Ausführliches Interview mit Jürgen Poggel zum Motor des BMW M5 F10

BMW M5 | 23.09.2011 von 27

Auf den ersten Blick verfügt der V8-Motor des neuen BMW M5 F10 für viele Menschen über deutlich weniger Faszinationspotential als das V10-Triebwerk des Vorgängers, was …

Auf den ersten Blick verfügt der V8-Motor des neuen BMW M5 F10 für viele Menschen über deutlich weniger Faszinationspotential als das V10-Triebwerk des Vorgängers, was vor allem an einer Tatsache liegt: Über viele Jahre verkündete die BMW M GmbH, dass nur ein nach dem Hochdrehzahlkonzept arbeitender Motor sportlich genug für die eigenen Fahrzeuge sei, woraus sich automatisch eine gewisse Minderwertigkeit aufgeladener Motoren ableitete.

Spätestens mit dem Erscheinen von BMW 1er M Coupé und den Geländewagen X5 M und X6 M gehören diese Aussagen der Vergangenheit an, denn mittlerweile werden auch in Garching aufgeladene Motoren verbaut und für standesgemäß befunden. Das mag einerseits an den unbestreitbaren Fortschritten der Turbotechnologie in den letzten Jahren liegen, andererseits spielen nach landläufiger Meinung aber auch der niedrigere Normverbrauch und der vermeintlich geringere Entwicklungsaufwand eine Rolle.

Dass man sich auch im Fall des intern S63 genannten V8 Biturbo für den neuen M5 viele Gedanken gemacht hat, dürfte dennoch kaum einen Kenner der M GmbH überraschen. Auch gegenüber der aus BMW X5 M und X6 M bekannten Ausbaustufe mit 555 PS wurden zahlreiche Änderungen vorgenommen, um das Ansprechverhalten zu verbessern. Detaillierte Erklärungen zur Technik des neuen Motors liefert uns Jürgen Poggel im folgenden ausführlichen Interview, das M-Power.com mit dem Leiter Entwicklung Motor der M GmbH geführt hat:

Herr Poggel , was waren die größten Herausforderungen bei  der Entwicklung des V8-Triebwerkes für den neuen BMW M5?
Das neu entwickelte V8-Triebwerk ist ein Hochleistungssportmotor – unser Ziel war es, den inzwischen bereits legendären V10-Motor des Vorgängers noch in den Schatten zu stellen.

In welchen Punkten sehen Sie Vorteile?
Das hohe, bereits ab niedrigen Drehzahlen anliegende Drehmoment ist grundsätzlich ein Vorteil des Turbomotors. Während ich beim V10 den richtigen Gang mit den passenden Drehzahlen nutzen muss, entwickelt das neue Triebwerk mit M TwinPower Turbo Technologie über ein großes Drehzahlband unbändigen Druck. Beim neuen Motor liegen bereits bei 1500 1/min knapp 700 Nm Drehmoment an, der V10 lag hier bei etwa 300 Nm.  Der Charakter des Hochdrehzahl-Turbos mit seinem äußerst spontanen Ansprechverhalten macht den V8 des neuen BMW M5 zum ultimativen Sportmotor.

Was heißt das?
Bei vielen Turbomotoren sinkt die Leistung mit steigender Drehzahl bald wieder, dieser Motor bietet aber ein Leistungsplateau von 1000 1/min. Ausdrehen macht also Sinn. Und wir haben eine Vielzahl von technischen Maßnahmen realisiert, um das Ansprechverhalten auf das Niveau eines Saugmotors zu bringen.

Was hat der Kunde davon?
Sowohl auf der Rennstrecke wie auf öffentlichen Straßen hervorragende Performance und Fahrbarkeit.
Auf der Rennstrecke muss ich weniger schalten. Das feinfühlige Ansprechverhalten erlaubt das Balancieren des Fahrzeugs mit dem Gaspedal über einen großen Drehzahlbereich. Das bedeutet schnellere Rundenzeiten.
Im Alltag überzeugt vor allem die souveräne Leistungsbereitschaft. Der Motor baut ungeheuren Druck auf, meist steht mehr als ein Gang zur Auswahl. Und wir haben die Effizienz des Motors stark gesteigert, der Motor braucht erheblich weniger Kraftstoff, sowohl auf dem Papier wie in der Realität. Das kommt – neben dem Geldbeutel und der Umwelt – vor allem auch der Reichweite zu Gute, ein deutlicher Gewinn gegenüber dem Vorgänger.

