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Dieselmotoren

Der Vierzylinder-Dieselmotor mit 2,0 l Hubraum ist für BMW in Europa eine der wichtigsten Motorvarianten. Er wird über einen weiten Bereich der Fahrzeugflotte eingesetzt. In der 1er-, 3er- und 5er-Baureihe erfreut er sich ebenso wie im BMW X3 großer Kundennachfrage. Um die starke Position im Wettbewerb weiter auszubauen sowie um bestmögliche Voraussetzungen für zukünftige Anforderungen zu schaffen, wurde nun für dieses wichtige Segment ein vollständig neues Aggregat entwickelt. Neben der Steigerung des Leistungsvermögens konnte unter anderem durch die Umstellung auf ein Vollaluminiumkurbelgehäuse auch das Gewicht deutlich reduziert werden. Das neue Motorkonzept wurde entsprechend der BMW-Philosophie „Effiziente Dynamik“ auf geringstmögliche Reibungsverluste und auf besten thermodynamischen Wirkungsgrad ausgelegt. Erstmals bei einem Pkw-Dieselmotor kommt für die Spitzenvariante der neuen Baureihe ein Piezo-CommonRail-Einspritzsystem mit einem maximalen Einspritzdruck von 2000 bar zum Einsatz.

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Der neue VierzylinderDieselmotor von BMW Teil 1: Konzept, Mechanik und Gemischbildung

1 Zielsetzung Effizienter, leichter, leistungsstärker und kompakter. Auf diesen einfachen Nenner lassen sich die wesentlichen Ziele für das neue Aggregat zusammenfassen. Dementsprechend wurden im Lastenheft folgende Ziele festgehalten: – höchste spezifische Leistung mit bis zu 75 kW/l bei der Topversion durch den Einsatz modernster Einspritz- und Aufladetechnologien – Leichtbauweise mit Aluminiumkurbelgehäuse und forciertem Einsatz von Kunststoffbauteilen – minimale Reibungsverluste durch gezielten Einsatz von reibungsmindernden Beschichtungen und wälzgelagerten, oberhalb des Ölspiegels angeordneten Ausgleichswellen – neues Energiemanagement mit MotorStart-Stop-Funktionalität und „intelligenter“ Generatorregelung – hohe Bauteilintegration, beispielsweise in der Ölwanne angeordnete, kombinierte Öl-/Vakuumpumpeneinheit – hohe Benutzerfreundlichkeit, zum Beispiel durch die Verwendung eines Spontanglühsystems mit Keramikglühkerzen – Ölwechselintervall lastkollektivabhängig mit bis zu 30.000 km Laufstrecke.

2 Konzeption Der neue Vierzylinder-Dieselmotor mit 2,0 l Hubraum wird in drei Leistungsstufen ausgeführt, wobei alle Varianten die gleiche Grundkonzeption aufweisen, Bild 1. Die Brennräume sind in Vierventiltechnik mit zentralen, zylinderkonzentrischen Einspritzinjektoren ausgeführt. Der Ladungswechsel erfolgt quer zum Motor, sodass die Frischluftzufuhr auf der linken und die Abgasführung auf der rechten Motorseite konzentriert sind. Als wesentliche konzeptionelle Änderung zum Vorgängermotor ist der Steuerungstrieb nun an der Motorhinterseite angeordnet. Neben den dadurch erreichten kettentriebsdynamischen Vorteilen erlaubt dies eine Reduktion der Motorbauhöhe in dem für den passiven Fußgängerschutz wichtigen vorderen Motorbereich. Die Anordnung aller Nebenaggregate wurde auf der linken Motorseite konzentriert. Durch dieses Grundlayout steht die gesamte rechte Motorseite für Aufladung und Abgasnachbehandlung zur Verfügung. Der verfügbare Raum reicht aus, um auch bei der Topvariante trotz eines zweistufigen Aufladesystems die komplette Abgas-

nachbehandlungseinheit, bestehend aus Oxidationskatalysator und Partikelfilter, motornah zu platzieren.

