BMW M4 MotoGP Safety Car 2015: Mit Wasser noch mehr Power

Das ist mehr als ein Safety Car, sondern ein konkreter Ausblick auf ein neues Serienmodell: Wie bereits im vergangenen Jahr führt das BMW M4 Coupé auch in der Saison 2015 die „Safety Car“-Flotte in der MotoGP (höchste Rennklasse innerhalb der FIM-Motorrad-Weltmeisterschaft) an. Doch dieser BMW M4 besitzt bereits eine wegweisende Technik an Bord, die für ein spürbares Leistungsplus und selbst bei Volllast für weniger Spritverbrauch sorgt.

So viel PS und so wenig Verbrauch leistet die neue Technik

Das neue M-Automobil soll in naher Zukunft eine neue Benchmark bei Performance und Exklusivität setzen. Dafür sorgt insbesondere eine innovative Wassereinspritzung, die sowohl auf der Rennstrecke wie auch im Alltag relevante Vorteile bietet. Mit der Wassereinspritzung lassen sich thermisch bedingte Leistungsgrenzen nach oben verschieben. Nach intensiver Erprobung im Rahmen der MotoGP-Weltmeisterschaft wird die Wassereinspritzung in einem BMW M-Serienmodell zum Einsatz gelangen. Das dürfte der BMW M2 oder ein Sondermodell des BMW M4 sein.

In der Serie leistet der 3,0 Liter große Reihen-Sechszylinder dank der Zwangsbeatmung durch zwei Abgasturbolader bereits satte 431 PS. Das maximale Drehmoment von 550 Nm liegt von 1.850 bis 5.500 U/min an. Das reicht in Kombination mit dem 7-Gang-Doppelkupplungsgetriebe für den Spurt von 0 auf Tempo 100 in nur 4,1 Sekunden. Die Top-Speed liegt bei elektronisch begrenzten 250 km/h.

Im neuen BMW M4 MotoGP Safety Car mobilisiert das Triebwerk jedoch dank der neuen Wassereinspritzung starke 465 PS. Der im Idealfall durchschnittliche Spritverbrauch soll sich sogar von 8,3 auf nur 7,6 Liter pro 100 Kilometer reduzieren.

Aufwändiges Kühlsystem für maximale Performance im BMW M4 der MotoGP

Schon bislang stellte das hohe Leistungspotenzial des aufgeladenen Reihen-Sechszylinders besonders hohe Anforderungen an das Temperaturmanagement des Motors und seiner Nebenaggregate. Um stets die optimalen Betriebstemperaturen zu gewährleisten, setzt die BMW M GmbH daher auf ein ebenso innovatives wie effektives Kühlsystem. Neben dem Hauptkühler sorgen zusätzliche Kühler für den Hoch- und Niedertemperaturkreislauf sowie für Getriebe und Turbolader für einen ausgeglichenen Temperaturhaushalt. Die Kühlung der durch den Turbolader erhitzten Ansaugluft erfolgt über eine indirekte Ladeluftkühlung und wird von einer zusätzlichen elektrischen Wasserpumpe unterstützt.

Eine Leistungssteigerung, wie sie jetzt im BMW M4 MotoGP Safety Car realisiert wird, stellt nochmals höhere Anforderungen an die thermischen Qualitäten des Turbomotors, insbesondere an die Kühlung der Ladeluft. Mit der innovativen Wassereinspritzung konnte diese Herausforderung gemeistert werden. Neben einem deutlichen Leistungsplus zeichnet sich das High-Performance-Triebwerk durch hervorragende Volllastverbrauchs- und Emissionswerte aus.

Nach intensiver Erprobung im Rahmen der MotoGP-Weltmeisterschaft wird die Wassereinspritzung in naher Zukunft ebenfalls in einem BMW M-Serienmodell zum Einsatz gelangen. Auf diese Weise erhalten Kunden der BMW M GmbH die Gelegenheit, eine exklusive Hochleistungstechnologie zu nutzen, welche direkt von der Rennstrecke stammt und sich ebenso auf der Straße durch deutliche Leistungsvorteile sowie uneingeschränkte Alltagstauglichkeit auszeichnet.

Wassereinspritzung im BMW M4 MotoGP Safety Car: So funktioniert es

Mit der von der BMW M GmbH im Safety Car eingesetzten Wassereinspritzung gelang es den Machern, Leistung und Verbrauch bei Volllast weiter zu optimieren. Dabei nutzen die Ingenieure den physikalischen Effekt des Wassers, beim Verdampfen die hierfür erforderliche Energie aus dem Umgebungsmedium zu ziehen.

Indem Wasser als feiner Sprühnebel in den Sammler des Saugmoduls eingespritzt wird, sorgt es beim Verdampfen für eine signifikante Abkühlung der Ansaugluft. In der Folge sinkt die Verdichtungsendtemperatur im Brennraum und damit die Klopfneigung, so dass sich der Turbomotor mit einem höheren Ladedruck und einem früheren Zündzeitpunkt betreiben lässt. Die geringeren Prozesstemperaturen reduzieren zudem die Entstehung von Schadstoffen, insbesondere die von Stickoxiden (NOX).