Wie haben Sie diese Kombination von Eigenschaften erreicht, die ja schon fast ein wenig an die Quadratur des Kreises erinnern?
Das Zauberwort in diesem Zusammenhang heißt Entdrosselung des Motors. Entdrosselung bedeutet Verbesserung des Ansprechverhaltens, der Leistungsabgabe, der Effizienz. Wir haben dafür so ziemlich alles im Bereich Luftansaugung und Abgasanlage angepackt.

Fangen wir mit der Ansaugung an.
Die am Verdichter austretende Ladeluft ist bis 130 Grad heiß und muss heruntergekühlt werden. Die Ladeluft wird bei diesem Motor nicht mit Luft gekühlt, sondern indirekt mit Wasser. Ich muss also die Luft nicht durch lange Rohre führen, die Drosselverluste sind sehr viel niedriger. Wir nutzen ausgesprochen großzügig dimensionierte Kühler und Rohrquerschnitte.  Ansauggeräuschdämpfer und Ladeluftkühler sitzen sehr nah am Motor. Das alles trägt schon mal zur Entdrosselung auf Ansaugsseite bei.

Das V8-Triebwerk des neuen BMW M5 nutzt nun auch „VALVETRONIC“, können Sie uns diesen Begriff erläutern?
Die VALVETRONIC ermöglicht es, den Ventilhub der Einlassventile von zwei bis drei Zehntel Millimeter bis Maximalhub kontinuierlich zu verändern. Den Vorteil macht man sich am besten am konventionellen Saugmotor klar: hier wird die Leistung über die sogenannte Drosselklappe eingestellt. Der Motor versucht immer die volle Luftmasse anzusaugen, ich gebe sie ihm nur nicht. Nur bei Vollgas ist die Drosselklappe voll geöffnet. Wenn ich die Drosselklappe schließe, erzeugt der Motor im gesamten Ansaugsystem Unterdruck. Wenn das Einlassventil zu ist und der Kolben wieder hochläuft, ist dieser Unterdruck für den Motor nicht mehr nutzbar.
Mit VALVETRONIC wird am Ventil die Luftmenge geregelt. Wenn für den jeweiligen Lastpunkt genügend Luft im Zylinder ist, schließe ich das Ventil. Auch jetzt wird ein Unterdruck aufgebaut, wenn der Kolben runtergeht. Sie können sich das vorstellen, wie wenn Sie eine Fahrradpumpe vorne zuhalten, wenn Sie den Kolben nach hinten ziehen: es macht durch den Unterdruck „Schwupp“ und der Kolben wird wieder hineingezogen. Das heißt: die Energie, die ich aufwende, den Unterdruck aufzubauen, bekomme ich später wieder zurück. Die Drosselverluste sinken also.
VALVETRONIC ermöglicht auch einen deutlich schnelleren Aufbau des Ladedrucks. Durch die VALVETRONIC können wir eine Laststeuerung fahren, bei der ich die Turbine auf Drehzahl halte und beim Schalten oder Beschleunigen den Ventilspalt soweit aufmache, wie ich ihn brauche. Wenn ich auf’s Gas trete, habe ich schneller Druck im Kreuz, das Ansprechverhalten wird deutlich besser.

Und auf der Abgasseite? Wir hören dabei immer wieder vom „zylinderbankübergreifenden Krümmer“ und „Twin Scroll Twin Turbo Aufladung“, ohne deren Vorteile wirklich zu verstehen.
(Lacht). Der zylinderbankübergreifende Krümmer fasst die Abgase aus den einzelnen Zylindern für die Turbolader optimal zusammen. Der V8 Motor hat ja sonst so einen Stolpergang, was zu diesem typischen V8 Blubbern führt. Ein 12-Zylinder zündet immer abwechselnd Zylinder der Zylinderbänke, einen links, einen rechts, schön gleichmäßig. Beim V8 wird aus Gründen des Komforts eine Kurbelwelle verbaut, die auf einer Bank zwei Mal hintereinander zündet und dann erst auf die andere Bank springt. Die damit sehr ungleichmäßigen Zündfolgen hören Sie im Abgasstrang als das typische V8 Blubbern, das Sie beim Motor des neuen BMW M5 nicht hören.
Beim zylinderbankübergreifenden Krümmer haben wir Krümmerrohre, die in einem starren Rohrverband an beiden Zylinderbänken angebunden sind. So werden die Abgase zu den Turboladern optimal zusammengeführt. Jeder Zylinder kann also optimal „ausatmen“. Wenn ich das Auslassventil öffne, entweicht ein sehr heißer und energiereicher Abgasstrahl, es ist noch hoher Druck drauf, der nun quasi völlig unbehindert auf einen Abgaskanal und dann auf die Turbine des Turboladers trifft. Ich nutze so also nicht nur die Strömungsenergie des Abgases, sondern auch die Impulsenergie. Stellen Sie sich das so vor, als wenn Sie ein Windrädchen mit einem Atemstoß anpusten, da wirkt auch nicht nur das Volumen der Atemluft sondern zusätzlich der Impuls durch das Anpusten.
Das funktioniert aber nur dadurch, dass durch die Twin-Scroll Turbinen die Trennung der Abgasströme in den beiden Turboladern erhalten bleibt.

