BMW Motorenbaukasten: Warum sind Bohrung/Hub unterschiedlich zwischen Benziner und Diesel?

[UnimatrixZero]

Bzgl. des neuentwickelten Motorenbaukastens (B37, B47, B38, B48) von BMW ist ja inzwischen schon einiges bekannt.

Der Hubraum pro Zylinder liegt bei 500ccm, was Dreizylinder mit 1,5 Liter Hubraum (B37, B38), Vierzylinder mit 2 Liter Hubraum (B47, B48) und Sechszylinder mit 3 Liter Hubraum (B57, B58) zur Folge hat, jeweils als Diesel und als Benziner.

Eines der Ziele ist ja eine möglichst hohe Zahl an Gleichteilen zwischen den verschiedenen Motoren, man spricht von 60% bei den Benzin- bzw. Dieselmotoren sowie von 40% zwischen den Benzinern und den Dieseln (s.u.).
[article=http://www.heise.de/autos/artikel/Kommunalismus-bei-BMW-1707541.html]Hohe Kommunalität
Zudem weist der neue sogenannte Motorenbaukasten eine hohe Kommunalität auf. Das bedeutet, dass selbst bei verschiedenen Motoren viele Teile gleich sind. So steigt der Gesamtanteil der bei Ottomotoren oder Dieselmotoren verwendeten Gleichteile auf bis zu 60 Prozent, die baulichen Übereinstimmungen zwischen Benzin- und Dieselmotoren betragen immer noch hohe 40 Prozent. Diese Vereinheitlichung spart viel Aufwand, also Geld. Weil zudem Otto- und Dieselmotoren künftig auf einem gemeinsamen Fließband produziert werden können, lässt sich laut BMW die Fertigung besser dem Bedarf anpassen.[/article]
Mir ist kürzlich aufgefallen, daß die Benzin- und die Dieselmotorisierungen sogar unterschiedliche Maße bzgl. Hub und Bohrung haben, siehe nachfolgendes Beispiel:

B48: Bohrung x Hub: 82,0 mm × 94,6 mm
B47: Bohrung x Hub: 84,0 mm × 90,0 mm

Nun frage ich mich nach dem Sinn dahinter, denn wenn man nur ein einziges Maß bzgl. Bohrung und Hub für alle Motoren verwendete, dann müsste das doch vorteilhafter hinsichtlich der Produktion und der Gleichteilestrategie sein.

Oder bringen diese leichten Differenzen jeweils spezifische Vorteile für die Diesel- und die Benzinmotorisierungen? So ist der Benziner B48 etwas langhubiger ausgelegt als der Diesel B47. Ich hätte rein gefühlsmäßig erwartet, daß der Diesel langhubiger ausgelegt wird als ein Benziner.

 

[tobbas]

Nun frage ich mich nach dem Sinn dahinter, denn wenn man nur ein einziges Maß bzgl. Bohrung und Hub für alle Motoren verwendete, dann müsste das doch vorteilhafter hinsichtlich der Produktion und der Gleichteilestrategie sein.

Oder bringen diese leichten Differenzen jeweils spezifische Vorteile für die Diesel- und die Benzinmotorisierungen? So ist der Benziner B48 etwas langhubiger ausgelegt als der Diesel B47. Ich hätte rein gefühlsmäßig erwartet, daß der Diesel langhubiger ausgelegt wird als ein Benziner.

Es ist wichtig und richtig, dass trotz auferlegtem Sparzwang und der daraus resultierenden Einführung eines gemeinsamen Motorenbaukastens für Otto- und Dieseltriebwerke noch auf die brennverfahrensspezifischen Bedürfnisse eingegangen wird und so auch eine Optimierung der Betriebseigenschaften des jeweiligen Motorkonzeptes realisiert werden kann. Warum dann diese unterschiedlichen Bohrungs- und Hubmaße, wo doch N20/N47 usw. fast schon identische Werte aufweisen? Dies liegt in der unterschiedlichen Auswirkung dieser und anderer Konstruktions- bzw. Ausstattungsmerkale auf das jeweilige Brennverfahren (Otto/Diesel) und den damit verbundenen Wechselwirkungen begründet.

