Ein offener Brief über BMW-Diesel-Motoren

Ich arbeite sei nunmehr rund 20 Jahren für BMW in der Entwicklung von Dieselmotoren. Die Aggregate der Baureihen M47/M57 sowie deren Nachfolger N47/N57 gehören so ein wenig auch zu meinen „Kindern“, für die alleine drei Patente auf meinen Namen laufen.

Früher konnte man es sich noch leisten für fast jedes Auto einen eigenen Motor, ja fast eine eigene Motorpalette zu entwickeln. Das geht heute nicht mehr. Heute ist man auf sogenannte Gleichteile angewiesen – nur so lassen sich moderne Motoren noch halbwegs kostengünstig herstellen. BMW baut nur noch Sechszylinder mit 3 Litern Hubraum – darauf zu schließen, das damit alle Motor gleich wären, bloß weil sie den gleichen Hubraum haben, ist schon sehr eng gedacht und leider das gängige Tunerdenken.

Im Jahre 1993 begannen man mit der Entwicklung eines modernen direkteinspritzenden Dieselmotors. Dazu baut man aber nicht mehr ganze Motoren, sondern nur einen sogenannten Masterzylinder. Dieser hat für alle CR-Diesel bei BMW 84mm Bohrung und 90mm Hub. Vier dieser Zylinder ergeben den 2l Diesel, sechs davon den 3l und acht davon – wer hätte es gedacht – den V8, den es mal im 7er gab.

Ein Zylinder – Drei Ausführungen

Heute gibt es jeden dieser Zylinder für Diesel in drei Ausführungen: UL, OL und TOP:

UL steht für untere Leistung/Drehmomentanforderungen, die Kolben bestehen zum Beispiel aus einer einfachen Aluminum-Legierung, die Kurbelwelle ist einfach geschmiedet und verwendet werden Sinterpleuel. Damit kann man Leistungen bis 25kw bzw. 75Nm je Zylinder abdecken und verwendet wird diese Variante zum Beispiel x16d, x18d und x25d (außer F10 ab 2011)

OL steht für Obere Leistungs-/Drehmoment-Anforderungen, die Zylinderbahnen werden mehrfach gehohnt, es gibt geschmiedete Pleuel und die Lager der Pleuel und Kurbelwelle sind Sputterlager. Damit lassen sich Anforderungen bis zu 35kw je Zylinder oder 100Nm vertreten und verwendet wird diese Basiszylinder in den x20d, x30d.

TOP ist für Hochleistungs-Anforderungen mit einer speziell nachbehandelten KW sowie laser-bearbeiteten Zylinder-Laufbahnen. Damit ist eine Erhöhung der Nenndrehzahl sowie eine Erhöhung des Einspritzdruckes möglich. Diese Basiszylinder wird im x23d, 525d ab 2011 sowie in den x35d und x40d Modellen verwendet.
Die Motoren sind in den mechanischen Abmessungen identisch, aber nicht in Bezug auf die verwendeten Materialien:

• UL-MODELLE: (25d-6Zyl), 18d,usw.) Mahle Typserie 124, Kolben mit 0,6% CU, Magnetinjektoren
• OL-MODELLE: (20d, 30d) Mahle Typserie 148, Kolben mit 1,2% CU, Piezoinjektoren, Raildruck bis 1800 bar, Pleuel und Kurbelwellen aus anderem Material
• TOP-MODELLE: (23d, 35d, 50d) Mahle Typserie 174, div. weitere Modifikationen

Beispiel Kolben

Die Kolben des OL haben einen höheren Kupfer und einen höheren Chromanteil. Der höhere Kupferanteil sorgt für eine bessere Wärmeleitung aus dem Brennraum heraus in die Kolbenbodenkühlung. Chrom macht den Kolben bei den höheren Verbrennungsdrücken des OL stabiler.

Der Preis der Kolben unterscheidet sich beträchtlich, so dass man da jeden Cent spart.
Die beiden Hauptzuschlagsstoffe bei Kolben sind Kupfer (verbessert die Wärme-Durchleitung) und Chrom (verbessert die Festigkeit bei hohen Drücken und Temperaturen. Das dumme ist: Chrom, Kupfer und Aluminium haben so unterschiedliche Schmelzpunkte und Dichten, so dass diese drei Stoffe nicht einfach so gegossen werden können ohne sich zu entmischen.

