Der Antrieb des

BMW 535i Gran Turismo

Mit dem BMW 5er Gran Turismo legt die BMW Group einmal mehr den Grundstein für ein neues Fahrzeugsegment. Sein Debüt erlebt dabei der neue TVDI-Sechszylinder-Ottomotor, bei dem erstmals Turboaufladung, die vollvariable Ventilsteuerung Valvetronic und Direkteinspritzung gemeinsam zum Einsatz kommen. Ideal ergänzt wird der Motor durch das neue Achtgang-Automatikgetriebe. Die Auslegung des Antriebs unterstreicht den Gran-Turismo- Charakter und ermöglicht ein souveränes und komfortables Reisen bei hervorragender Wirtschaftlichkeit.

T ITELTHEMA

ATZ 09I2009 Jahrgang 111610

Techniktrends IAA

1 Einleitung

Im Spätherbst des Jahres 2009 wird der neue BMW 5er Gran Turismo anlaufen, mit dem BMW ein neues Fahrzeugseg-ment begründet. Das Fahrzeug verbindet die charakteristischen Merkmale eines klassischen, stilvollen Gran Turismo mit dem edlen, luxuriösen Ambiente einer repräsentativen Limousine und der viel-seitigen Nutzbarkeit eines modernen Sports Activity Vehicles.

„Freude am Fahren durch effiziente An-triebsdynamik“, der Charakter des 5er Gran Turismo wird eindrucksvoll unter-strichen durch die Kombination eines neu entwickelten Sechszylindermotors mit einem Achtgang-Automatikgetriebe mo-dernster Bauart. Der Motor lebt von der einzigartigen Kombination von Turboauf-ladung in getrennten Abgassträngen Twin-Power Turbo, der vollvariablen Einlassven-tilsteuerung Valvetronic und der Direktein-

spritzung. Diese Ansammlung an wertigen Motormerkmalen TVDI in Verbindung mit dem neuen Achtgang-Automatikgetriebe ergibt für den Kunden ein zügiges und ruckfreies Beschleunigen bei niedrigem Drehzahl- und Geräuschniveau sowie ho-her Effizienz. Der Fahrer erlebt neben dy-namischer Sportlichkeit ein souveränes, entspanntes Fahrerlebnis bei gleichzeitig geringem Kraftstoffverbrauch.

2 Anforderungen und Eigenschaften des Antriebs

Souveränes Fahren mit niedrigem Dreh-zahlniveau erfordert einen Motor mit ho-her Laufkultur und großem Drehmo-ment bei niedrigen Drehzahlen (Low-end torque). Der Reihen-Sechszylindermotor ohne freie Massenkräfte und Momente bietet hierfür ideale Voraussetzungen. Die Turboaufladung mit Direkteinsprit-

Die Autoren

Dipl.-Ing. Norbert Klauer ist Abteilungsleiter

Antriebsfunktionen

Reihen-Ottomotoren

bei der BMW Group

in München.

Dipl.-Ing. Jan Kretschmer ist Abteilungsleiter

Automatikgetriebe

bei der BMW Group

in München.

Dr.-Ing. Harald Unger ist Abteilungsleiter

Konstruktion Reihen-

Ottomotoren bei

der BMW Group in

München.

Tabelle: Technische Daten des Antriebs

Merkmal Wert Einheit

Motortechnik

Direkteinspritzung mit Turboaufladung (Twin-

Power Turbo) und vollvariabler Ventilsteuerung

(Valvetronic)

Bauart / Anzahl der Zylinder /

der VentileReihe / 6 / 4

Hubraum 2979 cm³

Hub / Bohrung 89,6 / 84,0 mm

Verdichtung 10,2:1

Kraftstoff ab ROZ 91

Leistung 225 (306) kW (PS)

– bei Drehzahl 5800 min-1

Drehmoment 400 Nm

– bei Drehzahl 1200 – 5000 min-1

Getriebetechnikacht Gänge, Wandlerautomatikgetriebe

mit Steptronic-Funktion

Getriebeübersetzung I – VIII4,714; 3,143; 2,106; 1,667; 1,285; 1,000;