Durch das dieselmotorische Prinzip der Selbstzündung mit Kompressionshubeinspritzung Nahe des OT - der eigentliche Brennraum wird dann mehr oder minder nur durch das flache Brennraumdach (senkrechte Ventile) und die ausgeprägte Kolbenmulde gebildet; Gemischbildung und anschließende Verbrennung laufen zeitlich und räumlich aufeinanderfolgend direkt 'im Kolben' ab - beschränkt sich mittlerweile die Brennverfahrensentwicklung beim Selbstzünder hauptsächlich auf die Einspritztechnik und deren Wechselwirkung mit Kolbengeometrie und Zylinderinnenströmung, der sog. Ladungsbewegung. D.h. Technologiesprünge sind beim Diesel hauptsächlich auf dem Gebiet der Einspritztechnik sowie der Abgasnachbehandlung zu finden. Während letztere nur einen sehr eingeschränkten Einfluss auf die Brennraumgestaltung hat, ist die Injektor-, bzw. genauer die Spraygestaltung (gezielte Entwicklung der Einspritzstrahlen) direkt mit der Kolbengemetrie und der vorherrschenden Ladungsbewegung verknüpft. Dadurch, dass diese Wechselwirkung hauptsächlich zwischen Injektor und Kolben besteht, können Verbesserungsmaßnahmen nahezu unabhängig vom restlichen Triebwerk, also z.B. Hub u. Bohrung durchgeführt werden. Bei BMW hat man sich ja schon beim M47/M57 für 84mm Bohrung entschieden und Einlasskanäle sowie Reibung daraufhin stetig optimiert, sodass dieses Maß wie beschrieben bis zum neuen Baukasten-Diesel ohne Nachteile durchgeschliffen werden kann. Die über Funktion und letztliche Betriebseigenschaften entscheidende Brennverfahrensentwicklung läuft dann über das Maßnahmenpaket Einspritztechnik/Kolben/Abgasnachbehandlung.