3 Mechanik Die Motorbaureihe wurde unter den beschriebenen Randbedingungen so konstruiert, dass möglichst viele Bauteile in allen Leistungsstufen verwendet werden können, ohne dabei aber die Varianten mit geringerer Leistungsdichte mit Gewicht und Kosten zu belasten [1]. Dieses Ziel wurde erreicht, indem die Differenzierung der Leistungsstufen hauptsächlich bei den kostenintensiven Systemen Einspritzung und Aufladung durchgeführt wurde und die Grundmotor- und Anbauteile weitgehend identisch ausgelegt werden konnten. Dadurch ergeben sich hohe Stückzahlen der Einzelbauteile sowie ein überschaubares Variantenhandling im Montageprozess.

Die Autoren

Ing. Fritz Steinparzer leitet die Dieselmotorenentwicklung der BMW Group in Steyr/Österreich.

Dipl.-Ing. Wolfgang Mattes ist Leiter der Fachabteilung Funktionen Dieselmotoren der BMW Group.

Dr. Peter Nefischer ist Leiter der Fachabteilung Konstruktion in der Dieselmotorenentwicklung der BMW Group.

3.1 Grundmotor Der für alle Varianten der neuen Motorfamilie identische Grundmotor zeichnet sich durch kompakte Abmessungen, geringes Gewicht und hohe statische und dynamische Steifigkeit aus. Die geometrischen Hauptabmessungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Das Grundtriebwerk wurde auf einen maximalen Spitzendruck von 180 bar ausgelegt. Wie bereits bei den Sechs- und Achtzylinder-Motorvarianten wurde der Werkstoff des Zylinderkurbelgehäuses auf eine hochfeste Aluminium-Legierung umgestellt, Bild 2. Geometrisch ist das Kurbelgehäuse vom angegossenen Kettenkasten mit integriertem Hochdruckpumpenflansch auf der Schwungradseite und von den inte-

Dipl.-Ing. Thaddäus Steinmayr leitet die Fachabteilung Projektleitung in der Dieselmotorenentwicklung der BMW Group.

Bild 1: Längs- und Querschnitt durch den neuen Vierzylinder-Dieselmotor von BMW Figure 1: Longitudinal and cross section of the new BMW four-cylinder diesel engine MTZ 11I2007 Jahrgang 68

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Tabelle 1: Hauptabmessungen Table 1: Main dimensions

Bild 2: Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium Figure 2: Aluminium crankcase

Bild 3: Stegbohrung im Zylinderkurbelgehäuse und erreichte Absenkung der Bauteiltemperatur Figure 3: Crankcase web hole and reduction in component temperature 934

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grierten Tunneln für die Ausgleichswellen geprägt. Eine gezielte Außenverrippung reduziert den Steifigkeitssprung zur Getriebeglocke und sorgt für sehr hohe Grundeigenfrequenzen des Motorgetriebeverbands. Für die Laufflächen der Zylinder werden thermisch gefügte Graugussbuchsen eingesetzt. Der 4 mm starke Aluminiumsteg zwischen den Zylindern ist bei den beiden höheren Leistungsstufen mit einer 1,5 mm starken Bohrung zur Bauteilkühlung ausgestattet. Die Abmessungen im Stegbereich wurden mithilfe numerischer Simulationsmethoden (FEM) detailliert ausgelegt. Bild 3 zeigt die berechnete Temperaturabsenkung durch die mit Kühlmittel durchströmte Stegbohrung. Die Kurbelwellenlagerung im als „Deep skirt“-Konstruktion realisierten Kurbelgehäuse erfolgt mit gesinterten Lagerdeckeln, die mittels einer mitgesinterten Verzahnung formschlüssig positioniert werden. Der Großteil der Ölkanäle ist im Kurbelgehäuse-Rohteil bereits vorgegossen. Größtmögliche geometrische Flexibilität wird dabei durch das gewählte automatisierte Sandgussverfahren erreicht, dem so genannten „core package system“. In diesen Gießprozess, mit dem prinzipbedingt höchste Festigkeitswerte im wichtigen Lagerstuhlbereich erzielt werden können, ist auch eine gezielte Wärmebehandlung integriert. Zusätzlich zu einer deutlichen Steifigkeitserhöhung konnte das Gewicht des Zylinderkurbelgehäuses gegenüber dem Vorgängermodell aus Grauguss um 16 kg reduziert werden. Beim Zylinderkopf leistet der neu eingeführte Nockenwellenträger einen positiven Beitrag zur Gesamtsteifigkeit des Grundmotors, Bild 4. Eine weitere Aufgabe des Nockenwellenträgers ist die Abdichtung des Injektorraums. Durch die Lagerung der Nockenwelle im Nockenwellenträger wurde eine ebene Dichtkontur zwischen Zylinderkopf und Zylinderkopfhaube ermöglicht. Die Kanäle zur Kühlmittelführung wurden fast zur Gänze in Kurbelgehäuse und Zylinderkopf integriert, wodurch auf externe Schläuche verzichtet werden kann. Auch ein Teil der AGR-Leitung konnte in den Zylinderkopf integriert werden. Durch die Anwendung des so genannten „Rotacast“Gießverfahrens wurde der sekundäre Dentritenarmabstand in der Brennraumfläche weiter verringert, wodurch auch die Werkstofffestigkeitswerte nochmals deutlich gesteigert werden konnten. Wesentlich für die Erreichung der Funktionsziele ist die neue Kanal- und Brennraumgestaltung. Bild 5 zeigt die berechnete Strömung der neuen, seitlichen Einlasska-