0,839; 0,667

Kraftstoffverbrauch NEFZ-Zyklus, Euro 5

– städtisch 12,3 l pro 100 km

– außerstädtisch 6,9 l pro 100 km

– insgesamt 8,9 l pro 100 km

CO2-Emissionen im NEFZ-Zyklus 209 g / km

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zung ermöglicht eine sehr füllige Dreh-momentkurve mit hohem Drehmoment bei niedrigsten Drehzahlen. In Kombina-tion mit der Valvetronic – dem vollvari-ablen Ventiltrieb zur drosselfreien Last-steuerung – ergibt sich ein außergewöhn-lich direktes und sehr präzises Ansprech-verhalten des Antriebs, Tabelle.

Zur optimalen Erlebbarkeit des gro-ßen Low-end torque und der herausragen-den Laufkultur bis zu höchsten Drehzah-len wurde ein vollständig neues Automa-tikgetriebe entwickelt. Entspanntes Fah-ren mit niedriger Drehzahl bei gleichzei-tig hohen Fahrleistungen erfordert eine große Spreizung mit optimalen Abstu-fungen, die durch die Einführung von acht Gangstufen realisiert wurde.

3 Motoreigenschaften

Der neue aufgeladene Sechszylinder- Ottomotor mit einem Hubraum von 2979 cm3, Valvetronic und Direkteinsprit-zung unterstützt das Fahrerlebnis des 535i Gran Turismo optimal, indem bei der Aus-legung konsequent das Ziel eines hohen Drehmomentes bei niedrigen Drehzahlen – ohne Abstriche in der Dynamik oder im Ansprechverhalten – verfolgt wurde. Die Kombination aus Benzindirekteinsprit-

zung mit Aufladung hat sich in den letz-ten Jahren zur Realisierung leistungsfähi-ger Ottomotoren im Markt fest etabliert und bildet damit auch die Basis für das neue Motorkonzept. Aus thermodyna-mischen Gesichtspunkten lassen sich nur so große spezifische Leistungen mit ho-hem Verdichtungsverhältnis und damit hohem Wirkungsgrad realisieren.

Bei der geometrischen Integration der Direkteinspritzung konkurrieren zentrale und seitliche Injektorpositionen. BMW fa-vorisiert bei entsprechend großen Brenn-raumdurchmessern die zentrale Position, die insbesondere in Kombination mit der Valvetronic bei der Emissionierung wesent-

liche Vorteile aufweist. Erstmals konnte für diesen Motor ein spulenbetätigter Mehr-lochinjektor für den Einbau in zentraler Brennraumposition qualifiziert werden. Dazu gehören neben gezielten Maßnah-men zur Steigerung der Robustheit – wie beispielsweise gegen Injektorverkokung – auch solche zur Erhöhung der thermody-namischen Stabilität. Entscheidend dabei ist die Optimierung der Ladungsbewegung zur Verbesserung der Gemischaufberei-tung im Brennraum durch den gezielten Einsatz einer Drall- und Tumbleströmung, realisiert durch ein Phasing der Einlass-steuerzeiten und eine Maskierung der Ein-lassventilsitzringe [1].

Die Kombination der Direkteinsprit-zung in zentraler Lage mit der Valvetronic bedeutet eine sehr große Herausforderung für die Packagekonzeption im Zylinder-kopf. Es gilt in konsequenter Detailarbeit alle Bauteile so anzuordnen, dass dabei die Anforderungen der Kinematik, der mecha-nischen Festigkeit, der Kühlung und des Brennverfahrens erfüllt werden. Das über-arbeitete Valvetronic-System verfügt auf-grund eines neu entwickelten, deutlich kleineren Stellmotors neben einer höheren Dynamik über die Möglichkeit, den Stell-motor vollständig in den Zylinderkopf zu integrieren. Das Ergebnis ist in Bild 1 zu sehen. Hervorzuheben ist weiterhin, dass für den Winkelsensor kein separates Bau-teil mehr notwendig ist, sondern dieser mit dem Stellmotor in einem Gehäuse zu-sammengefasst werden kann [2].