Die günstigen Effekte der Wassereinspritzung lassen sich je nach Motor und Fahrzeugkonzept auf unterschiedliche Weise nutzen. In einem vergleichsweise breiten Spektrum steht es den Ingenieuren somit frei, inwiefern sie das Triebwerk in Richtung Leistung oder in Richtung Verbrauch optimieren möchten.

So lässt sich bei einem Turbomotor an der Volllast, dessen Turbolader bei Nennleistung seine Maximaldrehzahl erreicht, durch zusätzliche Wassereinspritzung eine Leistungssteigerung und Verbrauchsreduzierung von jeweils rund acht Prozent erzielen. Zugleich werden Leistungsverluste infolge steigender Umgebungstemperaturen (> 20 °C) durch Erhöhung der Wassereinspritzmenge kompensiert. Und schließlich: Statt mehr Leistung kann die Wassereinspritzung sogar gezielt auf Verbrauchsreduzierung ausgelegt werden, was im Volllastbereich weitere Einsparungen ermöglicht.

Auflösung eines Zielkonflikts

Die erzielbare Leistung eines Verbrennungsmotors ist nicht zuletzt durch die Prozesstemperatur im Verbrennungsraum begrenzt. Wird diese Temperatur überschritten, kommt es zu einer unkontrollierten Verbrennung (Klopfen) und damit zu Leistungsverlusten, im schlimmsten Fall zu kapitalen Motorschäden. Dies ist besonders bei aufgeladenen Motoren von Bedeutung, da die Ansaugluft bereits im Verdichter des Turboladers stark aufgeheizt wird. Zwar sorgt ein Ladeluftkühler für die notwendige Absenkung der Temperatur, doch seine Leistungsfähigkeit stößt durchaus an physikalische Grenzen.

Die Ausweitung der Klopfgrenze durch die Wassereinspritzung hilft zudem, einen bekannten Zielkonflikt bei der Auslegung leistungsstarker Motoren weitgehend aufzulösen. Leistung und Verbrauch werden nämlich nicht zuletzt vom Verdichtungsverhältnis bestimmt. Das gilt auch und gerade für hoch aufgeladene Turbomotoren wie den BMW M TwinPower Turbo Reihen-Sechszylinder, der dank hoher Verdichtung besonders im Teillastbereich mit einem hohen Wirkungsgrad und niedrigen Verbrauchswerten punkten kann. Das maximale Verdichtungsverhältnis wird jedoch durch die Klopfneigung an der Volllast begrenzt.

Folglich bringt die Wassereinspritzung hier echte Vorteile, weil sie die Klopfneigung zugunsten einer höheren Verdichtung nach oben verschiebt. So lässt sich der Turbomotor über weite Bereiche in leistungsoptimierten Betriebspunkten halten. Das Potenzial der Technologie steigt umso mehr, je geringer die Oktanzahl des verwendeten Kraftstoffs ist. Da Benzin mit ROZ 98 weltweit nicht flächendeckend zur Verfügung steht, hilft die Wassereinspritzung, mit Super E10 (ROZ 95) das Maximum in puncto Leistung und Verbrauch aus einem Motor herauszuholen.

Umsetzung im BMW M4 MotoGP Safety Car

Bei der Platzierung der Wasserinjektoren entschieden sich die Ingenieure der BMW M GmbH für ein Layout mit drei Einspritzventilen im Luftsammler, die jeweils zwei Zylinder des Reihen-Sechszylinders versorgen. Im Kofferraum des BMW M4 MotoGP Safety Car befindet sich außerdem ein Wassertank mit rund fünf Litern Bruttovolumen, der die Wasserpumpe, Sensoren und Ventile beherbergt.

Die Ansteuerung der Pumpe und der kompletten Sensorik und Aktuatorik erfolgt durch die entsprechend erweiterte Motor-Elektronik. Im harten Rennstreckeneinsatz ist ein Nachfüllen des Wasservorrats immer dann erforderlich, wenn auch Kraftstoff getankt werden muss. Im Normalbetrieb sind die Intervalle je nach Fahrstil deutlich länger. Selbst bei schneller Autobahnfahrt reicht es aus, den Wasserbehälter bei etwa jedem fünften Tankstopp aufzufüllen. Im Sinne maximaler Praxistauglichkeit erfordert das System keinen zusätzlichen Wartungsaufwand.

Aus Sicherheitsgründen arbeitet die Wassereinspritzung mit einer aufwändigen Selbstdiagnose. Bei leerem Wassertank oder einer Fehlfunktion des Systems sorgen entsprechende Maßnahmen für den Schutz des Triebwerks. Ladedruck und Zündzeitpunkt werden zurückgenommen, so dass der Motor uneingeschränkt mit reduzierter Leistung weiter fährt. Doch auch im Regelbetrieb stellen diverse Maßnahmen die Funktionsbereitschaft sicher. Nach jedem Abschalten des Motors wird das Wasser aus dem Leitungssystem zurück in den Tank gefördert, um ein Vereisen der Systemkomponenten bei Minusgraden zu verhindern. Den Wassertank selbst brachten die Macher ebenfalls frostsicher unter.