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Bild 4: Zylinderkopf, Nockenwellenträger und Nockenwellen Figure 4: Cylinder head, camshaft carrier and camshafts

Bild 5: Einlasskanalströmung mit geschlossener/geöffneter Drallklappe sowie Anordnung der Brennraumkomponenten Figure 5: Intake port flow dynamics with swirl flap closed and open as well an arrangement of combustion chamber components

näle mit geschlossener und offener Drallklappe sowie die nun zum Zylinder achsparallel angeordneten Ventile, die einen ventiltaschenfreien Kolben ermöglichen. Die geschmiedete und gehärtete Kurbelwelle wurde – wie beim Vorgängermotor – mit nur vier Gegengewichten ausgeführt. Über ein auf die Kurbelwelle aufgeschrumpftes Zahnrad werden die beiden ins Kurbelgehäuse integrierten Ausgleichswellen angetrieben. Während die einlassseitige Ausgleichswelle direkt angetrieben

wird, erfolgt der Antrieb der – auf die Kurbelwellenachse bezogen – höher liegenden auslassseitigen Ausgleichswelle über ein bei der Montage einstellbares Zwischenrad. Zur exakten Spieleinstellung wird ein von BMW patentiertes Verfahren mit einer Zahnradbeschichtung aus einer Molybdän-Kohlenstoffverbindung angewandt. Die Ausgleichswellen wurden so ausgelegt, dass die Massenkräfte zweiter Ordnung zu 85 % ausgeglichen werden. Die notwendige Unwuchtmasse ist geometrisch so verteilt, dass ein

möglichst niedriges Massenträgheitsmoment entsteht. Die dadurch relativ niedrigen Verzahnungskräfte wirken sich positiv auf die Akustik des Ausgleichswellenantriebs aus. Die beiden Ausgleichswellen konnten als Gleichteil ausgeführt werden. Der Höhenversatz der Ausgleichswellen wurde mit 46 mm so gewählt, dass sich ein Massenwechselmomentausgleich von 30 % ergibt. Aufgrund der – bezogen auf die Motorlängsachse – mittigen Anordnung, entsteht kein zusätzliches Nickmoment um die Querachse. Um die Antriebsleistung so gering wie möglich zu halten, werden erstmals bei einem Massenausgleich in einem Pkw-Wälzlager (Nadellager) verwendet. Der hinten positionierte Steuertrieb sowie die im Ölsumpf liegende Öl- und Vakuumpumpeneinheit werden über zwei Kettenspuren von der Kurbelwelle angetrieben. Die Kettenräder sind in die geschmiedete Kurbelwelle integriert und werden mechanisch mittels eines Stoßprozesses gefertigt. Um eine möglichst geringe Motorhöhe zu realisieren, ist der Steuertrieb zweiteilig ausgeführt. Die untere Kette verbindet die Kurbelwelle mit der Hochdruckpumpe; die zweite Kette führt von der Hochdruckpumpe zur Einlassnockenwelle. Beide Ketten werden getrennt gespannt und gedämpft. Die Auslassnockenwelle wird über ein Sinterzahnradpaar von der Einlassnockenwelle angetrieben. Bild 6 zeigt die Anordnung des Kurbel-, Ausgleichswellen- und Steuertriebs.