• Der 124er ist günstiger, da er sich als einzige noch im Stempelguss-Verfahren herstellen lässt, da der Kupferanteil unter 1% liegt. Das geht mit den beiden anderen nicht mehr. Der Vorteil des Stempelgusses ist, das es keine verlorene Form gibt.
• Der 148er wird im Schleuder-Gussverfahren hergestellt. Die Produktionszeit ist länger, die Nachbereitung aufwändiger.
• Der 174er hat 2% Kupfer und 6% Chrom – das ist mit Flüssiglegieren nichts mehr. Dieser ist eine Knetlegierung und der Kolben selbst wird geschmiedet. Das macht den Kolben teuer – bei Ersatzteilen ist der Einkaufspreis aber eher sekundär, da dort die Lagerhaltungskosten über die Zeit das Problem werden.

Da die Kolben aber mechanisch identisch sind, kann als Ersatzteil für den UL auch der Kolben des OL bzw. TOP herhalten. Spart Lagerkosten und bei Ersatzteilen ist der Preis sowieso eher sekundär.
Bei den Herstellungskosten macht es aber einiges aus, wenn man es nicht nur bei den Kolben so macht.

Chiptuning am BMW Diesel.

Es ist korrekt, das der 25d über das Steuergerät gedrosselt wird, das muss man aber auch, weil die Komponenten in der verwendeten Ausführung für die Leistung und vor allem das höhere Drehmoment nicht ausgelegt sind. Nahezu alle aufgeladenen Dieselmotoren können thermisch mehr leisten als sie mechanisch vertragen – Chiptuning beruht genau darauf.

Nun kommen die Schlauberger mit ihren Chips daher, weil sie denken, dass ja alle Motoren gleich wären – haben ja auch alle die gleichen Teilenummern. Das stimmt ja Großteils auch, reduziert aber nur die Lagerhaltungskosten. In der Tat kann man den Kolben für einen 535d auch in einem 316d verwenden – passen tut er, ist halt ein wenig überdimensioniert, aber macht nichts. Dies Gleichteilepolitik ist Absicht, weil so muss ich für alle Dieselmotoren nur ein Kolbenmuster als Ersatzteil vorhalten.

Das gilt aber nicht für die Erstausrüstung, weil dort erwartet der Kunde für einen 116d eben einen günstigeren Preis als für einen 123d. Daher werden die Kolben für den 116d halt einfacher und mit weniger warmfesten (und somit auch billigeren Materialien) produziert als die für den 120d der Fall wäre.

Beim Diesel hat man das Problem, das er thermisch mehr leisten kann, als er mechanisch verträgt. Die Thermodynamik weiß nicht aus welchem Material der Kolben ist. Durch die Art der Regelung moderner Motoren reicht es aus, einfach den Ladedruck zu erhöhen. Wenn man das Ganze dann noch mit einem schönen „Theaterstück“ namens „Einzelabstimmung“ kombiniert, kann man den Kunden so richtig viel Geld aus der Tasche ziehen.

Kein Hersteller drosselt den Motor nur elektrisch

Kein Hersteller drosselt den Motor nur elektronisch. Es sind die Medien und vor allem die Tunerbrache, die dieses Gerücht verbreitet,, um den Kunden in Sicherheit zu wiegen. Die Unterschiede liegen heute nicht mehr in der Dimensionierung, sondern im Material und in den Fertigungsschritten. Gleichteilstrategie bedeutet NICHT, das die Teile exakt gleich sind, sondern in den Abmessungen und den Gewichten identisch sind, nicht aber in den thermischen Eigenschaften.

Bei der Motorfertigung wird mittels CAM gearbeitet. Die Motoren laufen hintereinander vom Band. Da kommt ein 25d und danach ein 30d und im Kolbenzulauf liegen erst 6 124er und danach 6 148er. Für Unwissende drängt sich natürlich auf, das wären alles die gleichen Teile.

