Beim 3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotor hat BMW 2004 erstmals im Pkw-Segment eine zweistufige Turboaufladung

in Serie angeboten. Auf Basis des seit 2008 erhältlichen neuen 3,0-l-Sechszylindermotors wurde nun die nächste

Generation der geregelten zweistufigen Turboaufladung entwickelt. Die Kerneigenschaften wie hohes Leistungs-

angebot, breites nutzbares Drehzahlband und niedriger spezifischer Verbrauch konnten weiter verbessert werden.

Mit dem neuen Antrieb wird der Kraftstoffverbrauch des BMW 740d gegenüber der leistungsstärksten Diesel-

variante des Vorgängermodells mit Achtzylinder-V-Motor, bei gleichzeitig verbesserten Fahrleistungen und ge-

steigerter Dynamik, um mehr als 20 % reduziert.

DER NEUE ZWEISTUFIG AUFGELADENE SECHSZYLINDER-DIESELMOTOR IM BMW 740D

224

TITELTHEMA AUFLADUNG

ZIELSETZUNG

BMW Antriebe orientieren sich an der BMW Strategie „Efficient Dynamics“. Ziel ist es, für alle BMW Fahrzeuge ein hervor-ragendes Leistungsangebot mit den effi-zientesten Antriebssträngen darzustellen. Auch die BMW Dieselmotorenentwick-lung hat von Beginn an durch innovative Konzepte Beiträge zur effizienten Antriebs-dynamik geleistet. Beispiele für Highlights sind: Ersteinsatz der Dieselelektronik 1987, Einführung des Diesel-Oxi-Kataly-sators 1990, erster V8-Pkw-Dieselmotor 1999, Einführung von DI-Dieselmotoren mit CR-Einspritzsystem 2001, erster Pkw-Dieselmotor mit zweistufiger Aufladung 2004, Einführung des 2000-bar-CR-Sys-tems mit Piezo-Injektoren 2007 und die neue Generation der zweistufigen Aufla-dung mit VTG, der „TwinPower Turbo“, im Jahr 2009.

Die Zielsetzungen für den neuen BMW Sechszylinder-Dieselmotor mit zweistu-figer Aufladung waren neben einer Steige-rung der Motorleistung und Absenkung des Kraftstoffverbrauchs auch eine wei-tere Gewichts- und Emissionsreduktion.

Der neue Motor wird erstmals in der BMW 7er Limousine als 740d angeboten. Durch innovative Technik wird „Effiziente Dynamik“ für den Kunden erlebbar und CO

2-Minimierung bei hohen Fahrleistun-gen erfahrbar, .

KONZEPTION

Der neue zweistufig aufgeladene 3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotor ist der jüngste Vertreter der BMW Dieselmotorenfamilie. Die Markteinführung begann in 2007 mit dem 2,0-l-Vierzylinder-Dieselmotor [1]. Im Herbst 2008 folgte der 3,0-l-Sechszylin-der-Dieselmotor [2, 3], der die Basis für den neuen Motor mit zweistufiger Aufla-dung darstellt.

Wesentliche Konstruktionsmerkmale der neuen Motorenfamilie sind:

Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit gefügten BüchsenSteuertrieb mit Kette auf der SchwungradseiteÖlvakuumpumpe als Einheit in der Ölwanneeinheitlicher Brennraum mit zylinder-achsparalleler Ventilanordnungeinheitliche Aggregateanordnung und Riementriebmotornahe Anordnung der Abgasnachbehandlungssysteme.

Die Vorteile des Dieselmotorbaukastens sind:

hoher Anteil an Gleichteilen bezie-hungsweise konzeptgleichen BauteilenSynergien bei der MotorentwicklungSkaleneffektewirtschaftliche Fertigung und Montage auf einer FertigungslinieSynergien bei der Fahrzeugintegration (Aggregateanordnung und -lagerung, Abgassystem, Kühlsystem, Ansaugluftführung).

Die Leistungsdifferenzierung wird über Zylinderanzahl (vier oder sechs Zylinder in Reihe), verschiedene Einspritzsysteme (Magnetventil, Piezoinjektor, Druckniveau) und das jeweilige Aufladekonzept realisiert (einstufige Aufladung mit einem VTG-Abgasturbolader oder zweistufige Aufla-dung mit zwei Abgasturboladern).