3.2 Anbauteile

Bild 6: Kurbeltrieb, Steuertrieb und Ausgleichswellen mit Nadellagerung Figure 6: Crankshaft drive, timing gear and counterbalance shafts with needle bearing mounting

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Wie beim Grundmotor standen auch bei der Auslegung der Anbauteile die Ziele Kompaktheit, Leichtbau und Funktionsintegration im Vordergrund.

Bild 7: Kunststoffkomponenten Figure 7: Plastic components

Ein Beispiel für die hohe Funktionsintegration stellt die Öl- /Vakuumpumpeneinheit dar. Folgende Inhalte sind in dieser Funktionseinheit zusammengefasst: – Außenzahnrad-Ölpumpe mit Druckregelung – Ölsaugrohr mit Sieb – Ölhobel – Einflügel-Vakuumpumpe – Versteifungsschale. Einen großen Beitrag zur Erreichung der Gewichts- und Kostenziele leistet der Verstärkte Einsatz von Kunststoffbauteilen, Bild 7. Die Zylinderkopfhaube übernimmt neben der Ölabdichtung, der Blow-by-Gasführung und der Ölabscheidung auch noch die Lagerung der Hydraulikkomponenten des Einspritzsystems. Durch den Schaumstoff der Motorgesamtabdeckung in der Zylinderkopfhaube wird der Luftschallweg vollständig unterbrochen. Weitere Bauteile aus Kunststoff sind die Kühlmittelpumpe, die Sauganlage mit integrierten Drallklappen, die Luftführungen und das Ölmessstabführungsrohr, das erstmals nach dem WIT-Verfahren (Wasser-Injektions-Technik) hergestellt wird.

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Bild 8 zeigt die Anordnung der Nebenaggregate sowie des AGR-Moduls am Motor. Die Konzentration auf der linken Motorseite konnte durch die Verwendung eines Aggregateträgers aus Aluminium realisiert werden. Generator, Lenkhilfepumpe und Klimakompressor sind übereinander im Aggregateträger gelagert. Der sechsrippige Doppel-Poly-V-Riemen wird über den Drehschwingungsdämpfer mit entkoppelter Riemenscheibe sowie über die Kühlmittelpumpe geführt. Die Aggregateanordnung ist für alle Fahrzeugbaureihen identisch und weicht nur durch eventuelle Ausstattungsvarianten von der Standardvariante ab. Die Verlagerung der Vakuumpumpe in den Ölsumpf schaffte auch ausreichenden Platz für einen Abgasrückführkühler mit „heiß“ angebautem Abgasrückführventil und integriertem Bypass-Kanal an der Motorvorderseite. Zwischen Aggregateträger und Hochdruckpumpe ist außerderdem das Ölmodul angesiedelt, das neben dem Ölfilter auch den Platz sparend in den Filterfuß integrierten Ölkühler aufnimmt und für einfaches Service von oben gut zugänglich ist. Alle Varianten der neuen Motorfamilie verfügen serienmäßig über einen motornahen, katalytisch beschichteten Dieselpartikelfilter, der für den Kunden wartungsfrei ist. Die in Bild 9 dargestellte Sensorik ermöglicht eine kontinuierliche Beladungserkennung wodurch die Motorsteuerung in der Lage ist, gezielte Regenerationen einzuleiten.