Ich weiß das dieses Wissen vielen nicht gefällt, weil es eine Welt kaputt macht. Es ist die Illusion in seinem 25d doch in Wirklichkeit einen 30d zu haben und man müsse ja nur den Chip austauschen. Eine ganze Branche lebt von dieser Illusion.

Und nein, es ist in der Regel eben nicht günstiger für alles das gleiche zu verwenden. Wenn ein M148 im EK 12€ kostet, ein M124 aber nur 8€, dann sind das pro Fahrzeug nur schlappe 24€. Das macht aber bei 200.000 525ern mit 6 Zyl. schon mal 4,8 Millionen aus – und der Kolben ist nicht der einzige Unterschied. Dabei sind die 118d, und die 318d sowie der alte 325d noch gar nicht mitgerechnet.

Gleichteilstrategie bedeutet:

1. Alle Bauteile haben die gleichen Grundfertigungsschritte; Höherwertige unterscheiden sich durch ein anderes Material und weitere Fertigungsschritte. So wird die Zylinderlaufbahn bei den TOP nachträglich Lasergehärtet – würden wir nicht machen, wenn es nicht notwendig wäre, wird beim UL und beim OL auch nicht gemacht.
   Alle Bauteile können mit den gleichen Werkzeugen gewartet werden.
2. Beim Austausch in der Werkstatt gibt es keine Verwechselungsgefahr mehr – es gibt nur einen Kolben im Austausch

Das machen nicht nur die KFZ-Hersteller so – zum Beispiel auch Bosch bei seinen Maschinen. Dort gibt es die Grüne Serie (Heimwerker) und die Blaue Serie (Profis). Auch hier – außer dem Gehäuse kein sichtbarer Unterschied.

Beispiel Einhand-Winkelschleifer:

• Anderes Gußmaterial des Gehäuses
• Anderes Härteverfahren des Getriebes
• Drahtlack der Wicklung des Elektromotor ist härter, wird nicht so schnell brüchig
• Schalter ist für mehr Schaltzyklen ausgelegt
• Anderes Kabelmaterial (dicker, wird nicht so schnell brüchig)
• Geänderter Überlastschutz

Dieses Konzept, dass durch CAM möglich geworden ist, ermöglicht es den Herstellern einen Entwurf für eine Vielzahl von Motormodellen zu verwenden. Die Leistungsteuerung erfolgt über die Elektronik um zu verhindern, dass der Motor mit den einfachen Komponenten nicht überbeansprucht wird. Durch Aufladung kann man dem Motor fast jede Leistung verpassen – nur verträgt er es eben nicht zwangsläufig. Wenn du also der Meinung bist, das selbst ein 118i mit 170PS noch mehr könnte, nur die Deppen von BMW schaffen nicht mehr rauszuholen, dann lass dir einen schönen Gruß von einem Deppen vermitteln: Ein 118i ist für 300+ PS gut und das unter voller Einhaltung der Abgaswerte – nur macht er das halt nicht lange mit.

Grundsätzliches

Grundsätzlich gilt im Automobilbau (und nicht nur da): Es ist nicht alles so wie es scheint.

Wenn irgendwo ein Euro eingespart werden kann, wird man es machen. Gerade im Bereich KFZ-Technik wird seitens der Medien und in Teilen auch der Fachliteratur vieles inkorrekt dargestellt – man tut gut daran sich bedeckt zu halten, denn man verdient gut damit.

Diese Aussage „wie lang hält ein gechippter Motor“ ist nicht in km zu treffen, da ein Motor den Begriff der km nicht kennt. Wird der M124 mit dem Leistungniveau eines 30d betrieben, diese Leistung jedoch nie oder kaum abgefordert, verändert sich die prognostizierte Lebenserwartung kein Stück. Wird jedoch die Leistung des Öfteren abgefordert, kommt es mit der Zeit zu Gefügeveränderungen. Je nach Umgebungsbedingungen und Charakteristik der Abforderung kann es nach wenigen Minuten einen Schlag geben, oder erst nach 1000 Betriebsstunden.

Kolbenbelastung

Die maximale Belastung für den Kolben entsteht im Bereich des maximalen Drehmomentes und somit des höchsten Mitteldruckes. Hier ist insbesondere der Wärmeübergangswert von Bedeutung. Im Gegensatz zu einem Benziner hat der Diesel einen erheblich höheren Wärmedurchgang durch den Kolben, der dann durch die Spritzölkühlung abgeführt wird.