Der neue BMW „TwinPower Turbo“-Motor unterscheidet sich vom 3,0-l-Sechs-zylinder-Basismotor im Wesentlichen durch das Common-Rail-System mit einem maximalen Einspritzdruck von bis zu 2000 bar und das neu entwickelte zweistufige Aufladesystem mit variabler Turbinengeometrie, . Abgasanlage und Kühlsystem wurden an das höhere Leis-tungsniveau angepasst.

MOTORBESCHREIBUNG

Der Grundmotor entspricht dem 3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotor mit einstufiger Turboaufladung [2, 3]. Die Hauptabmessun-gen des Vollaluminiummotors sind in zusammengefasst. Die Auslegung des Grundmotors erfolgte im Hinblick auf hohe spezifische Leistung, geringes Gewicht und minimale Reibleistung. Die Bauteile sind für einen Zünddruck von 180 bar ausge-legt. Merkmale wie eine hochfeste Al-Si-Mg-Legierung beim Zylinderkurbelgehäuse

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DIPL.-ING. PETER LANGEN ist Leiter Antriebsentwicklung der BMW Group in München.

DIPL.-ING. WOLFGANG HALL ist Leiter Dieselmotorenentwicklung

der BMW Group in Steyr (Österreich).

DR. PETER NEFISCHER ist Leiter Konstruktion Dieselmotoren der BMW Group in Steyr (Österreich).

DIPL.-ING. DETLEF HIEMESCH ist Projektleiter in der

Dieselmotorenentwicklung der BMW Group in Steyr (Österreich).

AUTOREN

KENNGRÖSSE EINHEIT 745D MJ 2008 740D MJ 2010

HUBRAUM [cm3] 4423 2993

LEISTUNG [kW] 242 225

DREHMOMENT [Nm] 750 600

GEWICHT (DIN 70020) [kg] 250 194

KRAFTSTOFFVERBRAUCH [l/100 km] 9,0 6,9

FAHRLEISTUNG [s] 6,6 6,3

EMMISSIONSSTUFE [-] EU4 EU5

Eckdaten des neuen 740d und seines Vorgängers

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und Zylinderkopf, eine Stegbohrung im Zylinderkurbelgehäuse und eine steifigkeits-optimierte Kurbelwelle sind notwendige Voraussetzungen zur dauerfesten Ausle-gung eines Hochleistungsmotors bei einem Leistungsgewicht von 0,86 kg/kW. Bei der Kurbelwelle konnte durch Detailoptimie-rung unter Beibehaltung des 20-prozenti-gen Ausgleichs der rotierenden Massen-kräfte das Gewicht gegenüber früheren Anwendungen um 1 kg reduziert werden. Die Anordnung des Kettentriebs auf der Schwungradseite des Motors führt zu einer Verringerung der Drehschwingungspegel im Steuertrieb und bringt notwendige Package-vorteile im vorderen Motorbereich zur Erfül-lung von Fußgängerschutzanforderungen.

AUFLADEKONZEPT

Kernelement des neuen Motors ist das neu entwickelte zweistufige Aufladesys-tem, , bestehend aus:

AbgaskrümmerNiederdruck-Abgasturbolader mit Waste-GateHochdruck-Abgasturbolader mit vari-abler Turbinengeometrie (VTG)AbgasregelklappeVerdichterbypassVerbindungsrohrenHitzeschutzmaßnahmen.

Der prinzipielle Systemaufbau ist in dar-gestellt. Bei der Entwicklung des Auflade-systems mussten gemeinsam mit den an-spruchsvollen Funktionszielen auch die Packageanforderungen wie die Einfahrkon-

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tur für den Motoreinbau und die motornahe Abgasnachbehandlung für eine vielfältige Fahrzeugpalette berücksichtigt werden.

Um die zur Verfügung stehende Abgas-enthalpie mit möglichst hohem Wirkungs-grad in allen Betriebszuständen zur Erhöhung des Ladedrucks zu nutzen, mussten die Strömungsverluste im sehr kompakten Bauraum für die Auflade-gruppe minimiert werden. Mit Hilfe der

numerischen Strömungssimulation CFD wurde speziell für den schwierigen Be-triebszustand beim Zuschalten der Nieder-druckturbine die Strömung optimiert, .

Die berechneten Geschwindigkeitsfelder im Abgaskrümmer und in den beiden Tur-binen wurden auch zur Ermittlung des konvektiven Wärmeübergangs an die abgasführenden Bauteile genutzt. Der Wärmestrom und die Wärmeübergangs-zahlen sind Basis für eine thermomecha-nische Schädigungsrechnung (Thermo Mechanical Fatigue, TMF).