Auf ottomotorischer Seite gibt es diese Frage betreffend mehrere grundlegende Wechselwirkungen, da hier Gemischbildung und Verbrennung nicht in direktem zeitlichen Zusammenhang stehen und sich über Ansaugphase, Verdichtung und Arbeitstakt verteilen. Während der Diesel schon über einen langen Zeitraum von ~25 Jahren bei der Ausprägung Turbo-Direkteinspritzer angelangt ist, hat man bei BMW diese Einzelmaßnahmen, sowie auch deren Kombination erst recht spät wieder in Breite in das eigene Ottomotor-Portfolio integriert (N73, N43, N53, N54). Den Entwicklungsschritten Saugmotor/Turbomotor bzw. Saugrohreinspritzer/Direkteinspritzer sollten dann im Idealfall grundlegende Triebwerksanpassungen folgen, um das Optimum aus der Technologie zu holen. Hinzu kommt allerdings noch der Faktor Auslegungsphilosophie des Herstellers, sodass die Grenzen der technolgiespezifischen Auslegung (Sauger/Turbo usw.) sich überlappen können.
Beispielsweise liegt bei der Zylinderkopfentwicklung, insbesondere bei der Kanal- sowie der Ventilanordnung und -gestaltung, ein Zielkonflikt zwischen füllungsoptimaler Auslegung und der Gestaltung zum Erzielen hoher Ladungsbewegung bzw. Turbulenz vor. Grundsätzlich möchte man beides erreichen, die Optimierung zu einer Ausprägung hin verschlechtert allerdings die andere Eigenschaft. Durch das beschränkte Luftangebot im atmosphärischen Betrieb bekommt ein Sauger i.d.R. immer einen 'füllungsoptimierten' Kopf sowie einen entsprechend angepassten Ladungswechsel (Vorgang des Abgasausstoßens sowie des Luftansaugens; maßgeblich durch Ventilsteuerzeiten und Sauganlage/Abgasanlage bestimmt). Von einer Auslegung für erhöhte Ladungsbewegung und Turbulenz profitieren insbesondere Direkteinspritzer und Turbomotoren und deren Kombination. Prinzipbedingt haben Direkteinspritzer eine kürzere Gemischbildungszeit zur Realisierung eines möglichst homogenen Gemisches; der Vorgang der Gemischhomogenisierung kann durch erhöhte und gezielte Ladungsbewegung unterstützt werden. Dies sorgt für einen höheren Wirkungsgrad, verringerte HC-Emission sowie eine verbesserte Motorlaufruhe durch erhöhte Verbrennungsstabilität (die einzelnen aufeinanderfolgenden Verbrennungen unterscheiden sich nicht mehr so stark). Neben der verbesserten Gemischhomogenisierung sorgt auch die durch erhöhte Turbulenz schneller ablaufende Verbrennung für eine reduzierte Klopfneigung, wovon letztlich insbesondere auch Turbomotoren mit einem reduzierten Hochlastverbrauch profitieren. Diese Effekte werden durch einen kompakten Brennraum mit langhubiger Auslegung verstärkt. Ein großer Hub erhöht die Kolbengeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl und sorgt somit auch für eine beschleunigte Einlassströmung; Ladungsbewegung und Turbulenz sind intensiver und die oben genannten positiven Einflusse auf Gemischbildung und Verbrennung sind umso ausgeprägter.* Ebenso weist der kompaktere Brennraum kürzere 'Brennwege' auf, was die Klopfneigung zudem reduziert. Da der Zylinderabstand ja weiterhin bei 91mm bleibt, ermöglicht die kleinere Bohrung eine verbesserte Kühlung von Zylindern und Zylinderkopf, wobei insb. letzeres, also ein kühler Kopf, auch für mehr Füllung und reduzierte Klopf- und Vorentflammungsneigung sorgt.
Nach den Grundlagen etwas Entwicklungshistorie zur Einordnung: Auf den M54 mit 84mm Bohrung folgte der N52, ein Sauger mit stärkerer Ausrichtung auf spezifische Leistung und Drehmoment, sodass die Bohrung für mehr Ventilfläche auf 85mm wuchs und zusammen mit längeren Steuerzeiten die Nenndrehzahl um 700 1/min anstieg. Die Sauger hatten sogar komplett nachbearbeitete/ausgefräste Kanäle und Brennräume für mehr Füllung (gab es so bei vielen anderen OEMs in der Klasse nicht). Mit den Turbos fiel dieser Bearbeitsschritt dann natürlich wieder weg. Das Magnesiumverbund-Zylinderkurbelgehäuse des N52 mit geringen Stegbreiten war für die Turbos beginnend mit dem N54 nicht geeignet, also ist man wieder bei den langhubigeren 84mm gelandet; den größeren freien Strömungsquerschnitt größerer Ventile (bei größerer Bohrung) braucht ein Turbo ja nicht. Bis zum N20/N55 hat man dieses Maß behalten und versucht mit Ventiltriebsparametern sowie Ladedrucksteuerung einen Saugmotorcharakter zu bewahren. Daher konnte man diese Motoren auch noch bis 7000 1/min ausdrehen (Baukasten bisher auf 6500 1/min beschränkt). Im Zuge der Downsizingstrategie steigen zukünftig auch weiterhin die Aufladegrade (siehe z.B. B38 in der i8-Variante, vgl. mit M54), sodass man die neuen Baukastenmotoren auch dahingehend mit gegenüber abnormalen Verbrennungsvorgängen wie Klopfen und Vorentflammungen robustem Brennverfahren befähigen muss und den Hochlast/Volllastverbrauch weiter senken muss. Die neuen Baukastenmotoren sind also stärker von der Ausrichtung und Optimierung als Turbomotor geprägt als noch die Vorgängergeneration, welche eher als Übergangslösung vom Sauger zum Turbo zu sehen ist. Die V-Motoren sind allerdings noch stärker mit der Historie als Saugmotor verwurzelt und daher noch absolut kurzhubig.

*Ein knallhart ausgelegter Sauger mit großer Bohrung und entsprechend großen Ventilen sowie kleinem Hub funktioniert daher als atmosphärische Luftpumpe in einem engen Drehzahlbereich ganz gut und weist hohe Liefergrade auf, brennt aber aufgrund erhöhter Gemischinhomogenität und geringer Turbulenz ziemlich schlecht. Letzteres, also die geringe Verbrennungsstabiltät, sorgt aber auch für einen schön unrunden Klang. So z.B. wenn die in 12 Töpfen zusammengepferchten 800 Cavallis aus Maranello loslegen; das Teil läuft eigentlich nur bei Volllast und höheren Drehzahlen wirklich rund. Entsprechend sind insb. neuere Turbomotoren mit hoher Ladungsbewegung was die Verbrennnungsstabilität betrifft laufruhiger als noch z.B. Sauger aus Zeiten der M-Generationen. Das Laufruheplus wird dann allerdings teilweise mit effizienzsteigernden Betriebsstrategien wieder aufgebraucht.

