Voor toerwagenraces is een 275 pk sterke racewagen ontwikkeld. Met het speciale model BMW 320si wordt ook een straatversie met 173 pk gebouwd.
4 cilinder lijnmotor,
cilinderinhoud: 1999 cm3
vermogen: 127 kW / 173 pk bij 7000 omw/min
motorregeling: MEV9.2 (als bij N46)
zonder Valvetronic
De constructie van de cilinderkop komt in grote lijnen overeen met die van de S54 motor. De glijsleeptuimelaars zijn geometrisch gelijk aan die van de S54 motor maar zijn voorzien van een DLC-laag (Diamond light Carbon). De afstelling van de klepspeling vindt plaats als bij de S54 motor via stelplaatjes in de bovenste klepveerschotel.
De carterventilatie is in de cilinderkop geïntegreerd. De carterventilatie wordt vacuüm geregeld en elektrisch verwarmd.
Er komt net als bij de N45B16 motor een traploze dubbel-VANOS variant.
De N45B20S is uitgerust met een thermische oliepeilsensor. De oliepeilcontrole vindt elektronisch plaats. De werking van de oliepeilcontrole en de weergave van het oliepeil komt overeen met andere motoren in de E90.
Het variabele inlaatspruitstuk komt overeen met die van de N46.
Voor de rembekrachtiging wordt een zuigstraalpomp als bij de N45B16 toegepast.