Der BMW M50 ist ein Reihensechszylinder-Ottomotor des Automobilherstellers BMW und wurde Ende 1989 als Nachfolger der BMW M20-Motorenfamilie und Erbe der BMW M30-Motorenfamilie vorgestellt. Er kam als erstes im „Fünfer“ (Modellreihe E34) und dann im „Dreier“ (Modellreihe E36) zum Einsatz. Er wurde weltweit mit einem Hubraum von 2,0 oder 2,5 Litern (mit 150 bzw. 192 PS) im BMW E36 und BMW E34 verwendet.
Mit dem BMW M50 löste eine neue Motorengeneration den BMW M20 nach gut zwölfjähriger Bauzeit ab. Konstruktive Neuerungen gegenüber dem M20 waren Vierventiltechnik, Steuerkette sowie Hydrostößel, die das regelmäßige Prüfen/Einstellen des Ventilspiels überflüssig machen.
Im Februar 1990 begann die Serienproduktion im BMW-Motorenwerk Steyr. Die Pressevorstellung der neuen Motorengeneration erfolgte Ende Februar 1990 im BMW-Werk Landshut, von Mai 1990 an wurden die Modelle BMW 520i und BMW 525i mit den M50-Motoren ausgestattet. Die Motoren wurden bis 1995 im BMW E36 und bis Mitte 1996 im Fünfer-Touring BMW E34 verwendet. Insgesamt wurden vom BMW M50 943.795 Einheiten produziert.
Basierend auf dem Konstruktionsprinzip des M50 entwickelte die BMW M-GmbH die Sportmotorenserie S50 mit 3 und 3,2 Liter Hubraum. Diese Triebwerke kamen u. a. im BMW E36 M3 und BMW Z3 M zum Einsatz.
Entwicklungsziele Die Entwicklungsziele für den BMW M50 waren anspruchsvolle Drehmoment- und Leistungswerte bei Auslegungskraftstoff mit ROZ 95, hohe Qualität und Lebensdauer bei gesteigerter Wartungs- und Servicefreundlichkeit, Beibehaltung und Kultivierung des bekannt guten Laufverhaltens und der Motorakustik in Verbindung mit hoher Wirtschaftlichkeit des Triebwerks.
Nach der Vorstellung des 1,8-l-Vierzylinder-Vierventilmotors (BMW M42) im September 1989 sollten die 2,0- und 2,5-l-Sechszylinder-Vierventilmotoren das gleiche Zylinderkopfkonzept mit zwei Nockenwellen, Tassenstößelsteuerung mit integriertem hydraulischen Ventilspielausgleich und ruhender Zündspannungsverteilung mit im Zylinderkopf integrierten Zündspulen aufweisen.
Konstruktion / Mechanik Grundtriebwerk So wie beim Vorgänger BMW M20 wurde mit 91 mm ein kleinerer Zylinderabstand als beim BMW M30 (100 mm) gewählt, womit das Kurbelgehäuse des BMW M50 die gleichen Außenabmessungen wie das Vorgängerbauteil aufweist. Die Hauptabmessungen von Zylinderkurbelgehäuse und Gesamtmotor sind somit vergleichsweise kompakt und erlaubten den Einbau des Triebwerks in alle damaligen BMW-Fahrzeugbaureihen.
Das Kurbelgehäuse besteht aus perlitischem Grauguss, was im Hinblick auf Festigkeit, Dämpfungsverhalten und Korrosion Vorteile bringt. Der 2,0-l-Motor hat mit freistehenden Buchsen eine Bohrung von 80 mm, der 2,5-l-Motor mit zusammengegossenen Buchsen eine Bohrung von 84 mm. Durch das Herunterziehen des Ölwannenflansches um 60 mm unter die Kurbelwellenmitte wurde die untere Motorpartie besonders versteift. Durch Leichtguss konnte ein Kurbelgehäusegewicht von 48 kg erreicht werden.
Das Motorgewicht nach DIN 70 020-A beträgt für beide Hubraumvarianten nur 194 kg – und das trotz der zum BMW M20 aufwendigeren Konstruktion mit Vierventiltechnik, Topfschwungrad und Keilrippenriemenantrieb der Nebenaggregate. Die nur 12 kg Mehrgewicht gegenüber dem Vorgängermodell konnten durch konstruktiven Leichtbau unter Einsatz von FEM und CAD erreicht werden.
Die Ölwanne ist einteilig und besteht aus einer Aluminiumlegierung, die in Druckgusstechnik verarbeitet wird. Mit einer in die Ölwanne integrierten Schale wird die untere Getriebeglockenhälfte zusätzlich mit dem Motor-Getriebe-Aggregat zur Verbesserung der Gesamtsteifigkeit verschraubt. Im Ölsumpf angeordnet ist eine Duocentric-Ölpumpe, d. h. eine geregelte Zahnradpumpe, die über eine einreihige Kette von der Kurbelwelle angetrieben wird. Im Schmiersystem befinden sich 5,8 l Öl, wobei der Öldruck im System auf 4 bar geregelt wird.