 

[JML]

Vielen Dank für diese sehr interessante Erklärung und deine verwendete Zeit. Klasse!

 

[UnimatrixZero]

D.h. Technologiesprünge sind beim Diesel hauptsächlich auf dem Gebiet der Einspritztechnik sowie der Abgasnachbehandlung zu finden. Während letztere nur einen sehr eingeschränkten Einfluss auf die Brennraumgestaltung hat, ist die Injektor-, bzw. genauer die Spraygestaltung (gezielte Entwicklung der Einspritzstrahlen) direkt mit der Kolbengemetrie und der vorherrschenden Ladungsbewegung verknüpft. Dadurch, dass diese Wechselwirkung hauptsächlich zwischen Injektor und Kolben besteht, können Verbesserungsmaßnahmen nahezu unabhängig vom restlichen Triebwerk, also z.B. Hub u. Bohrung durchgeführt werden. Bei BMW hat man sich ja schon beim M47/M57 für 84mm Bohrung entschieden und Einlasskanäle sowie Reibung daraufhin stetig optimiert, sodass dieses Maß wie beschrieben bis zum neuen Baukasten-Diesel ohne Nachteile durchgeschliffen werden kann. Die über Funktion und letztliche Betriebseigenschaften entscheidende Brennverfahrensentwicklung läuft dann über das Maßnahmenpaket Einspritztechnik/Kolben/Abgasnachbehandlung.

Heißt das, daß man beim B47 das bewährte Bohrung/Hub-Maß des N47 beibehalten hat, weil die "Peripherie" schon darauf optimiert ist, während man sich beim B48 (82mm × 94,6mm) bzgl. dieser Maße vom N20 (84mm x 90,1mm) entfernt, der ja sehr nahe am N47 (84mm x 90mm) ist?

 

[tobbas]

Ja, beim Diesel besteht das Grundlegende Konzept Turbo-Direkteinspritzer schon seit 'Ewigkeiten' und man konnte sich so schon lange zum Optimum (da sind die OEMs ja unterschiedlicher Meinung ) hiniterieren. Die letzten Technologiesprünge wurden im Bereich der Einspritztechnik sowie der Abgasnachbehandlung gemacht, beides Maßnahmen die sich nicht auf Hub/Bohrung auswirken müssen. Da wird beim Diesel eher der Kolben verändert, ehe man was grundlegendes am Triebwerk ändert. Warum genau das so ist, wird hoffentlich aus dem Text oben ersichtlich. Bei N20/N55 war man nicht nur nahe am Diesel, man war auch nahe am alten Sauger (M54). Beim Ottomotor kam man (BMW) vom Sauger mit Saugrohreinspritzung und hatte zwischenzeitlich Sauger-DI, sowie zwei Generationen Turbo-DI. Um das Konzept Turbo-Direkteinspritzer in der 3. Generation nun weiter zu optimieren (Motivation verstärktes Downsizing, Flotte/CO2, usw.) sind für den Baukastenmotoren nun größere Änderungen nötig gewesen.

 

[tobbas]

Während beim Ottomotor der Brennraum durch den flachen Kolben, die Zylinderwände und das unter dem Ventilwinkel stehende "Satteldach" im Zylinderkopf gebildet wird, besteht der Dieselbrennraum wie beschrieben nahezu nur aus der Kolbenmulde. Der Kolben fährt nach OT und durch die senkrecht stehenden Ventile wird ein flaches Dach gebildet. In diese Mulde wird eingespritzt und die Randbereiche der Einspritztstrahlen beginnen zu brennen. Ich muss zugeben, ohne das jemals gesehen zu haben ist das schon ziemlich abstrakt. Daher hier zwei Clips zum Diesel:

Kolben in OT - Brennraum besteht nur aus Kolbenmulde und flachem Brennraumdach

Einspritzung und Verbrennung in direktem Zusammenhang (Beim Otto Aufteilung über 3 Takte)

Weil der Dieselbrennraum hauptsächlich durch die Kolbenmulde gebildet wird, kann man einfach nur den Kolben ändern um eine Optimierung des Brennverfahrens durchzuführen. Die Bohrung kann gleich bleiben, der Brennraum kann aber durch einen anderen Kolben total unterschiedlich ausgeprägt sein. Beim Ottomotor dagegen haben Hub/Bohrung wie beschrieben einen viel direkteren Einfluss auf das Brennverfahren (Gemischbildung/Verbrennung/Klopfen/Emission/...), sodass diese Maße hier eher von Änderungen betroffen sind.

