Motor N54

Motor N54

Die neue Generation der 6-Zylinder-Ottomotoren (NG6) wird mit einer Weiterentwicklung fortgeführt.
Mit dem neuen aufgeladenen 6-Zylinder-Ottomotor N54 mit Direkteinspritzung beginnt BMW den Wiedereinstieg in die Turbo-Technologie.

Beim neuen Turbomotor kommt die Direkteinspritzung der 2. Generation (DI2) zum Einsatz. Die Direkteinspritzung (HPI: High Precision Injection) liefert zusätzliche Freiheitsgrade bei der Bemessung von Einspritzmenge und Einspritzdauer (Mehrfacheinspritzung je nach Last und Drehzahl bis zu 3-mal) sowie bei der Gemischverteilung im Brennraum. Dadurch lassen sich Leistung, Motordrehmoment, Verbrauch und Schadstoffemissionen positiv beeinflussen.
Bedingt durch die Gemischkühlung durch den direkt eingespritzten Kraftstoff kann die Verdichtung gegenüber einem Turbomotor mit Saugrohreinspritzung angehoben werden. Dies verbessert den Wirkungsgrad.
Durch den Einsatz der Direkteinspritzung entsteht eine homogene Gemischbildung im gesamten Brennraum. Homogene Gemischbildung bedeutet, dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wie bei der Saugrohreinspritzung stöchiometrisch (Lambda = 1) geregelt wird.
(Mit stöchiometrisch wird ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 14,8 Kilogramm Luft zu 1 Kilogramm Kraftstoff bezeichnet.) Durch die homogene Gemischbildung kann ein konventionelles System zur Abgasnachbehandlung eingesetzt werden.

Für eine deutlich spontanere Leistungsentfaltung sorgt insbesondere das Bi-Turbo-Konzept. Anstelle eines großen Abgasturboladers versorgen zwei kleinere Aggregate jeweils drei Zylinder mit verdichteter Luft. Wesentlicher Vorteil der klein dimensionierten Abgasturbolader ist ihr geringes Massenträgheitsmoment. Schon die kleinste Betätigung des Fahrpedalmoduls wird mit sofortigem Druckaufbau beantwortet.
Zugleich ermöglicht die Nutzung der variablen Steuerzeiten (Doppel-VANOS) einen optimalen Ladungswechsel, der zu hohem Motordrehmoment bei niedriger Drehzahl führt und für souveräne Elastizität sorgt.

Bauteil-Kurzbeschreibung

Folgende Bauteile für den Motor N54 werden beschrieben:

• Digitale Motor Elektronik
  
• EKP-Steuergerät und elektrische Kraftstoffpumpe
  
• Kraftstoff-Hochdruckpumpe
  
• Rail mit Raildrucksensor
  
• Injektoren (Hochdruckeinspritzventile)
  
• Saugrohrdrucksensor
  
• Abgasturbolader
  
• Volumenstromgesteuerte Ölpumpe
  
• Elektrische Kühlmittelpumpe
  
• Variable Nockenwellensteuerung für die Einlassnockenwelle und für die Auslassnockenwelle ”Doppel-VANOS”
  
• Ölzustandssensor
  
• Kurbelgehäuse aus Aluminium
  
  

DME: Digitale Motor Elektronik

Auf der Platine im DME-Steuergerät (MSD80) befinden sich 3 Sensoren:

• Temperatursensor
  
• Umgebungsdrucksensor
  
• Spannungssensor
  

Der Temperatursensor dient zur thermischen Berechnung der Bauteile im DME-Steuergerät.
Der Umgebungsdrucksensor wird für die Berechnung der Gemischzusammensetzung benötigt. Der Umgebungsdruck sinkt mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel.
Der Spannungssensor überwacht die Spannungsversorgung über Klemme 87.

