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Das überlegene sportliche Potenzial des BMW M3 GTS kommt unter anderem in einem auf 3,4 Kilogramm pro PS reduzierten Leistungsgewicht zum Ausdruck. In der für den Rennstreckeneinsatz optimierten Getriebe- und Fahrwerkskonfiguration beschleunigt der BMW M3 GTS innerhalb von nur 4,4 Sekunden von null auf 100 km/h. Die 1000-Meter-Marke wird aus dem Stand in 22,5 Sekunden erreicht, die Höchstgeschwindigkeit beträgt 305 km/h.

Die für sportliche Höchstleistungen erforderliche Kraft entstammt einem Achtzylinder-Motor mit Hochdrehzahlkonzept. Mit seiner unvergleichlich vehementen und kontinuierlich über einen sehr weiten Drehzahlbereich hinweg anhaltenden Schubkraft verfügt der von der BMW M GmbH exklusiv für den BMW M3 entwickelte V8-Motor über eine eng an den Anforderungen des Motorsports orientierte, feinfühlige Leistungscharakteristik. Für den BMW M3 GTS wurde eine im Hubraum, in der Leistung sowie im maximalen Drehmoment nochmals gesteigerte Variante dieses Triebwerks konzipiert.

Die Erhöhung des Hubraums von 3 999 auf 4 361 Kubikzentimeter erfolgt durch einen von 75,2 auf 82 Millimeter erweiterten Zylinderhub. In den vergrößerten Brennräumen wird bei 8 300 min-1 eine Höchstleistung von 331 kW/450 PS (BMW M3: 309 kW/420 PS) erzeugt. Der Maximalwert des Drehmoments wurde um 40 auf 440 Newtonmeter gesteigert und steht bei einer Motordrehzahl von 3 750 min-1 zur Verfügung.

Vom Ursprungstriebwerk übernommen wurden charakteristische, aus dem Motorsport abgeleitete Konstruktionsmerkmale, zu denen unter anderem das als Bedplate konstruierte Kurbelgehäuse aus einer speziellen Aluminium-Silizium-Legierung, Einzeldrosselklappen, eine Klopfsensorik mit Ionenstromtechnologie und eine dynamikoptimierte Nasssumpf-Ölversorgung gehören. Für eine optimierte Abgasströmung sorgt die für den BMW M3 GTS entwickelte Leichtbau-Sportabgasanlage mit modellspezifischen Vorkatalysatoren und Titan-Endschalldämpfern.

Für die Kraftübertragung wird das für den BMW M3 entwickelte M Doppelkupplungsgetriebe mit Drivelogic genutzt. Das 7-Gang M DKG Drivelogic agiert nach einem ebenfalls im Motorsport entwickelten Prinzip und ermöglicht Gangwechsel ohne Zugkraftunterbrechung für extrem dynamische Beschleunigungsvorgänge. Seine Schaltcharakteristik wurde speziell auf den modifizierten Motor des BMW M3 GTS abgestimmt.

Die ebenfalls aus dem Rennsport abgeleitete Fahrwerkstechnik basiert auf der Vorder- und Hinterachskonstruktion des BMW M3 Coupé. Abweichend davon verfügt der BMW M3 GTS über einen starr verschraubten Hinterachsträger sowie über ein Gewindefahrwerk, dessen Dämpfer in Zug- und Druckstufe unabhängig voneinander einstellbar sind. Für den Rennsporteinsatz können darüber hinaus auch der Sturz an der Vorder- und Hinterachse sowie die Fahrzeughöhe variiert werden. Die Absenkung erfolgt vorn um 16 und hinten um 12 Millimeter.

Die Hochleistungsbremsanlage des BMW M3 GTS ist in Festsattelbauweise ausgeführt und besteht aus jeweils sechs Kolben an den Vorder- und vier Kolben an den Hinterrädern. Die Bremsscheiben weisen einen gegenüber dem BMW M3 vorn um 18 und hinten um 30 Millimeter größeren Durchmesser auf. Außerdem werden Stahlflex-Bremsschläuche eingesetzt.

Eine spezifische Abstimmung der Fahrstabilitätsregelung DSC (Dynamische Stabilitäts Control) inklusive des ABS und des M Dynamic Mode (MDM) berücksichtigt das erhöhte fahrdynamische Potenzial des BMW M3 GTS. Eine optimale Übertragung des Beschleunigungs-, aber auch des Bremsmoments garantiert auch die Mischbereifung auf mattschwarz lackierten, 19 Zoll großen M Leichtmetallfelgen im Y-Speichendesign.

Zur Optimierung der Luftströmung und für eine bedarfsgerechte Anpassung der Abtriebswerte ist der BMW M3 GTS mit rennsportorientierten Frontschürzen- und Heckflügel-Elementen ausgestattet. Sie bieten die Möglichkeit, beim Einsatz im Clubsport eine dem Streckenprofil und anderen Rahmenbedingungen entsprechende Anpassung der aerodynamischen Eigenschaften vorzunehmen.