 

[UnimatrixZero]

Beim Ottomotor dagegen haben Hub/Bohrung wie beschrieben einen viel direkteren Einfluss auf das Brennverfahren (Gemischbildung/Verbrennung/Klopfen/Emission/...), sodass diese Maße hier eher von Änderungen betroffen sind.

Bei den Baukastenmotoren mit Turbo und Downsizing scheint es ja klar in Richtung langhubigerer Auslegungen zu gehen.

Wenn man sich die Historie anschaut, dann sieht man, daß eine Bohrung von 84mm bei den Benzinern eine lange Tradition hat. Bei den 2,5-Liter-Versionen (M20, M50, M52, M54) wurden üblicherweise 84 mm x 75 mm und damit eine kurzhubige Auslegung verwendet. Beim M52B28 ist die Auslegung quadratisch und ab dem M54 sind die 3,0-Liter-Ausführungen langhubig, mit den Baukastenmotoren verschiebt es sich weiter ins langhubige.

Motor ...... Bohrung ... Hub ... Hub/Bohrungs-Verhältnis
M20B25 ... 84 ........... 75 ...... 0,892
M50B25 ... 84 ........... 75 ...... 0,892
M52B28 ... 84 ........... 84 ...... 1
M54B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067
N52B30 ... 85 ........... 88 ...... 1,035
N53B30 ... 85 ........... 88 ...... 1,035
N54B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067
N55B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067
N20B20 ... 84 ........... 90,1 ... 1,073
B48B20 ... 82 ........... 94,6 ... 1,154

 

[tobbas]

Ich ergänze um einige Sportmotoren:

Motor ...... Bohrung ... Hub ... Hub/Bohrungs-Verhältnis
M20B25 ... 84 ........... 75 ...... 0,892
M50B25 ... 84 ........... 75 ...... 0,892
M52B28 ... 84 ........... 84 ...... 1
M54B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067
N52B30 ... 85 ........... 88 ...... 1,035
N53B30 ... 85 ........... 88 ...... 1,035
N54B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067
N55B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067
N20B20 ... 84 ........... 90,1 ... 1,073
B48B20 ... 82 ........... 94,6 ... 1,154
S14B20 ... 93,4 ........ 72,6 ... 0,777
S14B25 ... 95,0 ........ 87,0 ... 0,916
S38B38 ... 94,6 ........ 90,0 ... 0,951
S50B30 ... 86,0 ........ 85,8 ... 0,998
S50B32 ... 86,4 ........ 91,0 ... 1,053
S54B32 ... 87,0 ........ 91,0 ... 1,045
S65B40 ... 92,0 ........ 75,2 ... 0,817
S65B44 ... 92,0 ........ 82,0 ... 0,891

Da stehen die beiden Triebwerke mit dem alten Zyinderabstand von 100mm (BMWs 'Bigblock' M30 und Derivate, 'Smallblockmaß' ist 91mm für die anderen Reihenmotoren) ziemlich deutlich hervor, die V-Motoren sowieso.
Auch schön zu sehen, dass innerhalb der Reihenmotoren mit 91mm Stichmaß mit der spezifischen Leistung die Bohrung immer größer wird.
Direkt vergleichbar sind die Werte allerdings nur bei 'gleichem' Einzelzylinderhubraum. Beim Standardtopf von 0,5l also alle R6-B30/R4-B20 Derivate.

 

[UnimatrixZero]

Beim Wechsel vom Sauger N62B44 (92 mm × 82,7 mm) zum Turbo N63B44 (89 mm × 88,3 mm) sieht man sehr gut, daß das Verhältnis von Bohrung und Hub geändert wurde, wobei der N63 eine annähernd quadratische Auslegung anstatt der kurzhubigen des N62 hat.

