseisernen Buchsen laufen und auch durch die für einen Turbomotor vergleichsweise hohe Verdichtung von 10,5 : 1 thermisch stark beansprucht werden, sind spritzölgekühlt.

Für eine Premiere in seinem Fahrzeugsegment sorgt der neue MINI Cooper S mit dem Twin-Scroll-Turbolader. Sein Bauprinzip ermöglicht einen besonders spontanen Leistungsaufbau. Im Abgaskrümmer und im Turbolader sind die Kanäle von jeweils zwei Zylindern voneinander getrennt. Diese Anordnung führt durch die Reduzierung des Abgasgegendrucks bei niedrigen Drehzahlen dazu, dass die Dynamik der pulsierenden Gassäulen im Krümmer besser genutzt wird. Dieser Effekt begünstigt das Ansprechverhalten des Turboladers. Seine Laderschaufeln kommen schon bei niedrigeren Motordrehzahlen optimal in Schwung.

Der Ladedruck, der über ein als Wastegate bezeichnetes Überdruckventil auf 0,8 bar begrenzt wird, baut sich schon bei einer Drehzahl von 1400 min–1 auf. Das für aufgeladene Motoren herkömmlicher Art typische Turbo-Loch ist daher beim Beschleunigen mit einem neuen MINI Cooper S praktisch nicht mehr zu spüren. Sein 1,6 Liter-Turbomotor zeigt ein Ansprechverhalten, das an einen deutlich hubraumstärkeren Saugmotor erinnert. „Das Bestreben, mit kleinen und verbrauchsgünstigen Motoren die Leistungen größerer Triebwerke zu realisieren, wird als Downsizing bezeichnet“, erläutert Antriebsprojektleiter Erich Sonntag. „Mit einer spezifischen Leistung von etwa 110 PS pro Liter Hubraum ist der Turbomotor des neuen MINI ein gutes Beispiel dafür.“

Der Abgasstrom beschleunigt das Turbinenrad auf eine Drehzahl von bis zu 220 000 min–1. Das auf der selben Welle sitzende Verdichterrad komprimiert gleichzeitig die Ansaugluft. Um den Füllungsgrad der Zylinder mit Frischluft zu erhöhen – kalte Luft enthält einen höheren Sauerstoffanteil –, wird die vom Turbolader verdichtete Ansaugluft durch Ladeluftkühler geleitet, bevor sie den Brennraum erreicht. Auch die Kühlung des Turboladers ist technisch aufwändig. Der Twin-Scroll-Lader im neuen MINI wird von einer kombinierten Öl-Wasser-Kühlung im optimalen Temperaturbereich gehalten. Eine elektrische Zusatzpumpe hält den Kühlwasserkreislauf noch einige Zeit nach Abstellen des Motors in Gang, um die Gefahr eines Hitzestaus im thermisch extrem belasteten Turbolader abzuwenden.
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Viele Grüße Hermann

"Nur wer für den Augenblick lebt, lebt für die Zukunft"Heinrich von Kleist
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