4 Gemischbildung

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Tabelle 2: Differenzierungen innerhalb der Motorbaureihe Table 2: Differentiation in engine family

Bild 8: Aggregateanordnung und Riementrieb Figure 8: Auxiliaries arrangement and belt drive

Tabelle 2 zeigt eine Übersicht der Differenzierung der drei Leistungsstufen durch die gewählte Auflade- und Einspritztechnik.

4.1 Aufladung Für die untere und mittlere Motorleistungsstufe kommt ein Abgasturbolader mit turbinenseitig variablen Leitschaufeln zum Einsatz (als Variable Nozzle Turbine-Technologie, VNT, bezeichnet). Die bereits von den Vorgängermotoren bekannten Aufladeaggregate wurden an die neuen Bauraum-Randbedingungen angepasst und die thermodynamischen Eigenschaften durch neue Leitschaufelgeometrien verbessert. Der Verdichterdurchmesser beträgt für den Lader der unteren Leistungsstufe 49 mm, für die mittlere Version entsprechend dem höheren Luftdurchsatz 51 mm. Für beide Varianten wird ein Turbinenrad mit 43 mm Durchmesser verwendet. Ein eigendiagno938

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Bild 9: Motornaher Dieselpartikelfilter mit Sensorik Figure 9: Close coupled diesel particulate filter with sensor system

sefähiger, elektrischer Steller mit hoher Verstellkraft sorgt bei beiden Ladervarianten für eine präzise und schnelle Ladedruckregelung mit geringer Hysterese. Durch die gewählte Auslegung ermöglicht die VNTTechnik einen guten Kompromiss zwischen hohem Drehmoment und guter Dynamik bei niedrigen Motordrehzahlen und hoher Leistung bei hohen Abgasmassenströmen. Der maximale Ladedruck liegt für beide Varianten bei zirka 2,6 bar. Für die Spitzenvariante der neuen Motorfamilie kommt zum ersten Mal bei einem Vierzylinder-Pkw-Dieselmotor die zweistufige Abgasturboaufladung (Variable Twin Turbo, VTT) zum Einsatz, die 2004 erstmals bei BMW beim Sechszylindermotor im 535d debütierte [2] und seither kontinuierlich weiterentwickelt wird. Die damaligen Zielsetzungen bei der Entwicklung des innovativen Aufladekonzepts gelten auch heute noch in vollem Umfang. So soll eine deutliche Steigerung der Motorleistung mit hervorragendem Ansprechverhalten kombiniert werden, das nutzbare Drehzahlband vor allem zu hohen Drehzahlen ausgeweitet werden und das Aufladekonzept kompatibel zum bestehenden Konzept der Motorfa-

Bild 10: Ansicht Aufladegruppe – Variable Twin Turbo (VTT) Figure 10: View of turbocharging assembly – Variable Twin Turbo (VTT)

milie sein. Im Vergleich zu anderen Aufladekonzepten wie Kombination mit mechanischer Aufladung oder elektrisch unterstützte Systeme bietet die zweistufige Aufladung Vorteile über das gesamte Drehzahlband in Bezug auf darstellbaren Mitteldruck, Verbrauch und Emissionen. Eine vergleichs-

weise kleine Hochdruckstufe garantiert spontanen Ladedruckaufbau, während eine auf guten Wirkungsgrad bei hohen Massenströmen ausgelegte Niederdruckstufe für hohe Nennleistung sorgt. Der maximale Ladedruck zur Darstellung der hohen spezifischen Leistung liegt bei 3,0 bar.

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Das Prinzip des Regelkonzepts der zweistufigen Aufladung wurde vom bekannten Sechszylindermotor übernommen. Als Verstellorgane werden verdichterseitig der Verdichter-Bypass, auf der Turbinenseite die Abgasregelklappe und das Waste-Gate des großen Turboladers pneumatisch über elektrischpneumatische Druckwandler betätigt, Bild 10. Der Ladedruck dient hierbei als Führungsgröße der Regelung. Im unteren Drehzahlbereich strömt die angesaugte Frischluft zunächst über den großen Verdichter in den kleinen Verdichter der Hochdruckstufe, ehe sie über den Ladeluftkühler in den Brennraum gelangt. Auf der Abgasseite wird der Abgasmassenstrom bei niedrigen Motordrehzahlen direkt auf die Turbine des kleinen Laders für spontanen Ladedruckaufbau und dynamisches Ansprechverhalten geleitet, bei hohen Drehzahlen zur Darstellung höchster Leistung direkt auf die große Turbine. Bei niedrigen Drehzahlen bis zum Umschaltpunkt arbeitet der große Lader als Vorverdichter für den kleinen Lader (zweistufige Aufladung). Bei etwa 3000/min wird der kleine Lader synchron sowohl auf der Verdichter-