Die Kurbelwellen mit einem Hub von 66 mm (2,0 l) und 75 mm (2,5 l) wurden in Sphäroguss hergestellt. Die Hauptlagerdurchmesser betragen 60 mm, die Pleuellagerdurchmesser 45 mm. Diese Abmessungen führten bei beiden Kurbelwellen zu einer sehr großen Überdeckung zwischen Haupt- und Pleuellagerzapfen und somit zu einer hohen Steifigkeit der Kurbelwellen.
Die Schmiedepleuel aus C45 wurden einheitlich mit 135 mm Länge ausgeführt, was die Nutzung der bestehenden Fertigungsanlagen erlaubte. Durch Taillierung des Pleuelschaftes konnte eine Gewichtsreduzierung erreicht und gleichzeitig die Betriebsfestigkeit gesteigert werden.
Die Leichtbaukolben mit 9 mm hohen Feuerstegen sind über 22 mm starke Kolbenbolzen mit den Pleueln verbunden. Unter anderem dem unterschiedlichen Verdichtungsverhältnis geschuldet sind die verschiedenen Ausführungen der Kolben: Der 2,0-l-Motor (ε=10,5) hat Flachkolben ohne Mulde, der 2,5-l-Motor (ε=10,0) ist mit einer zentrische Kugelkalottenmulde mit ca. 4 mm Tiefe versehen. In den Kolben sind vier Ventiltaschen, je zwei für Ein- und Auslassventile. Die Kolbenböden werden durch Spritzöldüsen gekühlt, die im Kurbelgehäuse bei den Kurbelwellenlagerstöcken angeordnet sind.
Daten der Kolbenringe: Oberer Kompressionsring: Rechteckring, chrombeschichtet, 1,5 mm hoch Unterer Kompressionsring: Nasenminutenring, 1,75 mm hoch Ölabstreifring: sog. Ölschlitzring mit Schlauchfeder, 3 mm hoch
Zylinderkopf Aufbau Beim BMW M50 wurde erstmals die Vierventiltechnik für die Sechszylinder-Großserie eingesetzt. Für den BMW M50 wurde ein völlig neuer DOHC-Querstrom-Zylinderkopf mit 4 Ventilen pro Zylinder entwickelt.
Die Ventile werden mittels zweier Nockenwellen mit Tassenstößeln mit hydraulischem Ventilspielausgleich (HVA) betätigt. Die beiden obenliegenden, hohlgegossenen Nockenwellen aus Schalenhartguss sind siebenfach gelagert, was für hohe Steifigkeit zwischen je zwei Nocken sorgt. Bei eingebauten Nockenwellen ist die Zugänglichkeit zu den Zylinderkopfschrauben gewährleistet. Die Nockenwellen werden durch zwei Einfachrollen-Ketten angetrieben: Hauptantrieb (Primärkette): Von der Kurbelwelle zur Auslassnockenwelle mit Führungsschiene im gezogenen Kettentrum; hydraulisch gedämpfte Spannschiene. Nebenantrieb (Sekundärkette): Von Auslass- zu Einlassnockenwelle; Führungsschiene und hydraulisch gedämpfter Spanner.
Der Einsatz der 4-Ventil-Technik erlaubte eine Reduktion der Ventilabmessungen im Vergleich zum BMW M20, wobei die Ventilteller im Bohrungsmaß der Zylinder untergebracht sind. Kleinere Ventile sorgen für eine bessere Wärmeabfuhr und damit Haltbarkeit und führen zu verringerten bewegten Massen, was wiederum zu reduzierten Schließkräften der Ventilfedern führt. Die geringeren Ventilmassen ermöglichen eine exakte Ventilsteuerung – selbst in hohen Drehzahlbereichen.
Die Zylinderkopfhaube aus Mg-Druckguss ist akustisch vom Zylinderkopf mittels einer großvolumigen Gummiprofildichtung und Gummielementen an den Befestigungsschrauben abgekoppelt. Die elektrische Ankopplung erfolgt mittels Masseband. Die Einzelzündspulen werden durch eine Kunststoffabdeckung gegen Schmutz und Spritzwasser geschützt. Der Deckel des Kettentriebs besteht aus Aluminium-Druckguss; für die Motorenentlüftung stellt er den Druckausgleich zwischen Kurbelraum und Ölraum im Zylinderkopf sicher.
Ladungswechsel Die 4-Ventil-Technik erlaubt durch den insgesamt größeren Querschnitt der Ein- und Auslassöffnungen besonders günstige Strömungsverhältnisse des angesaugten Luft-Kraftstoff-Gemischs und der Verbrennungsgase. Durch Optimierung der Längen und Querschnitte des gesamten Luftwechseltraktes auf der Ansaug- und Abgasseite wurde ein hoher Füllungsgrad erreicht – die wesentliche Voraussetzung für hohe Leistungs- und Drehmomentwerte über einen weiten Drehzahlbereich.