 

[tobbas]

Gutes Beispiel, wie das Brennverfahren die Motorgeometrie bei gleichem Hubraum beeinflusst. Während der Sauger mit Saugrohreinspritzung auf große Bohrung für viel Ventilfläche ausgelegt ist, bekommt der Turbo-Direkteinspritzer den kompakteren und besser kühlbaren Brennraum für eine geringere Klopfneigung und höhere Festigkeit (höhere Zylinderdrücke durch Aufladung). Zudem erhöht der große Hub (--> höhere Kolbengeschwindigkeit) wie oben beschrieben die Ladungsbewegung und unterstützt damit in mehrerlei Hinsicht das Brennverfahren mit besserer Homogenisierung, höhere Verbrennungstabilität/Laufruhe (beides für HC-Emission wichtig) sowie schnellerer Verbrennung und damit höherem Wirkungsgrad sowie geringerer Klopfneigung. Bei der Änderung von Hub/Bohrung innerhalb einer gegebenen Motorarchitektur muss neben den brennverfahrensspezifischen Größen aber auch auf die Triebwerksmechanik geachtet werden; bei gegebenem Zylinderabstand ist die Bohrung beschränkt (Turbomotoren bekommen aus Festigkeitsgründen größere Stegbreiten), aber auch der Hub ist nicht frei wählbar, da man sich idR in einem gewissen Pleulstangenverhältnis aufhalten sollte (Kurbelradius/Pleullänge=~0,3) und man somit auch die Blockhöhe mit einbeziehen muss.

 

[UnimatrixZero]

Bei der Änderung von Hub/Bohrung innerhalb einer gegebenen Motorarchitektur muss neben den brennverfahrensspezifischen Größen aber auch auf die Triebwerksmechanik geachtet werden; bei gegebenem Zylinderabstand ist die Bohrung beschränkt (Turbomotoren bekommen aus Festigkeitsgründen größere Stegbreiten), aber auch der Hub ist nicht frei wählbar, da man sich idR in einem gewissen Pleulstangenverhältnis aufhalten sollte (Kurbelradius/Pleullänge=~0,3) und man somit auch die Blockhöhe mit einbeziehen muss.

Könnte das auch der Grund dafür sein, daß man bei der Entwicklung vom M50B25 über den M52B28 hin zum M54B30 nur den Hub, aber nicht die Bohrung verändert hat?

Wie man sieht, wurde die Hubraumerweiterung der jeweiligen Topmotorisierung mit einer Vergrößerung des Hubs bei gleichbleibender Bohrung erzielt:

Motor ...... Bohrung ... Hub ... Hub/Bohrungs-Verhältnis
M50B25 ... 84 ........... 75 ...... 0,892
M52B28 ... 84 ........... 84 ...... 1
M54B30 ... 84 ........... 89,6 ... 1,067

Somit hat man den M54B30 zum Langhuber hin entwickelt, während die Vorgänger M20B25 und M50B25 noch Kurzhuber waren.

 

[tobbas]

Könnte das auch der Grund dafür sein, daß man bei der Entwicklung vom M50B25 über den M52B28 hin zum M54B30 nur den Hub, aber nicht die Bohrung verändert hat?

Ja, davon ist klar auszugehen. Der N52 hat dann ja ein komplett neues Zylinderkurbelgehäuse bekommen, sodass man trotz gleichem Zylinderabstand mit entsprechenden Anpassungen die Bohrung auf 85mm erweitern konnte.
Wobei der M50 aufgrund seines Graugusskurbelgehäuses hinsichtlich Bohrungserweiterung noch Potental gehabt hätte. Erst mit den leichteren Aluminum-Kurbegehäusen von M52 und neuer stellte dieses Maß wohl eine gewisse Grenze dar. Deshab wurden auch die auf der gleichen 91mm-Architektur basierenden Sportmotoren S50B30/B32 und S54B32 noch mit einem Grauguss-Kurbelgehäuse auf den Markt gebracht, trotz des Gewichtnachteils. Man konnte so die Bohrung auf bis zu 87mm erweitern (4mm Stegbreite!); einerseits für mehr Ventilfläche, andererseits für mehr Hubraum, wobei dieser auch durch eine starke Vergrößerung des Hubs erreicht wurde.

 

[UnimatrixZero]

Man konnte so die Bohrung auf bis zu 87mm erweitern (4mm Stegbreite!)

Die 4mm Stegbreite scheinen ja die untere Grenze des Machbaren zu sein. Kann es sein, daß der S62B50 aus dem M5 E39 ebenfalls eine Stegbreite von 4mm hat? Ich meine, da mal etwas gelesen zu haben.

 

[Seewolf]

Der S54B32 gehört doch auch eher zu den sehr dünnwandigen Exemplaren wenn ich mich recht erinnere.