Um den Vorteil zu verdeutlichen, folgendes Gedankenexperiment: Stellen wir uns eine ganz einfachen Aufbau vor: acht Zylinder blasen über eine „Loch“ eine Abgasturbine an. Der Druckimpuls träfe so nicht nur auf die Turbine, sondern verteilte sich auch in andere Abgasrohre, ich verliere also Energie. Dieses Vorgehen heißt Stauaufladung, ich pumpe alles zusammen in einen großen Behälter aus dem dann das Abgas gesammelt über die Turbine streicht. Durch die Twin-Scroll Kanäle der beiden Turbos haben wir aber eine Trennung in der Turbine, so dass jeder Auslasstoss, ohne sich zu verlaufen, unmittelbar auf die Schaufeln der Turbine trifft. So kann eben auch die Geschwindigkeit des Gases genutzt werden. Es wirkt nicht nur das Volumen des Abgasstrahls sondern auch dessen Dynamik,  die Impulsenergie kann verwertet werden.
Diese Führung der Abgase hat zudem einen weiteren Vorteil: wenn mehrere Zylinder gemeinsam in ein Rohr pusten, befindet sich dort viel Restgas. Wenn man das Auslassventil öffnet, bekommt man so den Zylinder nicht sauber vom Abgas geleert. Bei unserem Motor sauge ich mit dem abströmenden Gas den Rest aus dem Zylinder.
So haben wir auch abgasseitig alles genutzt, was man für den Ladungswechsel und damit für das optimale Ansprechverhalten tun kann: große Rohrquerschnitte, bankübergreifenden Krümmer und Twin-Scroll Twin Turbo Aufladung.

Die Entdrosselung des Motors bringt aber nicht nur den Vorteil des hervorragenden Ansprechverhaltens sondern auch Verbrauchsvorteile?
Ja, wir kommen beim Motor des neuen BMW M5 fast in allen Kennfeldbereichen ohne die verbrauchssteigernde Anfettung aus. In Summe führen die beschriebenen Maßnahmen, gemeinsam mit anderen Schritten,  zu einer drastischen Reduzierung von Zulassungs- und Kundenverbrauch. Damit wächst vor allem die Reichweite – ein in der Vergangenheit deutlich geäußerter Wunsch unserer Kunden. Unsere Ingenieure kommen heute mit einer Tankfüllung von Garching bis zum Nürburgring. Da konnten Sie früher wirklich nur davon träumen.

Wenn man die Fahrpedalkennungen Sport oder Sport plus wählt, wird das Ansprechverhalten noch einmal deutlich spürbar verbessert.  Wie funktioniert das?
Durch geeignete Steuerung der VALVETRONIC und der Wastegates der Turbolader werden im Modus Sport und Sport plus die Turbolader auf höheren Drehzahlen gehalten. Normalerweise mache ich das Wastegate, mit dem der Ladedruck gesteuert wird, auf und sorge dafür, dass das Abgas möglichst verlustfrei ausströmt. Erst wenn ich Gas gebe, wird wieder Druck aufgebaut. Für ein verbessertes Ansprechverhalten lasse ich das Wastegate zu, bis ich es zum Regeln brauche. Das Abgas geht dann immer über die Turbine, die dadurch mit deutlich höherer Drehzahl fährt. Wenn Leistung abgefordert wird, steht sie damit sofort zur Verfügung. Allerdings habe ich so einen graduell höheren Gegendruck, damit steigt der Verbrauch etwas an. Deshalb ist diese Funktion auch schaltbar. Beim BMW 1er M Coupé wird übrigens die gleiche Funktion durch Drücken des M Buttons aktiviert.