EKP-Steuergerät und elektrische Kraftstoffpumpe

Das DME-Steuergerät ermittelt den Kraftstoffbedarf des Motors. Die benötigte Kraftstoffmenge wird als Botschaft über den PT-CAN an das EKP-Steuergerät gesendet. Diese Botschaft wird vom EKP-Steuergerät in eine Ausgangsspannung umgesetzt. Mit dieser Ausgangsspannung wird die Drehzahl der elektrischen Kraftstoffpumpe geregelt. Somit wird eine bedarfsgerechte Förderung für die Hochdruckpumpe erreicht.

Die elektrische Kraftstoffpumpe ist eine In-Tank-Pumpe.
Ab Klemme 15 EIN wird die elektrische Kraftstoffpumpe eingeschaltet.

Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe verdichtet den Kraftstoff (Bereich von 50 bis 200 bar) und fördert ihn zum Rail.

Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist am hinteren Ende der Unterdruckpumpe angeschraubt. Die Antriebswelle der Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist mit der Antriebswelle der Unterdruckpumpe verbunden.

Das Mengensteuerventil steuert den Kraftstoffdruck im Rail. Das Mengensteuerventil wird über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) vom DME-Steuergerät angesteuert. Abhängig vom PWM-Signal wird ein unterschiedlich großer Drosselquerschnitt freigegeben und die für den jeweiligen Lastzustand des Motors notwendige Kraftstofffördermenge eingestellt. Zusätzlich ist die Möglichkeit gegeben, den Druck im Rail abzubauen.
Wenn ein Fehler im System diagnostiziert wird, z. B. der Ausfall des Hochdrucksensors, wird das Mengensteuerventil stromlos geschaltet. Der Kraftstoff gelangt dann über ein so genanntes Bypassventil ins Rail.

Das Mengensteuerventil ist ein Bauteil der Hochdruckpumpe und kann im Service ausgebaut werden.

Rail mit Raildrucksensor

Im Rail wird der verdichtete Kraftstoff zwischengespeichert und auf die Injektoren verteilt.

Der Raildrucksensor misst den aktuellen Kraftstoffdruck im Rail.

Der Kraftstoffdruck gelangt durch den Hochdruckanschluss zur Membran mit Sensorelement. Die Verformung der Membran wird über das Sensorelement in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Auswerteschaltung bereitet das Signal auf und gibt ein analoges Spannungssignal an die DME weiter. Das Spannungssignal steigt mit zunehmendem Kraftstoffdruck linear an.

Das Signal vom Raildrucksensor ist ein wichtiges Eingangssignal der DME für die Ansteuerung des Mengensteuerventils (Bauteil der Hochdruckpumpe).
Wenn der Raildrucksensor ausfällt, wird das Mengensteuerventil im Notlauf von der DME angesteuert.

Injektoren (Hochdruckeinspritzventile)

Der Injektor spritzt den Kraftstoff unter Hochdruck in den Brennraum. Der Injektor öffnet die Spitze der Düsennadel nach außen und bildet dabei einen nur wenige Mikrometer großen Ringspalt. Der Ringspalt formt die strahlgeführte Direkteinspritzung und sorgt für seine gleichmäßige, kegelförmige Ausbreitung.

Die piezoelektrische Ansteuerung ergibt gegenüber der Ansteuerung über Magnetspulen folgende Vorteile:

• verbesserte Möglichkeiten zur Mehrfacheinspritzung durch schnelle Schaltzeiten mit sehr kleinen Totzeiten.
  

Somit ergeben sich deutliche Verbesserungen hinsichtlich Schadstoffemissionen sowie Kraftstoffverbrauch.

Ein Piezo-Element ist ein elektromechanischer Wandler. Das Piezo-Element ist eine Keramik, die elektrische Energie direkt in mechanische Energie (Kraft/Weg) umwandelt. Das Piezo-Element dehnt sich aus, wenn eine Spannung angelegt wird. Somit wird der Hub der Düsennadel erzeugt.
Um einen größeren Hub zu erreichen, lässt sich ein Piezo-Element in mehreren Schichten aufbauen.