Bild 11: 2000 bar Einspritzsystem: Injektor und Hochdruckpumpe Figure 11: 2000 bar fuel injection system: Fuel injector and high pressure pump

wie auch auf der Turbinenseite weggeschaltet. Bei höheren Drehzahlen läuft der kleine Lader im Bypassbetrieb mit, während

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der große Lader mit einem Wirkungsgradoptimum bei hohen Volumenströmen einen hohen Ladedruck bei gutem Verbrauch

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bietet. Der Ladedruck im obersten Durchsatzbereich wird über das Waste-Gate der Niederdruckstufe geregelt. Um den Umschaltvorgang drehmomentneutral zu bewerkstelligen, wird die Regelklappe von der Motorsteuerung synchron mit dem Verdichterbypass geschaltet und der entstehende Wirkungsgradsprung über eine entsprechende Vorsteuerung der Einspritzparameter korrigiert. Eine Neuerung auf der Bauteilseite ist der Integralkrümmer in der Hochdruckstufe. Das Turbinengehäuse des kleineren Abgasturboladers wurde in den Abgaskrümmer integriert, wodurch sich zusätzliche Freiheiten bei der thermodynamischen und thermomechanischen Auslegung ergeben. Mit Hilfe der eindimensionalen Ladungswechselsimulation wurde die Größe der Abgasturbolader ausgelegt. Die dreidimensionale Strömungssimulation (computational fluid dynamics – CFD) wurde intensiv zur Optimierung der Strömung des Abgaskrümmers und der Verbindungsrohre eingesetzt. Durch gekoppelte CFD- und FE- (Finite-Elemente) Berechnungen konnte die Bauteilbeanspruchung

speziell im Thermoschockbetrieb untersucht und verbessert werden. Die Ladeluftkühlung bei allen Motorvarianten in Form eines Luft/Luft-Kühlers wurde gegenüber den Vorgängermotoren hinsichtlich Kühlwirkung und Druckverlust weiter verbessert, um beste Vorraussetzungen für niedrige Emissionen und höchste Leistungsdichte zu schaffen.

4.2 Einspritzsystem Für alle drei Motorvarianten kommt ein Common-Rail-Einspritzsystem von Bosch mit unterschiedlichen technischen Ausprägungen zum Einsatz. Als Gemeinsamkeit und Gleichteil bedient die neu entwickelte Hochdruckpumpe alle drei Varianten. Die Basisvariante nutzt den bereits vom Vorgängermotor bekannten MagnetventilInjektor mit einem maximalen Einspritzdruck von 1600 bar, der dem aktuellen Bauraum des neuen Motors angepasst wurde. Der Injektor zeichnet sich durch ein plateauloses Injektorkennfeld aus, was vergleichsweise geringe Piloteinspritzmengen für gute Akustik und niedrige Emissionen ermöglicht.