Der Mitteldruck des UL liegt bei 15 Bar, die des OL bei 18 Bar und die des TOP bei 21 Bar. Viel wichtiger ist jedoch der Wärmedurchgang. Dieser liegt beim OL 40% und beim TOP 57% über dem des UL. Bei maximaler Lastanforderung eines auf 30d geschippten 25d muss dies der 124er mit einem um 40% höheren Wärmedurchgang kompensieren. Bedingt durch die Gesetze des Wärmegefälles schafft er das nur bei einer – bezogen auf Kelvin – 6% höheren Temperatur. Damit geht aber ein um rund 18% höherer Festigkeitsverlust einher. Dies wirkt umso kritischer, weil ihm auch der höhere festigkeitssteigernde Chromanteil fehlt. Dies schwächt die Gefügestruktur des Kolbens und eines Tages, der Fahrer fährt unter hoher Last auf der AB, geht vom Gas weil einer vor seiner Nase rauszieht um dann wieder Vollgas zu geben, tut es einen Schlag.

Die thermische Kapazität ist erschöpft, der Kolben durch Betrieb im Überlastbereich geschwächt, bricht er nur im Feuersteg durch – Motorschaden ist die Folge.

Temperaturen im Motor

Bei der Verbrennung im Motor entstehen Temperaturen bis zu 2000°C – Aluminium schmilzt aber schon bei 660°C.

Eigentlich müsste ja der Kolben flüssig werden – wird er aber nicht, weil die Verbrennung beim Diesel nur 45-90°kw dauert und er sich die restlichen 630-675°kw ausruhen kann. Ab 400°C verliert Aluminium erheblich an Festigkeit, also muss die Kolbenbetriebstemperatur unter 400°C gehalten werden. Der Kolben ist nun 300°C heiß und es kommt die Verbrennung. Der Kolbenboden heizt sich auf 380°C auf und nun muss er es schaffen, in 630°kw wieder auf 300°C herunterzukommen. In dieser Zeit muss der Kolbenboden diese Wärme nach unten an die Spritzölkühlung weitergeben. Wie stark sich der Kolben aufheizt, hängt von der Intensität der Verbrennung ab – sie ist bei Volllast und maximalen Drehmoment an höchsten. Der OL hat eine intensivere Verbrennung und er heizt den Kolben nicht mehr um 80° auf, sondern um 120°. Damit wäre der Kolben 420° nach Brennschluss heiß.

Probleme

Das führt zu zwei Problemen: Erstens verlasse ich den Bereich der hohen Festigkeit von Aluminium und zweites reicht nun die Zeit von 630kw nicht mehr aus, um 120° abzubauen, weil der Wärmeübergang von Aluminium einfach zu langsam ist. Deswegen macht man beim OL folgendes: Man erhöht den Kupferanteil. Kupfer ist einer der besten Wärmeleiter und so schafft man es bei 4000 Umdrehungen nicht nur 80°, sondern 120° ans Öl abzugeben. Zweitens gibt man Chrom hinzu, was dem Kolben ermöglicht bei 420°C eine höhere Festigkeit zu haben als beim UL-Kolben – die braucht man auch, weil mehr Kraft entsteht.

Man kann also sagen, die stärkeren Motoren haben nicht nur druckfestere, sondern auch „schnellere“ Legierungen … (!)

Folgen des Chiptunings

Wir sind es dann, die die Folgen des Chiptunings ausbaden dürfen. Zu uns kommt man, wenn bestimmte Probleme gehäuft auftreten. Dazu gehören defekte Turbos, abgerissene Ventile, verbrannte AGR-Ventile, durchgebrannte Kolben, defekte Injektoren. Zu uns kommen die Beschwerden der Kunden und des Managements (um den Ruf besorgt) und die defekten Aggregate, bei denen wir immer wieder feststellen müssen, das nachträgliche Eingriffe in die Elektronik die Ursache waren. Zugegeben wird das nur selten – lieber schimpft man über BMW und die mangelhafte Qualitität.