Saugrohrdrucksensor

Der Saugrohrdrucksensor misst den Unterdruck in der Sauganlage. Der Saugrohr-Unterdruck dient als Ersatzgröße für das Lastsignal. Der Saugrohrdrucksensor ist hinter der Drosselkappe eingebaut.

Abgasturbolader

Der Motor ist mit 2 Abgasturboladern ausgestattet (ein Abgasturbolader am Abgaskrümmer für die Zylinder 1 bis 3, ein Abgasturbolader am Abgaskrümmer für die Zylinder 4 bis 6). Die Turbinen erlauben besonders hohe Abgastemperaturen (1050 °C-Technik), die insbesondere bei hoher Last zu einer spürbaren Verbrauchsreduzierung führen.
Der Ladedruck der Abgasturbolader wird von der DME über je ein Bypassventil (Wastegate-Ventil) geregelt. Über das Bypassventil wird ein Teil der Abgase an der Turbine vorbeigeführt.
Die Bypassventile werden über elektropneumatische Druckwandler von der DME angesteuert und lassen sich variabel einstellen.
Zur Kühlung und Schmierung des Abgasturboladers sind am Lagergehäuse 2 Anschlüsse für den Motorkühlkreislauf und 2 Anschlüsse für den Ölkreislauf vorhanden.

Volumenstromgeregelte Ölpumpe

Der Motor besitzt eine volumenstromgeregelte Ölpumpe. Diese Pumpe fördert genau so viel Öl, wie zum Erreichen des Regeldruckniveaus notwendig ist. Die Ölpumpe wird mit einer Kette von der Kurbelwelle angetrieben.

Elektrische Kühlmittelpumpe

Ein Elektromotor treibt die Kühlmittelpumpe an. Die Leistung des Elektromotors (400 Watt) wird durch eine Steuerelektronik gesteuert. Diese Steuerelektronik ist über die bitserielle Datenschnittstelle mit der DME (Digitale Motor Elektronik) verbunden. Die DME ermittelt aus der Last, dem Betriebsbereich und den Daten der Temperatursensoren die erforderliche Kühlleistung. Die DME sendet der Steuerelektronik die entsprechenden Signale zur Regelung der Kühlmittelpumpe.
Der Motor der Kühlmittelpumpe wird von dem Kühlmittel umspült. Somit werden Motor und Steuerelektronik gekühlt. Mit dem Kühlmittel werden auch die Lager der elektrischen Kühlmittelpumpe geschmiert.

Ölzustandssensor

Der Ölzustandssensor misst folgende Größen:

• Motoröltemperatur
  
• Ölniveau
  
• Motorölqualität
  

Der Ölzustandssensor schickt die Messwerte an die DME.

Variable Nockenwellensteuerung für die Einlassnockenwelle und für die Auslassnockenwelle ”Doppel-VANOS”

Die variable Nockenwellensteuerung dient der Steigerung des Drehmoments im unteren und mittleren Drehzahlbereich.
Je ein VANOS-Magnetventil steuert eine VANOS-Verstelleinheit auf der Einlassseite und auf der Auslassseite an. Die VANOS-Magnetventile werden vom DME-Steuergerät angesteuert.
Die Steuerzeiten des Motors sind über die beiden variablen VANOS-Verstelleinheiten stufenlos beeinflussbar.
Durch eine größere Ventilüberschneidung ergeben sich geringere Mengen an Restgas im Leerlauf. Durch die interne Abgasrückführung im Teillastbereich werden die Stickoxide reduziert.

Vorsicht! VANOS-Verstelleinheiten nicht vertauschen.

Die VANOS-Verstelleinheiten für die Einlass- und Auslassnockenwelle haben unterschiedliche Verstellwege. Somit kann es bei vertauschten VANOS-Verstelleinheiten zu einem Motorschaden durch aufsetzende Ventile kommen.
Auf der Frontseite der VANOS-Verstelleinheit ist die Einbauseite eingraviert.