Mittels TMF und FEM wird ein transi-enter Testzyklus nachgebildet. Durch das zeitlich und örtlich unterschiedliche Tem-peraturfeld entstehen unterschiedliche Wärmeausdehnungen, die zu lokalen plastischen Verzerrungszuständen führen können. Diese plastischen Dehnungen sind Grundlage für die Bewertung der thermomechanischen Schädigung. Mit Hilfe von thermomechanischen Schädi-gungsmodellen können die plastischen Dehnungen in Beanspruchungsszyklen umgerechnet werden. zeigt, wie mit Hilfe der TMF-Berechnung lokale plasti-sche Verzerrungen durch Anpassung der Geometrie auf ein zulässiges Maß redu-ziert wurden. Durch entsprechende Bau-teilgestaltung konnte die Beanspruchung

Konzeptmerkmale des neuen „TwinPower Turbo“-Dieselmotors

KENNGRÖSSE EINHEIT

GRUNDABMESSUNGEN

HUBRAUM [cm3] 2993

BOHRUNG [mm] 84

HUB [mm] 90

HUB-BOHRUNGS-VERHÄLTNIS [-] 1,07

EINZELZYLINDERVOLUMEN [cm3] 499

PLEUELLÄNGE [mm] 138

PLEUELSTANGENVERHÄLTNIS [-] 0,326

BLOCKHÖHE [mm] 289

VERDICHTUNGSVERHÄLTNIS [-] 16,5

ZYLINDERABSTAND [mm] 91

HAUPTLAGER

DURCHMESSER [mm] 55

BREITE [mm] 25

KOLBEN

KOMPRESSIONSHÖHE [mm] 47

FEUERSTEGHÖHE [mm] 9,12

VENTILE

DURCHMESSER EINLASS / AUSLASS [mm] 27,2 / 24,6

VENTILHUB EINLASS / AUSLASS [mm] 8,5 / 8,5

SCHAFTDURCHMESSER [mm] 5

Motorkennwerte

TITELTHEMA AUFLADUNG

226

ElringKlinger Motortechnik GmbH | Richard-Klinger-Straße 8 D-65510 Idstein | Fon 061 26 / 22-305 | Fax 061 26 / 22-342 geeifler@elringklingermotec.de | www.elringklingermotec.de

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Für mehr Effizienz und weniger Verbrauch.

soweit reduziert werden, dass beispiels-weise für den Abgaskrümmer ein Werk-stoff mit geringem Nickelanteil (SiCr) verwendet werden kann.

Bei der Gestaltung des Aufladesystems mussten aufgrund des Fertigungsverbunds und der geplanten Stückzahlen auch die Anforderungen einer großserienmäßigen Montage erfüllt werden. Das Montagekon-zept beinhaltet eine Vormontage des kom-pletten Aufladesystems und anschließen-der Montage an den Motor am Serienband. Dazu mussten trotz zweier Abgasturbo-lader samt Verbindungsrohren die Zugäng-lichkeiten zu allen Abgaskrümmerver-schraubungen erhalten bleiben.

EINSPRITZSYSTEM

Für den neuen Motor kommt ein Piezo-Common-Rail-Einspritzsystem mit maxi-mal 2000 bar Einspritzdruck zum Einsatz. Es wird ein Zweistellerkonzept mit Zufluss-regelung in der Hochdruckpumpe und einem Druckregelventil am Rail verwen-det. Als Hochdruckpumpe wird die Zwei-stempelpumpe CP4.2 mit Saugregelung verwendet. Die Übersetzung der Hoch-druckpumpe zur Kurbelwelle beträgt für eine einspritzsynchrone Förderung 1:0,75. Um gegenüber dem Basismotor mit einstu-figer Turboaufladung den maximalen Ein-spritzdruck um 200 bar steigern zu kön-nen, wurde die Druckfestigkeit des Hoch-druckpumpen-Zylinderkopfs erhöht.

Der Piezoinjektor hat eine Siebenloch-Einspritzdüse mit optimierter Düsensitz- und Lochgeometrie sowie eine ange-passte Drosselplatte. Um die notwen-digen Einspritzmengen zu erreichen,

wurde der Düsendurchfluss gegenüber dem einstufig aufgeladenen Basismotor um zehn Prozent gesteigert. In Verbin-dung mit adaptiven Lernfunktionen wird eine hohe Stabilität und Konstanz der Einspritzmengen über die Motorle-bensdauer gewährleistet.