Für die mittlere Leistungsstufe wird ein Piezo-Injektor mit maximal 1800 bar Einspritzdruck verwendet. Dieser ist im Prinzip bereits aus den BMW-Sechs- und Achtzylinder-Dieselmotoren [3] bekannt und wurde für den höheren Einspritzdruck von 1800 bar weiterentwickelt. Er zeichnet sich durch schnelle Schaltgeschwindigkeiten der Düsennadel mit hoher Präzision aus, wodurch sich zusätzliche Freiheitsgrade bei Mehrfacheinspritzungen und verringerten Pilotmengen ergeben. Weiters weist er nochmals verringerte Einspritzmengenstreuungen sowohl bei den Exemplarstreuungen als auch bei Shot-to-shot-Betrachtungen auf. Erstmals bei einem Pkw-Dieselmotor kommt für die Spitzenvariante der neuen Vierzylinder-Dieselmotoren ein Piezo-Common-Rail Einspritzsystem mit einem maximalen Einspritzdruck von 2000 bar zum Einsatz. Der maximale Einspritzdruck von 2000 bar stellt hohe Anforderungen an alle Komponenten des Einspritzsystems. In Bild 11 sind die notwendigen Maßnahmen am Piezo-Injektor dargestellt, um den Injektor von 1800 auf 2000 bar zu ertüchtigen. Höherwertigere Werkstoffe mit gesteigerten

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Festigkeiten, optimierte Geometrien der Injektorkomponenten und ein leistungsgesteigerter Piezoaktor mit einer höheren Anzahl von aktiven Schichten stellten die Schwerpunkte der Injektorentwicklung dar. Auch die übrigen Komponenten des Einspritzsystems wie beispielsweise das Rail mit Druckregelventil und Raildrucksensor wurden dem höheren Druckniveau angepasst. Die neu entwickelte Hochdruckpumpe CP4 mit Saugregelung, Bild 11; wird wie bereits erwähnt bei allen drei Motorvarianten mit unterschiedlichen Druckniveaus verwendet. Diese Einstempelpumpe mit nur einem Hochdruckkolben zeichnet sich aufgrund des neuen Kolbenantriebs über einen Rollenstößel und optimierter Hydraulik durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Die Antriebsleistung der neuen Hochdruckpumpe konnte gegenüber den bisher verwendeten Pumpentypen um 20 % reduziert werden. Das Pumpengehäuse ist aus Gewichtsgründen aus Aluminium ausgeführt, lediglich der kompakte Hochdruckteil ist aus hochfestem Stahl gefertigt. Um kleinste Mengenstreuungen bei der Einspritzung zu gewährleisten, fördert die Pumpe mit einem Doppelnocken zylindersynchron zu den Einspritzungen in das Rail, um gleichmäßige Druckverlauf im Hochdrucksystem darzustellen. Die Hochdruckpumpe wird über den schwungradseitig angeordneten Kettentrieb mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 zur Kurbelwelle angetrieben, was Vorteile im Raildruckaufbau und der Pumpendimensionierung bringt. Für alle Motorvarianten werden auf den Brennraum abgestimmte Siebenloch-Einspritzdüsen mit optimiertem Düsensitz verwendet, die sich im hydraulischen Durchflussverhalten voneinander unterscheiden. Für hohe Raildruck-Regelgüte in allen Betriebszuständen kommt, wie bei BMW üblich, ein Zweistellerkonzept mit Zuflussregelung in der Hochdruckpumpe und einem Druckregelventil am Rail zum Einsatz. In Verbindung mit adaptiven Lernfunktionen wird über die Motorlebensdauer eine hohe Stabilität der Einspritzmengen gewährleistet.

4.3 Motorsteuerung Die im Vergleich zum Vorgängermotor stark gestiegenen Anforderungen hinsichtlich neuer Motor- und Systemfunktionen erforderten

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Bild 12: Entwicklung der Steuergeräte Figure 12: Control unit development steps