 

[tobbas]

Die 4mm Stegbreite scheinen ja die untere Grenze des Machbaren zu sein. Kann es sein, daß der S62B50 aus dem M5 E39 ebenfalls eine Stegbreite von 4mm hat? Ich meine, da mal etwas gelesen zu haben.

Ja, 98mm Zylinderabstand und 94mm Bohrung ergeben für den S62 auch 4mm minimale Stegbreite. Das allerdings mit einem Aluminiumkurbelgehäuse, was ohne GG-Büchsen als noch kritischer anzusehen ist.
Die 4mm im GG-Block vom S54 scheinen ja auch 2bar Aufladung standzuhalten:

 

[UnimatrixZero]

Die 4mm im GG-Block vom S54 scheinen ja auch 2bar Aufladung standzuhalten:

Die Frage ist ja, wie lange sie standhalten.

 

[T-B]

Nochmal zu den unterschiedlichen Bohrung/Hub Auslegungen zwischen Sauger/Benziner. Das leuchtet alles ein und ist nachvollziehbar.
Nur das Beispiel Porsche irritiert mich. Die bauen schon seit Jahren Hochdrehzahl und Turbo und verfeinern entsprechend immer weiter. Nur, beide haben exakt die Gleiche Bohrung/Hub, egal ob ein GTS mit 113PS/L als Sauger oder als Tubo S...
Denke selbst der GT mit seinen 9000U/min hat den gleichen Motor?
Heißt die hauen da nur zwei Turbos drauf????

Wieso? Da lägen doch entsprechend der bisherigen Logik doch noch viele Reserven, gerade beim Turbo da es ja Kurzhuber sind mit ich meine 103mm Bohrung und 77,5mm Hub...

@tobbas ?

 

[tobbas]

Das zuvor beschriebene ist jeweils die Optimallösung aus Sicht der Brennverfahrensentwicklung, um einen guten Kompromiss aus Leistungs/Drehmomentcharakteristik, Gemischbildung, Verbrennung, Klopfen, Emission, Verbrauch, Laufruhe, usw. für das jeweilige Motorkonzept (DI/PFI, Turbo/Sauger, usw.) bilden zu können; ein Kochrezept sozusagen, der optimale Sauger wird so gebaut, der optimale Turbo so.... Wie am Beispiel BMW erklärt, umfasst die Entwicklungshistorie der vergangenen Jahre Lösungen für den Sauger mit Saugrohreinspritzung bis hin zur aktuellen Lösung für die aktuellen Baukastenmotoren mit Aufladung und Direkteinspritzung, beinhalten aber auch Zwischenstufen (Entwicklungssprünge wird man selten finden). Die B-Reihe ist wie beschrieben stärker für aufgeladene Brennverfahren mit DI angepasst als zuvor, um auch bei steigenden Downsizinggrad den aufgezeigten Zielkonflikt möglichst gut lösen zu können.