BRENNVERFAHREN

Das Brennverfahren und damit der Brenn-raum wurden bei der Entwicklung der neu- en Dieselmotorenfamilie im Hinblick auf höchste Leistungsdichte bei gleichzeitig niedrigsten Abgasemissionen komplett neu konfiguriert. Der neue zweistufig aufgela-dene 3,0-l-Sechszylindermotor übernimmt dabei konsequent die Auslegung der bereits am Markt befindlichen Vier- und Sechszylinder-Dieselmotoren [1, 2, 3].

Die Einlasskanäle, bestehend aus einem Drall- und einem Füllkanal je Zylinder, sind beide seitlich am Zylinderkopf zwecks Reduktion der Motorbauhöhe angeordnet. Die vier über Rollenschlepphebel betätig-ten Ventile sind parallel zur Zylinderachse um den zentralen Einspritzinjektor plat-ziert, um störende Ventiltaschen im Kol-ben zu vermeiden. Die Kolbenmulde wurde ausgehend vom Baukasten für die EU5-Anforderungen weiterentwickelt. In Kombination mit dem Verdichtungsver-hältnis von 16,5:1 konnten NO

x-Emissi-onen und Kraftstoffverbrauch reduziert und die Leistungsdichte unter Beibehal-tung des zulässigen Spitzendrucks gestei-gert werden. Ein Schnellglühsystem mit Keramikglühkerzen ermöglicht maximale Glühtemperaturen von 1300 °C und durch die hohe zulässige Zyklenzahl auch ein betriebspunktabhängiges Glühen im Teil-lastbetrieb (Reduktion der HC- und CO-Emissionen, verbesserte Akustik).

Das neue Aufladesystem mit variabler Turbinengeometrie

Systemaufbau des neuen Aufladesystems

Geschwindigkeits-feld und Stromlinien im Aufladesystem

TITELTHEMA AUFLADUNG

228

ABGASANLAGE

Das Abgasnachbehandlungssystem des neuen 740d ist wie bei allen aktuellen BMW Dieselmotoren unmittelbar hinter der Turbine des Niederdruck-Abgasturbo-laders angeordnet, . Das System besteht aus dem Oxidationskatalysator (DOC) und dem katalytisch beschichteten Dieselparti-kelfilter (DPF), die beide in einem Gehäuse integriert sind, .

Der Partikelfilter aus Siliziumkarbid zeichnet sich durch hohe thermische Festig-keit aus. Unter den Prämissen der Package-randbedingungen für die verschiedenen Fahrzeuganwendungen und der bestmög-lichen Nutzung des DPF-Rohsubstrats wur-den Länge, Querschnitt und Innenaufbau definiert. Ein quadratischer Querschnitt mit 173 mm x 173 mm stellt für diesen Anwen-dungsfall die optimale Lösung dar. Die Querschnittsfläche von 259 cm2 ergibt für den 76,2 mm langen DOC ein Volumen von zirka 2 dm³ und für den DPF zirka 4 dm³.

Die motornahe Anordnung und geringe thermische Trägheit führen zu einem schnellen Anspringverhalten des Systems. Die katalytische Reaktivität wird durch eine Pt/Pd-Beschichtung von DOC und DPF erreicht. Die Regeneration des Parti-kelfilters erfolgt diskontinuierlich. Die

Messgrößen Druck, Temperatur und Sau-erstoffgehalt zur Regelung der Regenera-tion werden über die im Eingangstrichter angeordneten Sensoren erfasst, .

Zur akustischen und dynamischen Abkopplung der hinteren Abgasanlage ist ein Entkopplungselement direkt nach dem Abgasnachbehandlungssystem angeord-net. Bei der Gestaltung des Rohrverlaufs der Abgasanlage im Unterbodenbereich des Fahrzeugs wurde auf optimale Rohr-führung und größtmögliche Rohrdurch-messer geachtet. Zwischen Abgasturbo-lader und Vorschalldämpfer ist die Anlage einflutig und ab Vorschalldämpfer zur Reduzierung des Abgasgegendrucks zweiflutig ausgeführt. Die gesamte Abgas-anlage wurde im Hinblick auf hohen

Optimierung der thermomechanischen Beanspruchung des Abgaskrümmers

Motornahe Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems

Aufbau des Abgasnach-behandlungssystems

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maximalen Gasdurchsatz und geringsten Strömungswiderstand mittels Strömungs-simulation optimiert.