Zur Erreichung einer hohen saugmo-torischen als auch aufgeladenen Volllast bei gleichzeitig hohen spezifischen Leis-tungswerten mit einem direkten An-sprechverhalten ist eine Banktrennung beim Sechszylindermotor unumgänglich.

Bild 1: Vollvariable Ventilsteuerung Valvetronic mit integriertem Stellmotor

Bild 2: Krümmer mit TwinPower-Turbolader

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Unter Abwägung aller Aspekte wie Low-end-torque, Ansprechverhalten, Maximal-leistung, Emissionen und Kosten fiel die Entscheidung zugunsten eines Monotur-bo-TwinPower-Konzeptes. Dieses Auflade-verfahren entspricht dem Twin-Scroll-Prinzip, bei dem das Abgas beider Zylin-derbänke bis unmittelbar vor das Turbi-nenrad getrennt geführt wird, dann aber

im Gegensatz zum Twin-Turbo ein ge-meinsames Turbinenrad angetrieben wird. Auf dieser Basis wurde ein neuer Krümmer mit komplett neuer Laderein-heit entwickelt, Bild 2. Hiermit kann ein Low-end torque von 400 Nm bereits bei ei-ner Motordrehzahl von 1200/min erreicht werden. Die Maximalleistung von 225 kW ergibt sich bei 5800/min, Bild 3.

Bild 3: Verlauf von Drehmoment und Leistung

Bild 4: Drehmomentaufbau bei der Drehzahl 1500/min (LW = Ladungswechsel, OT = oberer Totpunkt, UT = unterer Totpunkt)

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In Bild 4 wird deutlich, dass das aus der Vergangenheit bekannte „Turboloch“ vollständig vermieden werden kann. Das sehr direkte Ansprechverhalten wird durch mehrere Maßnahmen erreicht. Aufgrund der Valvetronic entfällt die Tot-zeit, die bei Motoren ohne vollvariablen Ventiltrieb gewöhnlich für das Befüllen des Sammlers anfällt. Da die Laststeue-rung über die Valvetronic – also die Ver-stellung der Einlassöffnung – realisiert wird, erfolgt die Anhebung der Zylinder-füllung ohne Zeitverzögerung und kann unmittelbar für eine Erhöhnung des Mo-mentes genutzt werden.

Weiterhin ist es durch die Valvetronic möglich, im Bereich der saugmotori-schen Volllast den Ventilhub der Einlass-ventile so zu reduzieren, dass der Rest-gasanteil minimiert und gleichzeitig der Liefergrad – Maß für die im Zylinder nach Abschluss des Ladungswechsels ver-bleibende Frischladung – maximiert wird. Im aufgeladenen Bereich wird bei niedrigen Drehzahlen über die entspre-chende Einstellung der Nockenwellen-steller das positive Spülgefälle – der Saug-rohrdruck ist höher als der Abgasgegen-druck – dafür genutzt, Restgas aus dem Zylinder zu spülen. Der vergrößerte Ab-gasmassenstrom wiederum erzeugt ein entsprechend hohes Energieangebot für die Abgasturbine, woraus eine hohe An-triebsleistung für den Verdichter resul-tiert [3].

Der Ladedruckaufbau des Motors mit Monoturbo ist aufgrund des Twin-Scroll-Prinzips vergleichbar mit dem Twin-Tur-bo. Durch seine einzigartige Kombination

aus Drehmoment- und Leistungsverlauf sowie eine herausragende Laufruhe in Verbindung mit einem direkten An-

sprechverhalten ermöglicht der neue Sechszylindermotor einen souveränen Be-trieb bei außergewöhnlich niedrigen Drehzahlen.