Das Brennverfahren (Einspritzung, Gemischbildung, Zündung, Verbrennung - Thermodynamikl) ist allerdings nicht der einzige Entwicklungsbereich, der das Gesamtsystem Verbrennungsmotor bestimmt. Da gibts ja z.B. noch die Motormechanik oder das Packaging. Und beides hat bei Porsches Boxermotoren einen starken Einfluss auf Hub und Bohrung und damit auch auf das Brennverfahren. Zudem muss man auch berücksichtigen, dass hier bei der aktuellen Porsche 9A1 Generation beides, also Turbo und Sauger, dargestellt werden müssen, und da leidet der Sauger aufgrund des beschränkten Luftangebotes unter atmosphärischen Bedingung eher unter einer suboptimalen Lösung als das zwangsbeatmete Pendant; daher die zunächst füllungs/drehzahloptimale Konfiguration mit kurzhubigen Kurbeltrieb und viel Ventilfläche. Bei der Zylinderkopf und Ventiltriebsgestaltung (Steuerzeiten, Kanal/Ventilsitzgeometrie) kann dann auf Sauger/Turbo-spezifische Bedürfnisse (Konflikt Füllung/Ladungsbewegung/Turbulenz) wie oben beschrieben eingegangen werden, d.h. hier gibt es klare Unterschiede. Zu Motormechanik und Packaging: Boxermotoren haben für jedes Pleuel einen eigenen Hubzapfen auf der Kurbelwelle (bei V-Motoren teilen sich jeweiles 2 Pleuel einen Hubzapfen), die zusätzlichen Kurbelwangen und Lagerstellen sorgen dann für eine verhältnismäßig sehr lange Kurbelwelle. Dies führt zu großem Zylinderabstand sowie Bankversatz, man hat also auch sehr viel Platz für große Bohrungen zu Verfügung. Im Fall von Porsche beträgt der Zylinderabstand aktuell 118mm (insb. bei den hubraumschwachen Varianten ist also sehr viel 'Fleisch' um Kurbelgehäuse über)! Weil das Pleuelstangenverhältnis (=Kurbelradius/Pleuellänge~0,3=Konst.) in gewissen Grenzen eine Konstante ist, geht mit größerem Hub auch ein längeres Pleuel einher; beides führt aber zu einer größeren Blockhöhe (beim Boxer = Baubreite). Letztlich beschränkt also auch der zur Verfügung stehende Bauraum im Fahrzeug die zu verwendenden Hub- und Bohrungsmaße. Aus diesem Grund haben Porsches Boxer auch sehr kurze Pleuel (Stino-Reihenmotor >144mm, Porsche Mezger 130mm, aktuell im 9A1 140mm), für die letzte Generation wurde die Pleuellänge aber erhöht um Kolbenseitenkräfte und damit Reibung zu reduzieren. Auf Basis dieser Architektur stellt Porsche, wie es früher ja noch üblich war, mehrere Hurbraumvarianten (akt. 2,7; 3,4; 3,8) dar. Weil Emission/Verbrauch/Eignung für Aufladung usw. immer wichtiger werden, ist man bei Subaru z.B. auch von der ehemals Standard-Kurzhubauslegung für Boxer unter Anstrengung zumindst auf ein quadratisches H/B-Verhältnis gekommen (von Baurehe EJ zu FA/FB).

Bei Porsche konnte man bisher noch stark kurzhubig unterwegs sein, auch als Turbo. Find ich gut, wenn man den Motor noch Motor sein lässt damit er seinen Charakter behält und nicht von äußeren Einflüssen wie Kosten/Bauraum/Emission/Verbrauch getrieben in die Standard-Allerweltsmotor-Ecke zu all den anderen gleichgesinnten Brot-und-Butter-Triebwerken herabentwickelt, Wühltischware gibts doch schon genug im Angebot. Der 991 Turbo ist auch gar nicht mal so stark aufgeladen, der kommt auf den gleichen spezifischen Drehmomentwert wie so ein N20 und liefert diesen stationär auch erst 700 Umdrehungen später bei etwa 2000 1/min ab; dafür hat der aber zwei dicke Lader im Heck, sodass ihm obenrum nicht so sehr die Puste ausgeht und das Drehmoment beim Ausdrehen nicht so steil absinkt (noch ausgeprägter (= späteres Drehmoment, schönes Ausdrehen) z.B. im GT2 RS mit dem alten Mezger, oder dem M133 im X45 AMG, dafür dann wieder mit richtigem Turboloch). Mal sehen, wie das mit der neuen All-Turbo-Generation wird; Motorenfacelift, oder komplett neu, ich weiß es nicht.

Der Daimler ist auch so ein Beispiel dass äußere Umstände (neben den oben bereits genannten insb. hier auch Unternehmens-/Entwicklungsphilosophie ) die Optimierung des Brennverfahrens auf das Motorkonzept verhindern; der schleift diverse Maße alter Motorengenerationen trotz Einsatz neuer Technologie mit in die aktuellste. Evolution durch Detailoptimierung, keine Revolution. Der Zylinderabstand vom M113KE55 (der alte 3-Ventiler aus den 90er, später auch mit Kompressor) wurde für Nachfolger M273 (Sauger) und NachNachfolger M278 bzw. M157 (letzter für AMG, beides Aber Turbo) übernommen (jeweils auch für die V6). M273KE46 bzw. M273KE55 und M278DE46 bzw. M157DE55 im AMG haben auch über den Generationenwechsel trotz Umstieg von Saugrohr- auf Direkteinspritzung bzw. vom Sauger zum Turbo die jeweiligen Hub- und Bohrungsmaße beibehalten.

 

[T-B]

Danke!

 

[tobbas]

Bzgl. der Baubreite von Porsche Boxer-Motoren (991 Turbo):





Ich glaub die sind auch gut für ein Wallpaper.


Und bzgl. der großen Stegbreiten, großem Zylinderabstand und dem Bankversatz (2,7l-Variante):