Sehr kleine Ventilwinkel (einlassseitig 20° 15', auslassseitig 19° 15') ermöglichen einen flachen Brennraum mit der Konzentration des Brennvolumens um die zentral angeordnete Zündkerze – symmetrisch angeordnet zwischen den Ventilen. Ein kompakter Brennraum mit kleinem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ergibt durch günstige Verbrennungsbedingungen aufgrund kurzer Brennwege und geringer Wandwärmeverluste einen guten thermischen Wirkungsgrad und ausgewogene Emissionen.
Die gleichmäßig langen Flammenwege ermöglichen eine schnellere und weniger klopfgefährdete Verbrennung des Gemisches. Die geringe Klopfneigung des 4-Ventil-Motors erlaubt eine Anhebung des Verdichtungsverhältnisses. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads Erhöhung des Drehmoments und verbesserter Drehmomentverlauf Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und optimierte Emissionen.
Zusammengefasst sind die wesentlichen Vorteile der 4-Ventil-Technik: Geringere Gaswechselarbeit, ideale Zündkerzenlage und kleinere bewegte Massen pro Ventil.
Die Kunststoffsauganlage wurde mit kurzen Rohren gleicher Länge unter Berücksichtigung des Brennraums so ausgelegt, dass eine hohe Dynamik im Drehzahlbereich zwischen 4000 und 6000 min−1 entsteht. Die strömungsgünstigen Einläufe in die Saugrohre und die glatte Oberfläche verringern die Verluste. Für Gemischbildung und Ladungswechsel erwies es sich als vorteilhaft, die Einlasskanäle erst kurz vor dem Zylindereintritt zu trennen, wobei die Kanäle so groß ausgeführt sind, dass sich auch bei maximaler Ventilöffnung keine Kanalengstelle ergibt. Die einteilige Sauganlage wird als Kunststoffspritzteil im Kernausschmelzverfahren hergestellt (gemeinsame Bauteilentwicklung von BMW, BASF sowie Mann+Hummel), wobei dieses Verfahren erstmals in einer Großserie eingesetzt wurde. Die Sauganlage aus glasfaserverstärktem, wärmestabilisiertem Polyamid (Handelsname: Ultramid) verfügt über die notwendige mechanische Festigkeit, Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit, selbst über 130 °C.
Niedriger Gegendruck und günstiges dynamisches Verhalten waren die wesentlichen Auslegungskriterien für die Auspuffanlage. Durch entsprechende Dimensionierung von Rohr- und Katalysatorquerschnitten sowie der Schalldämpfervolumina wurde die erste Vorgabe erreicht. Ein günstiges dynamisches Verhalten und damit gute Drehmomentabgabe im mittleren Drehzahlbereich wurde durch möglichst lange, getrennte vordere Auspuffrohre bis zur Durchmischungsstrecke vor dem Katalysator erzielt.
Die optimierte Gestaltung der Ansaug- und Auspuffseite erlaubte die Festlegung von verhältnismäßig kurzen Steuerzeiten (Öffnungswinkel: Einlassseite 240°, Auslassseite 228°). Die kurze Einlasssteuerzeit mit frühem Einlassschluss ergibt eine hohe Füllung im unteren und mittleren Drehzahlbereich, die kurze Auslasssteuerzeit unterstützt die hohe Drehmomentausbeute im mittleren Drehzahlbereich.
Daten Zylinderkopf Motor Ø Einlassventil Ø Auslassventil Einlass öffnet Einlass schließt Auslass öffnet Auslass schließt M50B20 2 × 30,0 mm 2 × 27,0 mm 24°KW vor OT 36°KW nach UT 38°KW vor UT 10°KW nach OT M50B25 2 × 33,0 mm 2 × 30,5 mm 19°KW vor OT 41°KW nach UT 35°KW vor UT 13°KW nach OT
Motorsteuerung, Zündanlage und Einspritzanlage Die Motorsteuerung, d. h. die Zündungs- und Gemischregelung, erfolgte erstmals mit der Motorelektronik M 3.1 (DME M3.1).
Die damit mögliche vollsequentielle Einspritzung (SEFI = engl. Sequential Electronic Fuel Injection, sequentielle Mehrpunkt-Saugrohreinspritzung, d. h. eine zylinderselektive Ansteuerung jeder einzelnen Einspritzdüse bzw. Zylinders) ergab einige Vorteile: gleiche Gemischbildungsbedingungen für alle Zylinder Anpassung des Einspritzzeitpunktes an den Motorbetriebszustand (Drehzahl, Last, Temperatur) Einspritzzeit-Aktualisierung zylinderzugeordnet (Einspritzzeitverkürzung/-verlängerung, Nachspritzer) Diagnose der Einspritzventile möglich Zylinderselektive Abschaltung möglich
Neuerungen der Motorelektronik (DME M3.1)