4 Getriebeeigenschaften

Um das vollständige Potenzial des Mo-tors umsetzen zu können, ist das neu entwickelte Achtgang-Automatikgetrie-be eine ideale Ergänzung. Durch eine weitere Erhöhung der Spreizung von 6,04 auf 7,07 wurde eine deutliche Ab-senkung der Motordrehzahlen erreicht, wobei zusätzlich die Kriterien Anfahrdy-namik und Fahrleistung verbessert wer-den konnten. Aufgrund des niedrigen Drehzahlniveaus wird ein bisher uner-reichter Stand an Souveränität und Akus-tikkomfort erreicht, der den Gran-Turis-mo-Charakter nochmals unterstreicht.

Bild 5: Drehungleichförmigkeit von Achtgang- und Sechsgang-Automatikgetriebe im Vergleich

Bild 6: Stufensprünge bei Achtgang- und Sechsgang-Automatikgetriebe

Bild 7: Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs des Achtgang- gegenüber dem Sechsgang-Automatikgetriebe

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Die Drehzahlabsenkung hat einen gro-ßen Anteil an der Verbrauchsreduzierung des Achtgang-Automatikgetriebes. So ist beispielsweise die Motordrehzahl bei 70 km/h von 1400/min auf 1100/min abge-senkt worden. Mit sinkender Drehzahl steigt in der Konsequenz die Drehschwin-gung im Antriebsstrang um den Faktor 5 an. Dem entgegnet BMW mit einer Weiter-entwicklung des aus dem Vorgängergetrie-be bekannten Turbinen-Torsions-Dämpfers (TTD), der im Drehmomentwandler integ-riert ist. Bild 5 zeigt die deutliche Verbesse-rung gegenüber dem Wandler im Sechs-gang-Automatikgetriebe.

Trotz sehr guter Entkopplungsgüte konnte das Wandler-Trägheitsmoment so-gar um 10 % reduziert werden. Zusam-men mit dem agilen Ansprechverhalten des Motors konnte ein BMW-typisch dyna-misches Anfahrverhalten dargestellt wer-den. Das Fahren mit weitgehend geschlos-sener Wandlerkupplung führt auch zu der gewünschten direkten Motoranbin-dung, wovon Agilität und Präzision profi-tieren.

Durch die in Bild 6 dargestellten klei-nen Gangsprünge wird erreicht, dass die Teillast-Hochschaltungen bei niedrigeren Drehzahlen und die Ausrollschaltungen bei höheren Drehzahlen eingeleitet wer-den können. In Verbindung mit einer Ab-senkung der Wiedereinsetzdrehzahlen des Motors führt dies dazu, dass zur Ver-brauchsreduzierung der Motor länger in der Schubabschaltung bleiben kann.

Ein weiterer Schwerpunkt zur Reduk-tion des Kraftstoffverbrauchs war die Ver-besserung des Getriebewirkungsgrades, welche durch die Schleppmomentre-duzierung der Kupplungen und der Öl-pumpe erreicht wurde. Mit Hilfe dieser Maßnahmen konnte eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs gegenüber dem Sechsgang-Automatikgetriebe um 6,0 % erreicht werden, Bild 7.

Zur Sicherstellung der BMW-typischen Dynamik wird bei Anforderung des Fah-rers der Motor sehr schnell aus den nied-rigen Drehzahlen geführt. Die Rückschal-tung wird bei Dynamikanforderung so-fort bei Fahrpedalzugabe ausgelöst, wo-bei die Schaltung bei noch relativ mode-raten Motormomenten unmerklich ab-läuft. Damit wird das souveräne Fahrver-halten unterstützt.

Der Freiheitsgrad, unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten anzufordern

und über die Wählposition S eine steilere Fahrpedalprogression anzuwählen, ermög-licht entweder ein ausgesprochen kom-fortables oder dynamisch-agiles Fahrver-halten. In Kombination mit den kleineren Gangsprüngen und dem optimierten hyd-raulischen Schaltgerät, bei dem die Steu-ervolumina reduziert wurden, konnte ei-ne deutliche Reduzierung der Reaktions- und Schleifzeiten erreicht werden, Bild 8.

