Dla inżynierów BMW M GmbH inspiracją do budowy silnika S85 był silnik zespołu BMW Williams F1 osiągający ponad 18tys. obr./min. Jednostka ta miała jednak czerpać jak najwięcej z dotychczasowych rozwiązań stosowanych w modelach serii M, aby mogła być wykorzystywana w cywilnym samochodzie drogowym.
Wysokoobrotowy silnik rodem z Formuły 1
Nie trudno jednak dostrzec, jak wielki wpływ na jej konstrukcję, wywarła jednostka z Formuły 1. Kadłub silnika oraz jego obie głowice, wytwarzane były w odlewni metali lekkich BMW w Landshut tej samej, w której produkowane były kadłuby do silników bolidów F1. Wysokoobrotowy charakter silnika również przywodzi na myśl jednostki z F1. Moc maksymalna 507 koni mechanicznych osiągana jest przy 7750 obr./min a odcięcie paliwa następuje dopiero przy 8250obr./min. Tak wysokie parametry niemieckiej jednostki napędowej wymuszają zastosowanie w niej wysokiej jakości materiałów. Dlaczego? Przy 8000obr./min. każdy tłok pokonuje dystans ok. 20 metrów na sekundę . Dla porównania w dziesięciocylindrowym silniku zespołu F1 BMW Williams, przy 18 tys.obr./min. każdy tłok pokonywał dystans 25 metrów na sekundę. Aby zwiększyć trwałość silnika i przystosować go w ten sposób do codziennego użytku, inżynierowie zastosowali w nim nowoczesne, jak na początek XXI wieku, rozwiązania techniczne.
Zobacz też: Silnik 4,4l Twin Turbo w BMW M5 - jak działa?
Silnik S85: nowatorski materiał kadłuba
Silnik zbudowano z dwóch, połączonych ze sobą pod kątem 90°, pięciocylindrowych głowic, przesuniętych względem siebie o 17mm. Taki ich układ zapewnia doskonałe wyważenie silnika i eliminuje do minimum jego wibracje (istotne z punktu widzenia komfortu kierowcy jak i stabilności podzespołów). Tłoki wykonane z aluminium i pokryte stalowa powłoką, poruszają się na kutych korbowodach. Zawory ssące były produkowane specjalnie dla tej jednostki i cechuje je wyjątkowo niska średnica trzonków - zaledwie 5mm. Cały silnik, pomimo zastosowania dodatkowych dwóch cylindrów w stosunku do jednostki S62 z poprzedniego modelu BMW M5 (e39), ma prawie taką samą jak ona wagę - 240kg. O niskiej masie jednostki napędowej zadecydowało także wykonanie kadłuba, w technologii niskociśnieniowego odlewu kokilowego z nadeutektycznego stopu aluminiowo - krzemowego. Stop ten zawiera min. 17% krzemu. Powierzchnia samych tulei cylindrów wykonana została przez odsłonięcie twardych kryształków krzemu, przez co wykorzystywanie dodatkowych tulei okazało się zbędne - tłoki o stalowej powłoce poruszają się bezpośrednio po tej niepowlekanej powierzchni.
Zobacz też: Dwusprzęgłowa skrzynia automatyczna Powershift
Maksymalny moment obrotowy silnika wynoszący 520 Nm, dostępny jest przy 6100obr.min. 80 % jego wartości jest dostępne już w zakresie do 5500obr./min. Taki przebieg momentu obrotowego powoduje, że nie trzeba ( w porównaniu do niskoobrotowych jednostek z turbosprężarką) stosować specjalnie wzmacnianych, a przez to cięższych elementów układu przeniesienia napędu. Koncepcja wysokoobrotowa zapewnia lżejszą masę i możliwość zastosowania krótszych przełożeń w układzie.
Silnik S85: nowy Double-VANOS
Dla poprawy zarówno osiągów, jak i zmniejszenia zużycia paliwa przez silnik, inżynierowi wyposażyli go w usprawnioną wersję systemu Double-VANOS (zastosowanego po raz pierwszy w BMW M3 w 1995r.), sterującego regulacją faz rozrządu. System ten poprawia przebieg momentu obrotowego, reakcję silnika na gaz oraz optymalizuje skład mieszanki paliwowo-powietrznej, dostarczaną do cylindra. Układ Double-VANOS funkcjonuje przy ciśnieniu oleju na poziomie 80 barów, dlatego w komorze korbowej pracuje wielotłokowa pompa promieniowa.
Silnik S85: 4 pompy oleju!
W konstrukcji silnika S85 zastosowano łącznie aż cztery pompy oleju. Jest to związane z koniecznością zapewnienia odpowiedniego poziomu oleju w misce olejowej w chwili, gdy na pojazd działają duże przeciążenia. W trakcie pokonywania zakrętu z wysoką prędkością, siła odśrodkowa wypycha olej do głowicy znajdującej się po zewnętrznej stronie silnika tak mocno, że naturalny odpływ oleju z głowicy do miski olejowej jest niemożliwy. To z kolei może spowodować zassanie powietrza przez pompę olejową. Aby zapobiec takiej sytuacji silnik wyposażono w dwie duocentryczne pompy, które odsysają olej z głowicy znajdującej się po zewnętrznej stronie pokonywanego łuku. Zostają one aktywowane, gdy czujniki zarejestrują przyspieszenie poprzeczne (potocznie przeciążenie boczne) o wartości co najmniej 0,6g. W trakcie gwałtownego hamowania, M5-tka jest w stanie wygenerować ujemne przyspieszenie na poziomie 1,3 g powodujące, że w znajdującej za silnikiem misce olejowej, zabraknie wystarczającej ilości płynu. W tym celu BMW zastosowało tzw. „suchą miskę olejową”, czyli system składający się z mniejszego zbiornika na olej zlokalizowanego z przodu silnika, oraz większego umiejscowionego za nim. Obudowa pompy olejowej wyposażona została w pompę powrotną, która w trakcie hamowania przepompowuje olej z małego zbiornika oleju do dużego.