Die Auslegung der Schalldämpfer wird den hohen akustischen Komfortansprü-chen des 740d gerecht. Der Vorschall-dämpfer konnte mit zirka 3,5 l kompakt gehalten werden, die Nachschalldämpfer mit jeweils 19,5 l Volumen sind als Scha-lenreflexionsdämpfer ausgeführt.

MOTORKÜHLSYSTEM

Das Kühlmodul besteht aus einzelnen Wärmetauschern, die in einem modular aufgebauten Kunststoffrahmen befestigt werden, . Durch diese Bauweise kann für die jeweilige motor- beziehungsweise länderspezische Anforderung der optimale Wärmetauscher verwendet werden, ohne die Schnittstelle zum Fahrzeug zu ändern. Der Kühlungsbaukasten umfasst verschie-dene Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler und Lüfterzargen zur Abdeckung aller Motorisierungen einer Fahrzeugbaureihe. Das Kühlmodul wird im Fahrzeug mit einer hinsichtlich Akustik optimierten Lagerung befestigt. Die Saugzarge mit dem E-Lüfter hat ebenfalls eine verein-heitlichte Schnittstelle im Kühlmodul.

Für eine optimale Klimatisierung ist der Klimakondensator vollflächig als vorders-ter Wärmetauscher angebracht. Dahinter befindet sich im oberen Bereich des Kühl-moduls der Kühlmittelkühler mit integ-rierter Niedertemperaturstrecke für die Getriebeölkühlung. Dieser Bereich wird durch eine geregelte Kühlluftklappensteu-erung abgedeckt, die einen Beitrag zur Kraftstoffverbrauchsreduktion und Akus-tikoptimierung leistet. Im Bereich zwi-schen Kühlmittelkühler und Klimakon-densator ist beim 740d der Ölkühler für die Lenkung angeordnet.

Unterhalb des Kühlmittelkühlers befin-det sich ein speziell für den zweistufig aufgeladenen Motor entwickelter Lade-luftkühler. Der Bereich liegt unter der Kühlluftklappe und hinter der Unterkühl-strecke des Klimakondensators. Dadurch ist, unabhängig von anderen fahrzeug-seitigen Anforderungen, immer eine optimale Ladeluftkühlung möglich. Der Ladeluftkühler hat gegenüber den ande-ren Ladeluftkühlern im Baukasten ein zusätzliches Flachrohr und eine auf die gesteigerte Leistung angepasste Innen-berippung. Um den Druckverlust mög-

Kühlmodul des 740d

Leistungs- und Drehmomentverlauf

Fahrleistungen und Verbrauch im Wettbewerbsumfeld

TITELTHEMA AUFLADUNG

230

lichst gering zu halten, werden aufwän-dig optimierte Luftkästen aus thermisch hochbeständigem Kunststoff verwen- det. Hinter dem Kühlmodul ist die Lüfter-zarge mit einer E-Lüfterleistung von 850 W befestigt.

LEISTUNG UND DREHMOMENTVERLAUF

Der Motor erreicht eine Nennleistung von 225 kW und ein maximales Drehmo-ment von 600 Nm. Mit einer spezifischen Leistung von 75,2 kW/dm³ und einem spezifischen Drehmoment von 200 Nm/dm³ wird bei Leistungs- und Drehmo-mentdichte ein neuer Bestwert für Sechs-zylinder-Dieselmotoren definiert. Maß-geblich für das Fahrerlebnis ist neben hohen Maximalwerten ein breites nutz-bares Drehzahlband mit fülliger Drehmo-mentcharakteristik. Das maximale Dreh-moment von 600 Nm steht in einem Drehzahlband von 1500 bis 2500/min zur Verfügung. Bei einer Drehzahl von 1000/min wird bereits ein Drehmoment von 450 Nm erreicht. Im Bereich von 3500 bis 5000/min stehen mehr als 90 % der Maximalleistung bereit. Die maxi-male Drehzahl beträgt 5600/min. Die Souveränität des Antriebs wird durch diese Charakteristik eindrucksvoll unter-strichen. zeigt den Volllastverlauf im Vergleich zum Sechszylinder-Vorgänger-motor mit zweistufiger Abgasturboaufladung.