Kurbelgehäuse aus Aluminium

Am Motor kommt ein geteiltes Kurbelgehäuse aus Aluminium zum Einsatz. Zur Erhöhung der Steifigkeit ist das Unterteil als Bedplate-Konstruktion ausgeführt.

Systemfunktionen

Folgende Systemfunktionen werden beschrieben:

• Ladedruckregelung
  
• Motorentlüftung
  
• Motorkühlung
  
• Volumenstromgeregelte Ölversorgung
  
• Bedarfsgerechte Förderung des Kraftstoffs
  
• Systemschutz
  
  

Ladedruckregelung

Der Ladedruck der Abgasturbolader wird von der DME über je ein Bypassventil (Wastegate-Ventil) geregelt. Die Bypassventile werden über elektropneumatische Druckwandler von der DME angesteuert (kennfeldgesteuert).

Zusätzlich zu den Bypassventilen sind 2 Schubumluftventile eingebaut. Ohne Schubumluftventile müssten die Abgasturbolader gegen den Staudruck der geschlossenen Drosselklappe arbeiten.
Wenn die Drosselklappe schließt, öffnen die Schubumluftventile durch den erhöhten Unterdruck im Saugrohr. Im geöffneten Zustand verbinden die Schubumluftventile jeweils die Einlassseite des Verdichters mit der Auslassseite des Verdichters. Somit wird ein zu hoher Staudruck verhindert.

Motorentlüftung

Die Motorentlüftung ist druckgesteuert. Abhängig vom Saugrohr-Unterdruck und Ladedruck wird entweder über eine 6fach Verteilerleiste in die Einlasskanäle entlüftet oder in das Reinluftrohr vor dem Abgasturbolader (Zylinder 4 bis 6). Die Verteilerleiste ist in die Zylinderkopfhaube integriert.

Für die Motorentlüftung sind 2 Ventile eingebaut.

• Rückschlagventil mit Druckbegrenzung
  Das Rückschlagventil mit Druckbegrenzung regelt den Durchfluss in Abhängigkeit vom angelegten Saugrohr-Unterdruck und steuert die Einleitung der Blow-by-Gase in die Einlasskanäle.
  Ab einem definierten Ladedruck schließt das Rückschlagventil mit Druckbegrenzung.
  
• Rückschlagventil zum Reinluftrohr
  Die 2 Reinluftrohre sind nach dem Ansauggeräuschdämpfer angeordnet. Jeweils ein Reinluftrohr verbindet den Luftfilter mit einem Abgasturbolader. Im Reinluftrohr wird die im Luftfilter gereinigte Luft zum Verdichter transportiert.
  Ab einem definierten Ladedruck öffnet durch den herrschenden Unterdruck im Reinluftrohr das Rückschlagventil. Die Blow-by-Gase werden in das Reinluftrohr zum Abgasturbolader (Zylinder 4 bis 6) entlüftet.
  Der Entlüftungsanschluss hat am Anschluss zum Reinluftrohr eine Motorentlüftungsheizung nach PTC-Prinzip (positiver Temperaturkoeffizient). Die Motorentlüftungsheizung wird über die Klemme 87 angesteuert.
  
  

Motorkühlung

Für das Kühlsystem mit elektrischer Kühlmittelpumpe werden die Möglichkeiten des konventionellen Kühlsystems genutzt. Über das Wärmemanagement wird der momentane Kühlbedarf ermittelt und das Kühlsystem entsprechend geregelt.

Folgende Bauteile werden vom Wärmemanagement beeinflusst:

• elektrische Kühlmittelpumpe
  
• Kennfeldthermostat
  
• Digitale Motor Elektronik (DME)
  

Die Kühlleistung des Systems wird über einen frei zu variierenden Volumenstrom des Kühlmittels angepasst.