Schäden durch Chiptuning

Was die Schäden betrifft: Die meisten treten erst einige Zeit nach dem Tuning auf. In der Regel nach 50.000 bis 80.000 km kommt es zu Problemen. Viele besitzen das Fahrzeug dann schon gar nicht mehr und der Nachbesitzer weiß oftmals gar nichts von seinem Glück. Und dann wird bei vielen Schäden erst einmal in die Werkstatt gefahren und die tauschen einfach aus. Dass die Ursache im Chip liegen könnte, darauf kommen viele nicht – der Tuner hat ja gesagt, es macht ja nichts aus.

Und sehr gerne wird dann seitens der Tuner (und nicht nur denen) verbreitet, bestimmte Komponenten seien ein Verschleißteil – z.B. der Turbolader. Das ist er aber nicht! Turbos gehen durch Chiptuning oder falsche Handhabe kaputt. Früher, als Turbos die absolute Ausnahme waren, wusste jeder, das man ein Fahrzeug mit Turbomotor nach dem Kaltstart am besten erst einmal im Standgas losfährt und die ersten 500m eher schleicht als fährt, um zu verhindern, dass der noch kalte Turbo mit einer zu hohen Abgastemperatur konfrontiert wird. Ist auch der Grund, warum viele, die einen Turboschaden haben, oftmals nicht nur einen haben.

Kundensicht Chiptuning

Ich kann es aus Kundensicht verstehen. Da kommt jemand her und baut etwas ein, was dem Motor ohne sonstiges zutun eine ordentliche Ladung mehr Leistung spendiert. Man sieht nichts, man spürt es nur. Mit dem Wissen im Hintergrund, es seien ja alle Motoren gleich, denkt man sich, es kann ja nichts ausmachen. Die Tuner tun mit ihrer Argumentation ihr übriges – kein Tuner wird die von Schäden berichten, es ist ja schließlich sein Geschäft und eine Aussage, dass noch nie einer wegen Schäden angerufen hätte – obwohl man gerade drei Klagen am Hals hat – ist auch völlig normal.

Mit dem Chiptuning ist es wie mit dem Rauchen. Der Zigarettenhersteller wird dir niemals sagen, das Rauchen Lungenkrebs verursacht. Die Raucher argumentieren, dass sie Leute kennen, die haben ein Leben lang geraucht und sind 80 Jahre alt geworden. Ist das der Beweis, das Rauchen nicht ungesund ist? Und auch hier: Die Behandlung von Raucherkrankheiten ist ein ganz dickes Geschäft.

Damit also der UL nicht überlastet wird, muss die Elektronik ihn so ansteuern, das er eben nicht mehr als 25kw je Liter leistet. Und genau dieses Schutz bauen die Chiptuner für viel Geld aus und verbreiten – um ihr Geschäft zu rechtfertigen – das Gerücht der Abzocke seitens der Hersteller. Die Mühe, Leuten wir dir das hier zu erklären, macht sich BMW und alle anderen Hersteller nicht mehr, weil es den Leuten zu kompliziert ist. Die Leute wollen einfache Erklärungen und bloss keine, die ihnen ihre rosarote Brille absetzt.

Wenn also Chiptuning dem Motor nicht schadet, warum müssen dann die Chiptuner überhaupt Garantien geben. Warum sind Taxen, Fahrzeuge für Vermietung,

Kurierfahrzeuge und Fahrzeuge für sportlichen Einsatz von der Garantie ausgeschlossen. Also alle Fahrzeuge, bei denen bekannt ist, dass sie hohe Laufleistungen erreichen werden.

Der gechippte Golf von Hänschen Müller, der im Jahr auf 15.000km kommt, hält die nächsten drei Jahre oder 45.000km gut durch. Dann kommen Defekte wie Injektoren oder Turbolader oder eben geschmolzene Kolben und man schimpft über den Hersteller, was das doch für eine miese Qualität sei. Die Foren sind voll von solchen Berichten. Klar – wer schreibt hier schon, wenn er keine Probleme hat.

GILT FÜR ALLE!
O.a. Aussagen gelten wohl für jeden KFZ-Hersteller, ich persönlich kenne keinen der entsprechend nicht eine derartige Gleichteilstrategie fährt.