VERBRAUCH UND FAHRLEISTUNGEN

Parallel zur Steigerung der absoluten und spezifischen Leistung musste eine signifi-kante Reduktion des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Die thermodynamisch ver-besserte Verbrennung und eine Vielzahl an reibleistungsmindernden Maßnahmen am Grundmotor ermöglichen eine Verbrauchs-reduktion gegenüber dem Sechszylinder-Vorgängermotor von bis zu 10 % im kun-denrelevanten niedrigen Last- und Dreh-zahlbereich. Mit einem spezifischen Verbrauch von 197 g/kWh im Bestpunkt wird ebenfalls ein neuer Spitzenwert erreicht. Ausschlaggebend dafür ist vor allem auch der im zweistufigen Betrieb gesteigerte Aufladewirkungsgrad des neuen Aufladesystems als Resultat der hinzuge-kommenen variablen Turbinengeometrie der Hochdruckstufe.

Neben der Verbrauchsreduktion des Motors kommen die aus anderen BMW Fahrzeugen bekannten Hybridfunktionen – wie zum Beispiel die intelligente Genera-torregelung (iGR) mit Bremsenergierück-gewinnung – zum Einsatz [1, 5].

Der Motor kommt erstmals im BMW 740d zum Einsatz und ersetzt im neuen 7er den im Vorgänger angebotenen V8-Dieselmotor. Gesteigerte Fahrleistung bei gleichzeitig reduziertem Kraftstoffverbrauch sind auch hier die konsequente Umsetzung von „EfficientDynamics“. zeigt Fahrleis-tung und Verbrauch im Wettbewerbsfeld, wobei dort in diesem Leistungssegment

Verbesserung des Ladedrucks gegenüber dem Vorgängermotor

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vorwiegend Achtzylindermotoren mit vier Liter Hubraum und mehr zur Anwendung kommen. Trotz eines einzigartig niedrigen Kraftstoffverbrauchs von 181 g CO2/km (6,9 l/100 km) sind auch die Fahrleistun-gen mit 6,3 s von 0 auf 100 km/h im Spit-zenfeld angesiedelt.

DYNAMIKVERHALTEN

Das BMW „TwinPower Turbo“-Konzept bietet die Möglichkeit, den Zielkonflikt zwi-schen gutem Ansprechverhalten im unteren Drehzahlbereich und hoher Nennleistung im oberen Drehzahlbereich zu lösen. Ein vergleichsweise kleiner Abgasturbolader als Hochdruckstufe garantiert spontanen Lade-druckaufbau, während ein auf guten Wir-kungsgrad bei hohen Massenströmen aus-gelegter Abgasturbolader als Niederdruck-stufe für hohe Nennleistung sorgt.

Um Leistung und Drehmoment im Ver-gleich zum zweistufig aufgeladenen Vorgän-germotor weiter zu steigern, wurde eine neue Generation des Aufladesystems entwi-ckelt. Erstmals kommt bei einem zweistufig

aufgeladenen Pkw-Dieselmotor ein Abgas-turbolader mit variabler Turbinengeometrie zum Einsatz. Dieser wird als Hochdruckla-

der verwendet, und kann gegenüber einem Turbolader mit fester Geometrie einen brei-teren Kennfeldbereich mit sehr guten Wir-kungsgraden abdecken. Das Resultat ist eine Erhöhung der erzielbaren Ladedrücke,

. Gleichzeitig wird durch eine leistungs-orientierte Auslegung der Niederdruckstufe zwar die Gesamtspreizung der Aufladung erhöht, ohne dass sich jedoch im Umschalt-bereich der beiden Abgasturbolader der Wirkungsgrad verschlechtert.

Das Prinzip des Regelkonzepts der zwei-stufigen Aufladung basiert auf dem Vorgän-germotor [2] und wurde um die Variabilität der Hochdruckturbine erweitert. Als Verstell-organe dienen turbinenseitig die variable Einlassgeometrie der Hochdruckstufe (elek-trischer Steller) und die Abgasregelklappe sowie das „Waste Gate“ der Niederdruck-stufe (pneumatische Steller). Verdichtersei-tig ist vor der Hochdruckstufe ein Bypass (pneumatischer Steller) installiert. Füh-rungsgröße zur Regelung des Systems ist der Ladedruck. zeigt die fünf Betriebs-modi, die durch Öffnen, Schließen bezie-hungsweise Regelung der angeführten Stell-organe möglich sind. Abhängig von Dreh-zahl, Last und Ladedruck wird von der Motorelektronik der richtige Betriebsmodus ausgewählt. Durch diese Form der Aufla-dung sind bereits bei niedrigen Lasten und Drehzahlen höhere Ladedrücke und damit erhöhte Ladungsmassen darstellbar. Dies führt wiederum zu einer deutlichen Steige-rung der Dynamik, .