Die durch das Achtgang-Automatikge-triebe ermöglichte Steigerung der Fahr-

leistung und Fahrdynamik, bei gleichzeiti-ger Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs geht ohne Erhöhung des Gewichts einher und ist ein weiterer Beitrag zum BMW Efficient-Dynamics-Programm.

5 Antriebseffizienz

Die beschriebene Antriebsauslegung ist die Voraussetzung für die besondere Wirtschaftlichkeit des neuen Antriebs.

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Bild 9 zeigt die Wirkung der erreichten Betriebspunktverlagerung am Beispiel einer Konstantfahrt. Durch die größere Spreizung des Achtgang-Automatikge-triebes im Gegensatz zum Sechsgang-Au-tomatikgetriebe kann der Betriebspunkt zu niedrigerer Drehzahl und höherer Last mit einem entsprechend geringeren spezifischen Verbrauch verschoben wer-den. In diesem Fall ergibt sich ein Ver-brauchsvorteil von 3 %.

Im Rahmen der Strategie Efficient Dynamics für geringeren Kraftstoffver-brauch und reduzierte CO2-Emissionen sind bei BMW seit dem Jahr 2000 eine Vielzahl von unterschiedlichen Maßnah-men entwickelt worden. Dabei werden die Optimierungspotenziale am gesam-ten Fahrzeug betrachtet – von hocheffizi-enten Motoren über Leichtbaumaßnah-

men bis hin zu innovativem Energiema-nagement. Ein Überblick über die we-sentlichen Maßnahmen des Innovations-paketes für den 535i Gran Turismo fin-det sich in Bild 10.

Eine zentrale Komponente für die Verbrauchsreduzierung ist das beschrie-bene neue TVDI-Brennverfahren, wel-ches sich aus der Kombination des auf-geladenen Motors mit Direkteinsprit-zung und der stufenlosen Einlassventil-hubverstellung durch die Valvetronic er-gibt. Die Entdrosselung des Ladungs-wechsels und die Reduzierung der Reib-arbeit infolge geringerer Teillasteinlass-ventilhübe führen zu einer deutlichen Verbrauchsabsenkung im NEFZ-Testzyk-lus und beim Kunden.

Als weitere wesentliche Maßnahme zur Wirkungsgradsteigerung wurde erst-

malig bei einem Turbomotor eine Kenn-feldregelung der Ölpumpe realisiert, bei der über ein Magnetventil der Öldruck in jedem Betriebspunkt bedarfsgerecht eingestellt werden kann und somit die Antriebsleistung der Ölpumpe reduziert wird. Eine Optimierung der Grundmo-tor- und Getriebereibung zusammen mit den bei BMW bereits bekannten Syste-men intelligentes Wärmemanagement mit elektrischer Wasserpumpe und kenn-feldgeregeltem Thermostat sowie der in-telligenten Generatorregelung ergeben beim Gesamtantrieb in Summe eine ein-zigartige Kombination aus Leistungsfähig-keit und Effizienz.

Zur Verbesserung der fahrdynamischen Eigenschaften und weiterer Verbrauchs-reduzierung wurden konsequent Leich-baumaßnahmen im Motor umgesetzt. Die aus dem Saugmotor bekannten IHU-Leichtbaunockenwellen (innen-hoch-druckumgeformt) und eine variable No-ckenwellensteuerung (Vanos) aus Alumi-nium wurden daher auf den Turbomotor übertragen. Beide Komponenten sind der-zeit weltweit die leichtesten bei vergleich-baren Motorkonzepten [4].