Zobacz też: Mechanizm różnicowy – jak to działa?
Silnik S85: Każdy cylinder ma indywidualną przepustnicę!
Wysokoobrotowy charakter jednostki napędowej spowodował, że system Valvetronic nie sprawdziłby się w niej (w systemie tym zawory ssące przejmują funkcję przepustnicy, która wprawdzie nadal jest montowana, lecz jest stosowana tylko w szczególnych przypadkach), więc wzorem aut wyczynowych, każdy z cylindrów posiada osobną przepustnicę powietrza. Każda z nich sterowana jest elektronicznie, na podstawie analizy położenia pedału gazu, wykonywanej 200 razy na sekundę. Maksymalne otwarcie przepustnic trwa 120milisenkud, co powoduje praktycznie natychmiastową reakcję silnika na gaz.
Silnik S85: Kolektory wykonane częściowo ze włókien węglowych
Powietrze do silnika doprowadzają dwa kolektory ssące, które wraz króćcami zbudowane są z tworzywa lekkiego, uzupełnionego 30% zawartością włókien węglowych. Za odbiór gazów spalinowych odpowiadająca dwa kolektory wydechowe, wykonane ze stali szlachetnej o konfiguracji 5/1. Przy ich budowie inżynierom zależało na ich identycznej długości, co tłumaczy ich specyficzny kształt, oraz na identycznym ich przekroju. Ścianki rur uformowane w wyniku działania na nie siłą 800 barów (tzw. wysokociśnieniowe hydroformowanie), mają grubość zaledwie 0,8mm. Silnik, pomimo wysokich osiągów, spełnia europejską normę spalin EU4 i amerykańską LEV 2. Auto wyposażono w dwa katalizatory, umiejscowione blisko silnika, które w połączeniu z katalizatorami wydechowymi o cienkich ściankach, szybko osiągają temperaturę roboczą.
Zobacz też: Czujniki w samochodzie - jak wpływają na pracę silnika?
Silnik S85: 32-bitowy procesor
Aby tak zaawansowany technicznie silnik, o wielu powiązanych ze sobą podzespołach, mógł pracować sprawnie nawet przy wysokich obrotach wału napędowego, inżynierowi BMW zastosowali system MS S65, opracowany przez firmę Bosch. Jego sterownik wykorzystuje do zarządzania silnikiem trzy 32-bitowe procesory, zdolne do wykonania ponad 200 milionów operacji na sekundę. Dla przykładu w modelu M3 z 2000 roku (4 lata starszego) pracował system o 8-krotnie mniejszej mocy obliczeniowej. Zadaniem sterownika jest m.in. ustalenie właściwego czasu zapłonu czy ilości paliwa jaką należy dostarczyć indywidualnie dla każdego z cylindrów. Parametry te dobiera on na podstawie 50 sygnałów wejściowych. W tym samym czasie wybierana jest odpowiednia pozycja wałka rozrządu oraz ustawienia każdej z dziesięciu przepustnic. To właśnie za pomocą systemu MS S65, kierowca wybiera charakterystykę swojego BMW M5 uaktywniając, bądź dezaktywując specjalnym przyciskiem, funkcję "M5”. W najmocniejszym wariancie oznaczanym jako P500S, silnik dysponuje maksymalną mocą 507 koni i najszybszą reakcją przepustnic, na naciśnięcie pedału gazu. W najsłabszym trybie P400, moc jednostki napędowej jest zredukowana do 400KM.
Zobacz też: Napęd 4x4 - jakie rozwiązania oferują producenci?
Silnik S85: Technologia prądu jonowego
Innowacyjnym rozwiązaniem zastosowanym w silniku S85 jest wykorzystanie technologii prądu jonowego w sterowniku silnika. Jej zadaniem (w dużym skrócie) jest wykrycie spalania stukowego, bądź przerw w zapłonie i spalaniu. W klasycznych silnikach stosuje się w tym celu czujniki dźwiękowe, jednak ze względu na wysokoobrotowy i wielocylindrowy charakter silnika S85, mogą one okazać się niewystarczające. Dlatego w BMW M5, rolę takiego czujnika pełni świeca zapłonowa, która odpowiada także za zapłon mieszanki w cylindrze. Do pomiaru wykorzystuje ona prąd jonowy (wysoka temperatura wraz zachodzącymi w komorze spalania reakcjami chemicznymi powodują jonizację mieszanki paliwowo-powietrznej) . To co odróżnia ją od klasycznych czujników to fakt, że znajduje się ona w komorze spalania a nie poza nią. Zapewnia to zebranie przez czujnik( wt ym przypadku świecę), dokładniejszych danych na temat procesu spalania, które później analizuje sterownik i dostosowuje np .zapłon idealnie do procesu spalania.
Silnik S85 zastosowany w BMW M5 (w modelu e60), to pierwsza konstrukcja bawarskiego producenta, wyposażona w dziesięć cylindrów. Jest to także pierwsza konstrukcja koncernu BMW, tak mocno przypominająca silniki stosowane w sporcie motorowym. Stopień jej zaawansowania technicznego, użyte materiały i generowany przez nią dźwięk, w sposób bezpośredni przywodzą na myśl bolidy Formuły 1. To sprawia, że mimo wprowadzenia jej następcy, w postaci silnika S65TU, nadal uważana jest za najlepszą jednostkę napędową, zastosowaną w seryjnym samochodzie BMW.