Dynamikverhalten

Betriebsmodi des zweistufigen Aufladesystems mit VTG

TITELTHEMA AUFLADUNG

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EMISSIONSVERHALTEN

Zur Erfüllung der EU5-Emissionsgrenz-werte und als Basis für zukünftige Emis-sionsanforderungen wurde parallel zur Abgasnachbehandlung auch das Rohemis-sionsniveau gegenüber dem Vorgänger-motor verbessert. Voraussetzung dafür ist neben einer guten Gemischaufbereitung ein leistungsfähiges Luftsystem. Eine hohe Ladungsmasse mit reduzierter Temperatur und eine homogenisierte Gemischbildung sind die wesentlichen Stellhebel für einen guten Trade-off von NOx und Partikeln.

Die Hochdruck-Abgasrückführung (AGR) mit einem elektrisch betätigtem AGR-Ventil und einem leistungsfähigen AGR-Kühler mit schaltbarem Bypasskanal ermöglicht die Darstellung einer großen Temperaturspreizung, was vor allem in der Warmlaufphase sehr wichtig ist. Durch die Zuführung eines ungekühlten Abgases nach Kaltstart des Motors werden die HC- und CO-Emissionen gesenkt. Es kommt zu einer schnelleren Erwärmung des Motors und einem früheren Anspringen des Oxi-dationskatalysators, wodurch wiederum durch Öffnen der Bypassklappe des AGR-Kühlers früher mit maximal gekühlter AGR gefahren werden kann, um die Stick-oxidemissionen zu senken.

Zur Vermeidung von Partikelemissionen kommt serienmäßig ein wartungsfreier Par-tikelfilter zum Einsatz. Durch zahlreiche Optimierungsschritte werden die EU5-Grenzwerte auch für ein großes Fahrzeug ohne zusätzliche DeNO

x-Abgasnachbe-handlung alleine mittels innermotorischer Maßnahmen erreicht.

ZUSAMMENFASSUNG

Mit dem neuen zweistufig aufgeladenen Sechszylinder-Dieselmotor werden Fahr-leistungen erreicht, die bislang nur hub-raumstärkeren Acht- oder Zehnzylinder-motoren vorbehalten waren. Das zielge-richtet eingesetzte „Upgrading“ resultiert in einem Sechszylindermotor mit 3,0 l Hubraum mit siginfikanten Verbrauchs- und Gewichtseinsparungen sowie der Möglichkeit einer wirtschaftlichen Umset-zung im Rahmen des Baukastenprinzips.

Der neue Dieselmotor stellt mit seinem innovativen zweistufigen Aufladesystem mit VTG einen weiteren Höhepunkt in der Erfolgsgeschichte der BMW Dieselmotoren dar. Leistungs-, Drehmoment- und Ver-

brauchswerte im 740d sind ein gutes Bei-spiel für die „Efficient Dynamics“-Strategie der BMW Group.

LITERATURHINWEISE[1] Mattes, W.; Nefischer, P.; Praschak, N.; Steinparzer, F.: Neuer zweistufig aufgeladener 4-Zylinder Dieselmotor von BMW. 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2007[2] Hall, W.; Mattes, W.; Nefischer, P.; Steinmayr, T.: Der neue BMW Reihen-6-Zylinder Dieselmotor. 17. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motoren-technik, 2008[3] Dworschak, J.; Neuhauser, W.; Rechberger, E.; Stastny, J.: Der neue BMW 6-Zylinder-Dieselmotor. In: MTZ 70 (2009) Nr. 1

[4] Nefischer, P.; Hall, W.; Honeder, J.; Steinmayr, T.; Langen, P.: Der erste PKW-Dieselmotor mit zweistufiger Aufladung und variabler Turbinen-geometrie. 18. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2009[5] Langen, P.; Nehse, W.: BMW EfficientDynamics – Blick in die Zukunft. 30. Internationales Wiener Mo-torensymposium, 2009

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Entwicklungsprozess und Toolkettefür integrierte Batteriemodule und -packs

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