Der Triebwerkverbund bestehend aus Kurbelwelle, Schwungrad und Schwin-gungsdämpfer wurde ebenso optimiert und gewichtsreduziert wie der Stellmo-tor für die Valvetronic. Hier gelang es, durch den Umstieg auf einen bürsten-losen Gleichstrommotor 40 % Gewicht einzusparen – trotz gleichzeitiger Inte-gration der Winkelsensorbaugruppe und damit der Möglichkeit, den separaten Winkelsensor entfallen zu lassen. Insge-samt wurde es mit diesen Maßnahmen möglich, den Grundmotor trotz deutli-cher Funktionsmehrungen und zusätz-licher Bauteile durch die Valvetronic ins-gesamt um 1 kg leichter zu machen.

Die angestrebte höchstmögliche Inte-gration wird ebenfalls beim digitalen Steuergerät des Verbrennungsmotors (DME) deutlich, das bauraumneutral un-terhalb der Sauganlage untergebracht werden konnte und dort von der Ansaug-luft gekühlt wird. In die Zylinderkopf-haube integriert sind der Unterdruck-speicher zur Wastegateansteuerung und die interne Blow-by-Leitung für die Ein-leitung im Zylinderkopf. Außerdem wur-den die Funktionen Ölsaugrohr, Ölhobel und Ölsammler in einem einzigen Bau-teil realisiert.

Bild 8: Schaltzeiten von Achtgang- und Sechsgang-Automatikgetriebe im Vergleich

Bild 9: Verbrauchsvorteil durch Betriebspunktverlagerung

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6 Eigenschaften des Gesamtfahrzeugs

In Summe führen die aufgeführten Maß-nahmen zu einem hervorragenden Kraft-stoffverbrauch von 8,9 l auf 100 km Fahrstrecke im NEFZ-Testzyklus, welcher 209 g CO2 pro km entspricht. Die konse-quente Umsetzung der Antriebsauslegung mit langer Übersetzung und optimalen Schaltpunkten ermöglicht einen sehr wirt-schaftlichen Kundenbetrieb des Fahrzeugs. Die Fahrleistungen des neuen 535i Gran Turismo liegen mit einer Beschleunigung von 6,3 s von 0 auf 100 km/h auf sehr ho-hem Niveau, und das Fahrzeug erfüllt die Abgasvorschriften Euro-5 und Ulev-II.

7 Zusammenfassung

Mit dem 5er Gran Turismo definiert BMW eine neue Fahrzeugklasse. Der An-trieb mit dem neuen TVDI-Sechszylinder-Ottomotor mit TwinPower-Turboaufla-dung, vollvariabler Einlassventilsteuer-ung Valvetronic und Direkteinspritzung sowie neuem Achtgang-Automatikgetrie-be unterstreicht den klassischen Charak-ter eines Gran Turismo (italienisch „groß-artiges Reisen“): souveränes, entspanntes und komfortables Reisen, turbinenartige Laufruhe, gepaart mit hoher Leistungs- und Drehmomentreserve bei außerge-wöhnlicher Wirtschaftlichkeit.

Literaturhinweise[1] Kiefer, W.; Klauer, N.; Krauss, M.; Mährle, W.;

Schünemann, E.: Der neue Reihensechszylinder-

Ottomotor von BMW, Teil 2: Thermodynamik und

funktionale Eigenschaften. In: MTZ 65 (2004),

Nr. 12, S. 1008-1017

[2] Unger, H.; Schwarz, C.; Schneider, J.; Koch, K.-F.:

Die Valvetronic – Erfahrungen aus sieben Jahren

Großserie und Ausblick in die Zukunft. In: MTZ 69

(2008), Nr. 7-8, S. 598-605

[3] Mährle, W.; Krauss, M.; Luttermann, C.; Klauer, N.:

High Precision Injection in Verbindung mit Auf-

ladung am neuen BMW Twin-Turbo-Ottomotor.

In: MTZ 68 (2007), Nr. 4, S. 258-265

[4] Klüting, M.; Landerl, C.: Der neue Reihensechs-

zylinder-Ottomotor von BMW, Teil 1: Konzept und

konstruktiver Aufbau. In: MTZ 65 (2004), Nr. 11,

S. 868-880

Bild 10: Efficient-Dynamics-Maßnahmen

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