Manchmal hört man, Turbomotoren favorisiere man, weil sie einfacher zu bauen sind. Stimmt das?
Nein, zumindest für unsern Motor keinesfalls. Beim Hochdrehzahl-Saugmotor ergeben sich hohe mechanische Herausforderungen und ich brauche einen Ladungswechsel, der bei höchsten Drehzahlen funktioniert aber auch im normalen Fahrbetrieb ausreichend effizient ist.
Der Turbomotor stellt aber darüber hinaus hohe thermische Anforderungen. Das V8-Triebwerk des BMW M5 verträgt Abgastemperaturen bis 1050 Grad. Je höher die möglichen Temperaturen, desto besser: ich brauche das Gemisch nicht verbrauchserhöhend zur Kühlung des Motors anfetten und hohe Temperaturen sind gut für`s Ansprechverhalten.  Diese Temperaturen muss man aber beherrschen. Der  Motorblock von etwa 200kg hat Temperaturen von mindestens 110 bis 115 Grad, die Abgaskrümmer und Turbolader sind bis 1000 Grad heiß.
Das muss während der Fahrt und nach dem Abstellen des Motors beherrscht werden.  Dazu kommt noch, dass der Motor eben auch bei niedrigen Drehzahlen sehr viel Leistung zur Verfügung hat (wie gesagt: etwa doppelt so viel wie der alte V10), so dass auch dort schon deutlich mehr Wärme anfallen kann. Das ist für die meisten Autos kaum von Belang, weil die volle Leistung eh nur sehr selten zum Zug kommt. Aber der BMW M5 ist ein Sportwagen, die Leistung wird gefordert,  insbesondere auf der Rennstrecke.

Wie stellen Sie eine optimale Kühlung sicher?
Durch verschiedenste Maßnahmen. Der Motor wurde zwei Zentimeter niedriger gesetzt, um die Anströmung zu verbessern –  was natürlich zusätzlich fahrdynamisch wirksam den Schwerpunkt absenkt. Der Ölkreislauf ist zudem rennstreckentauglich. Es ist mit Querbeschleunigungen von bis zu 1.3g zu rechnen. Hier wie beim Bremsen sollte das Öl tunlichst dort abgesaugt werden, wo es sich dann gerade befindet.
Wir haben im neuen BMW M5 mehrere Kühlkreisläufe: der klassische Motorkühlwasserkreislauf und Motorölkreislauf wird ergänzt durch einen Niedrigtemperatur-Wasserkühlkreislauf, der u.a. die indirekte Kühlung der Ladeluftkühler sicherstellt. Übrigens werden sogar die Hochleistungs-Motorsteuergeräte wassergekühlt. Darüber gibt es weitere separate Kühlkreisläufe für Schaltgetriebe etc.

Bereits beim BMW 1er M Coupé ist die Frage aufgekommen, welche maximalen Öltemperaturen eigentlich der Motor verträgt.
Die Antwort ist so einfach, wie sie überraschend sein mag: machen Sie sich keine Sorgen. Wir haben über den sogenannten Wärmemanager im Normalfall alle kritischen Situationen abgefangen. Wenn es einem Medium, Öl oder Wasser, oder einem Bauteil des Motors durch spezielle Umgebungs- oder Lastprofile zu heiß wird, dann werden automatisch Maßnahmen ergriffen. Das kann so weit gehen, dass die Leistung zum Schutz des Motors reduziert wird. Wenn wir mal vom Extremen ausgehen: das Fahren von Vollgas im ersten Gang bei Wüstentemperaturen kann nicht weggekühlt werden.
Um auf die eigentliche Frage zurück zu kommen: übliche Öle halten 150 Grad gut aus, ab 160 Grad beginnt es kritischer zu werden, obwohl auf der Laufbahn des Zylinders schon mal 200 Grad erreicht werden, was das Öl aber nicht schädigt, weil diese Temperatur dort nur sehr kurzzeitig auftritt.  Wird das Öl entsprechend lang und oft durch hohe Temperaturen belastet, wird das automatisch in den angezeigten Serviceintervallen berücksichtigt.  Die M Hochleistungstriebwerke sind also so ausgelegt, dass man sie nicht aus Angst vor Überhitzung mit ständigem Blick auf den Öltemperaturmesser fahren muss.
Übrigens benötigt der Motor nicht mehr das bekannte 10W-60 Öl mit seiner hohen Viskosität, sondern wir können die aktuellsten Leichtlauföle nutzen, die die Reibung deutlich reduzieren.

Auf was sind sie denn besonders stolz beim neuen BMW M5?
Der neue BMW M5 hat eine Wahnsinns-Performance. Sie erleben sportliche Leistung unglaublich souverän. Der neue BMW M5 macht auf der Rennstrecke Spaß und auf dem Weg nach Hause. Beim neuen M5 freue ich mich jedes Mal, wenn ich ihn fahren kann.

(Quelle: M-Power.com)

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