Das Wärmemanagement ermittelt den momentanen Kühlbedarf und regelt das Kühlsystem entsprechend. Unter Umständen kann die Kühlmittelpumpe sogar ganz abgeschaltet werden, zum Beispiel zur schnelleren Erwärmung des Kühlmittels in der Warmlaufphase.
Bei stehendem und stark erwärmtem Motor pumpt die Kühlmittelpumpe auch im Stand. Die Kühlleistung kann dadurch drehzahlunabhängig angefordert werden.

Das Wärmemanagement erlaubt es nun, über den Kennfeldthermostat hinaus, verschiedene Kennfelder für die Steuerung der Kühlmittelpumpe zu Grunde zu legen. So kann das Motorsteuergerät die Motortemperatur dem Fahrverhalten anpassen.

Das Motorsteuergerät (MSD80) regelt folgende Temperaturbereiche:

• 108 °C = Economy-Betrieb
  
• 104 °C = Normalbetrieb
  
• 95 °C = High-Betrieb
  
• 90 °C = High-Betrieb und Regelung durch den Kennfeldthermostat
  

• 
  Wenn das Motorsteuergerät aufgrund des Fahrverhaltens den sparsamen Betriebsbereich ”Economy” erkennt, regelt die DME auf eine höhere Temperatur (108 °C).
  In diesem Temperaturbereich ist der Motor mit relativ niedrigem Kraftstoffbedarf zu betreiben. Die innermotorische Reibung ist bei höherer Temperatur reduziert. Die Temperaturerhöhung begünstigt also den geringeren Kraftstoffverbrauch im niedrigen Lastbereich.
  Im Betrieb ”High und Regelung durch den Kennfeldthermostat” möchte der Fahrer die optimale Leistungsentfaltung des Motors nutzen. Dazu wird die Temperatur im Zylinderkopf auf 90 °C abgesenkt. Diese Absenkung bewirkt einen besseren Füllungsgrad, was zu einer Drehmomenterhöhung des Motors führt. Das Motorsteuergerät kann nun, an die jeweilige Fahrsituation angepasst, einen bestimmten Betriebsbereich regeln. Somit ist es möglich, über das Kühlsystem Einfluss auf Verbrauch und Leistung zu nehmen.
  

Motorölthermostat

Der Motorölthermostat befindet sich am Ölfilter.

Der Motorölthermostat wird temperaturabhängig geöffnet oder geschlossen. Er schließt jedoch nie vollständig, sondern hat einen Mindestdurchfluss zum Motorölkühler.
Bis zu einer Motoröltemperatur von 110 °C ist der Motorölthermostat geschlossen.
Das geförderte Motoröl wird über den Motorölthermostat im Kurzschlusskreislauf zurück in den Rücklauf gefördert. Somit ist ein schneller Warmlauf des Motors gewährleistet.
Ab einer Motoröltemperatur von 110 °C öffnet der Motorölthermostat und reduziert die Öffnung im Kurzschlusskreislauf. Somit erhöht sich der Öldurchfluss in der Leitung zum Motorölkühler. Ab ca. 125 °C ist der Thermostat ganz geöffnet.

Volumenstromgeregelte Ölversorgung

Die volumenstromgeregelte Ölpumpe (Pendelschieberzellenpumpe) fördert genau so viel Öl, wie zum Erreichen des Regeldruckniveaus notwendig ist.

Der Öldruck, der aufgebracht wird, wirkt über die Steuerleitung auf einen Regelkolben mit schräger Anlauffläche (Pendelstütze) gegen die Kraft einer Druckfeder.
Steigt der Ölbedarf des Motors, sinkt der Druck im Schmiersystem und damit auch am Regelkolben. Die Ölpumpe steigert das Fördervolumen und stellt die bisherigen Druckverhältnisse wieder her. Wenn der Ölbedarf des Motors zurückgeht, regelt die Pumpe entsprechend der Stellung des Regelkolbens ein geringeres Fördervolumen ein.