die Entwicklung der neuen Motorsteuergerätegeneration DDE7. Diese zeichnet sich durch Verwendung der neuesten Prozessorgeneration „TriCore“ von Infineon aus, die im Vergleich zur Vorgängergeneration deutlich gesteigerte Ressourcen und Funktionalitäten bietet. Beim neuen Vierzylinder-Dieselmotor kommt der so genannte „Leda light-Prozessor“ zum Einsatz, der die doppelte CPU-Leistung im Vergleich zum Vorgänger aufweist. Die Taktfrequenz beträgt nun 80 MHz, Bild 12, der Flashspeicher 1,5 MByte. Zukünftig können weitere Potenziale durch Umstellung auf noch leistungsfähigere Prozessortypen erschlossen werden. Die gestiegene Komplexität in der Motorsteuerung lässt sich am Anstieg von applizierbaren Funktionsparametern ablesen. Aktuell stehen zirka 18000 Labels zur Verfügung, deren Beherrschung und Optimierung weiterentwickelte automatisierte Applikationsmethoden und eine abgesicherte Softwareentwicklung erfordern. Das neue Steuergerät kommt in drei Hardware-Varianten für die Magnetventilund Piezo-Injektoren in kompakter Bauweise mit 154-poligem Kabelbaumstecker in zwei Kammern zum Einsatz. Die Sensorversorgung wurde zur Reduktion der Verlustleistung von 5 auf 3,3 V umgestellt, und neue Sensoren wie beispielsweise der Kurbelwellendrehzahlsensor mit Drehrichtungserfassung integriert. Für die neue Dieselmotorenfamilie wurde eine Reihe neuer Funktionen entwickelt. Stellvertretend sind an dieser Stelle eine modellbasierte Abgasrückführregelung,

die Integration der Regelung des Abgasrückführventils und des Drallklappenstellers in die Motorsteuerung, der Einsatz einer kontinuierlichen Momentenüberwachung zur Erhöhung der Systemsicherheit und verbesserte Diagnosefunktionen für das Luft- und Hydrauliksystem zu nennen. Um die Basis zur Erreichung der anspruchsvollen CO2-Ziele zu schaffen, wurden eine Reihe von Bordnetzfunktionen zusätzlich in die Motorsteuerung integriert: – Automatik-Start-Stop-Funktion (ASSF) – intelligente Generatorregelung (iGR) zur Nutzung der Bremsenergie im Schubbetrieb – Schaltpunktanzeige (SPA) zur Anzeige des verbrauchsoptimalen Gangs beim Handschalter – geschalteter Klimakompressor mit Kupplung – bedarfsgerechte Kraftstoffvorlaufdruckregelung zur Hochdruckpumpe. ASSF und iGR sind wesentliche Hybridfunktionen, die mit der neuen Motorenbaureihe in hohen Stückzahlen zum Einsatz kommen und damit einen wesentlichen Beitrag zur CO2-Reduktion leisten. Um die Anzahl der eingesetzten Software-Varianten zu reduzieren, werden eine Reihe von Differenzierungsmerkmalen wie etwa zusätzliche Leistungs- und Abgasvarianten über eine entsprechende Codierung in der Fahrzeugproduktion aktiviert. Zur Verbesserung des Kaltstart- und Warmlaufverhaltens des neuen Motors kommt ein Schnellglühsystem mit Keramik-

kerzen zum Einsatz. Die Keramikkerzen führen mit einer maximalen Glühtemperatur von 1300 °C dem Brennraum hohe Energie zu und sichern auch in Verbindung mit dem niedrigen Verdichtungsverhältnis eine sehr gute Verbrennungsstabilität nach dem Kaltstart. Die hohe zulässige Zyklenanzahl der Keramikkerze ermöglicht auch ein betriebspunktabhängiges Glühen im Teillastbetrieb des betriebswarmen Motors zur Re-

duktion der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen. Das Glühsteuergerät ist über ein leistungsfähiges LIN-BUS System an die Motorsteuerung gekoppelt, was zu einem schnelleren Datentransfer und einer verbesserten Diagnosefähigkeit führt. Teil 2 des Beitrags zur Funktionsentwicklung und Fahrzeugergebnissen lesen Sie in der Dezemberausgabe 2007 der MTZ.

Literaturhinweise [1] Steinparzer F.; Mattes W.; Nefischer P.; Wichtl R.: Der neue Vierzylinder-Dieselmotor von BMW. 28. Internationales Wiener Motorensymposium, 2007 [2] Steinparzer F., Kratochwill H., Mattes W., Stütz W.: Zweistufige Abgasturboaufladung am BMW 3,0 Liter Sechszylinder-Dieselmotor. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2004 [3] Mattes, W.; Nefischer, P.; Steinparzer, F.: Neu überarbeitete Dieselmotoren für die BMW 7er Reihe. 26. Internationales Wiener Motorensymposium, 2005

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