Der Ölzustandssensor meldet dem DME-Steuergerät die Motoröltemperatur und das Ölniveau. Für die Berechnung des Ölniveaus rechnet das DME-Steuergerät die Dauer für das Aufheizen und das Abkühlen des Motoröls aus. Den Öldruck signalisiert der Öldruckschalter. Das DME-Steuergerät steuert über den PT-CAN die Warn- und Kontrollleuchte in der Instrumentenkombination an (rot: Öldruck gering; gelb: Ölniveau gering)

Bedarfsgerechte Förderung des Kraftstoffs

Entsprechend dem anliegenden Systemdruck zwischen der Kraftstoffpumpe und der Hochdruckpumpe wird vom Kraftstoffniederdrucksensor ein Spannungssignal an das Motorsteuergerät (DME-Steuergerät) ausgegeben.
Der Systemdruck (Kraftstoffniederdruck) wird mit dem Kraftstoffniederdrucksensor vor der Hochdruckpumpe ermittelt.

Im DME-Steuergerät wird ständig ein Vergleich von Solldruck zu Istdruck durchgeführt. Bei Abweichung des Solldrucks vom Istdruck erhöht bzw. vermindert das DME-Steuergerät die Spannung für die elektrische Kraftstoffpumpe, die als Botschaft über den PT-CAN an das EKP-Steuergerät gesendet wird. Das EKP-Steuergerät setzt die Botschaft in eine Ausgangsspannung für die elektrische Kraftstoffpumpe um. Somit wird der benötigte Vorlaufdruck für den Motor (bzw. Hochdruckpumpe) eingeregelt.

Bei Signalausfall (Kraftstoffniederdrucksensor) wird bei Klemme 15 EIN die elektrische Kraftstoffpumpe vorgesteuert betrieben.
Wenn der CAN-Bus ausfällt, wird die elektrische Kraftstoffpumpe über das EKP-Steuergerät mit der anliegenden Bordnetzspannung betrieben.

Die Hochdruckpumpe verdichtet den Kraftstoff auf einen Druck zwischen 50 und 200 bar. Über die Hochdruckleitung gelangt der verdichtete Kraftstoff zum Rail. Im Rail wird der verdichtete Kraftstoff zwischengespeichert und auf die Injektoren verteilt.
Der Raildrucksensor misst den aktuellen Kraftstoffdruck im Rail. Wenn das Mengensteuerventil in der Hochdruckpumpe öffnet, wird der zu viel geförderte Kraftstoff wieder dem Zulauf in der Hochdruckpumpe zugeführt.
Bei Ausfall der Hochdruckpumpe ist ein eingeschränkter Fahrbetrieb möglich.

Systemschutz

Sollte es im Motorbetrieb zu überhöhten Temperaturen des Kühlmittels oder des Motoröls kommen, werden bestimmte Funktionen im Fahrzeug dahingehend beeinflusst, dass der Motorkühlung mehr Energie zur Verfügung steht.

Die Maßnahmen werden in 2 Betriebsarten aufgeteilt:

• Bauteilschutz
  
• Notfall
  
  

• Bauteilschutz
  Kühlmitteltemperatur zwischen 117 °C und 124 °C
  Motoröltemperatur zwischen 150 °C und 157 °C
  Maßnahme: z. B. Leistungsreduzierung der Klimatisierung (bis 100 %) und des Motors
  
  
• Notfall
  Kühlmitteltemperatur zwischen 125 °C und 129 °C
  Motoröltemperatur zwischen 158 °C und 163 °C
  Maßnahme: z. B. Leistungsreduzierung des Motors (bis ca. 90 %)
  
  

Hinweise für den Service

Allgemeine Hinweise

Warnung! Arbeiten am Kraftstoffsystem nur bei kaltem Motor durchführen.

Bei Kühlmitteltemperaturen über 40 °C kann beim Lösen der Injektoren Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit austreten.

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