Moteur N54

Moteur N54

La nouvelle génération de moteurs essence 6 cylindres (NG6) est en constante évolution.
Avec son nouveau moteur essence 6 cylindres suralimenté N54, BMW se relance dans la technologie turbo.

Le nouveau moteur turbo fait appel à un système d'injection directe de la 2ème génération (DI2). L'injection directe (HPI : High Precision Injection) offre une plus grande liberté pour le dosage du débit d'injection, la durée d'injection (injection multiple = jusqu'à 3 injections suivant la charge et le régime moteur) et la répartition du mélange dans la chambre de combustion. Il permet d'obtenir de meilleures performances en termes de puissance, couple moteur, consommation et émissions polluantes.
Le refroidissement du mélange obtenu grâce à l'injection directe du carburant permet de bénéficier d'un taux de compression plus élevé qu'avec un moteur suralimenté à injection indirecte dans le collecteur d'admission, d'où un meilleur rendement.
L'injection directe permet d'obtenir une répartition très homogène du mélange dans l'ensemble de la chambre de combustion. Un mélange homogène indique que le moteur fonctionne, à l'instar des moteurs à injection indirecte, avec un rapport air/carburant stoechiométrique (Lambda = 1).
(le rapport air/carburant est dit stoechiométrique lorsque le mélange est constitué de 14,8 kg d'air pour 1 kg de carburant). La répartition homogène du mélange permet de faire appel pour le post-traitement des gaz d'échappement à un système conventionnel.

Le concept biturbo garantit un déploiement de puissance encore plus spontané. Au lieu d'un seul grand turbocompresseur, le moteur est doté de deux turbocompresseurs alimentant chacun 3 cylindres avec de l'air comprimé. Les turbocompresseurs de petite taille présentent comme principal avantage de disposer de faibles moments d'inertie. Un actionnement même très léger de la pédale d'accélérateur donne lieu à une montée en pression immédiate.
Le système de distribution variable double-VANOS garantit par ailleurs un excellent renouvellement de la charge et permet de bénéficier à la fois d'un couple moteur élevé à bas régimes et d'une remarquable élasticité du moteur.

Description succincte des composants

La présente description de fonctionnement décrit les composants suivants du moteur N54 :

• Electronique numérique moteur
  
• Boîtier électronique EKP et pompe électrique à carburant
  
• Pompe à carburant haute pression
  
• Rail avec capteur de pression de rail
  
• Injecteurs (injecteurs haute pression)
  
• Capteur de pression d'admission
  
• Turbocompresseurs
  
• Pompe à huile à débit volumique variable
  
• Pompe de liquide de refroidissement électrique
  
• Calage variable des arbres à cames d'admission et d'échappement (double VANOS)
  
• Capteur de qualité d'huile
  
• Carter-cylindres en aluminium
  
  

DME : Electronique numérique moteur

Sur la carte imprimée du boîtier électronique DME (MSD80) se trouvent 3 capteurs :

• Sonde de température
  
• Capteur de pression atmosphérique
  
• Capteur de pression
  

La sonde de température permet de déterminer l'échauffement thermique des composants du boîtier électronique DME.
Le capteur de pression atmosphérique est requis pour le calcul de la composition du mélange. La pression atmosphérique chute avec l'altitude.
Le capteur de tension surveille l'alimentation en tension via la borne 87.

Boîtier électronique EKP et pompe électrique à carburant

Le boîtier électronique DME détermine le besoin en carburant du moteur. La consigne de débit de carburant est transmise sous forme de message au boîtier électronique EKP via le bus PT-CAN. Le boîtier électronique EKP convertit ce message en une tension de sortie utilisée pour réguler la vitesse de rotation de la pompe électrique à carburant. On réalise de la sorte une alimentation de la pompe haute pression asservie aux besoins.

La pompe électrique à carburant est intégrée dans le réservoir.
Elle est alimentée en tension à la mise sous tension de la borne 15.

Pompe à carburant haute pression

La pompe haute pression comprime le carburant (entre 50 et 200 bar) et achemine ensuite le carburant vers le rail.

Elle est fixée par vis à l'extrémité arrière de la pompe à dépression. L'arbre d'entraînement de la pompe haute pression est relié à l'arbre d'entraînement de la pompe à dépression.

Le régulateur de débit régule la pression de carburant dans le rail. Il est piloté par le boîtier électronique DME à l'aide d'un signal rectangulaire modulé en largeur (signal PWM). Le signal PWM détermine la section d'étranglement et le débit de refoulement de carburant requis en fonction de l'état de charge du moteur. Il permet également de réduire la pression au sein du rail.
Quand un défaut du système est diagnostiqué, p. ex. une défaillance du capteur haute pression, le régulateur de débit cesse d'être alimenté et le carburant arrive dans le rail par l'intermédiaire d'un clapet bypass.

Le régulateur de débit est un composant de la pompe haute pression remplaçable en atelier.

Rail avec capteur de pression de rail

Le rail (rampe) emmagasine le carburant sous pression et l'achemine vers les injecteurs.

Le capteur de pression de rail mesure la pression de carburant au sein du rail.

Le carburant sous pression parvient par l'intermédiaire du raccord haute pression jusqu'à la membrane supportant l'élément sensible. L'élément sensible convertit la déformation de la membrane en un signal électrique. Le circuit de traitement met en forme le signal et délivre un signal de tension analogique à destination du boîtier électronique DME. Le signal de pression croît de façon linéaire à mesure que la pression de carburant augmente.

Le signal du capteur de pression de rail constitue pour l'électronique DME un signal d'entrée important pour le pilotage du régulateur de débit (composant de la pompe haute pression).
En cas de défaillance du capteur de pression de rail, l'électronique DME pilote le régulateur de débit en mode dégradé.

Injecteurs (injecteurs haute pression)

L'injecteur injecte le carburant haute pression dans la chambre de combustion. La pointe de d'aiguille de l'injecteur se déplace ce faisant légèrement vers l'extérieur, de façon à former un interstice annulaire de quelques micromètres. L'interstice annulaire donne au jet la forme requise pour l'injection directe et assure une pulvérisation sphérique homogène du carburant.

Le mode d'activation piézo-électrique offre par rapport à l'activation par bobines magnétiques les avantages suivants :

• Possibilités d'injections multiples améliorées grâce à des temps de réaction et des temps morts très courts.
  

D'où de meilleures performances en termes d'émissions polluantes et de consommation de carburant.

Un élément piézoélectrique est un convertisseur électromécanique et plus exactement une céramique capable de convertir directement de l'énergie électrique en énergie mécanique (force/course). Lorsqu'une tension est appliquée à ses bornes, l'élément piézoélectrique se dilate, ce qui suffit à provoquer le déplacement de l'aiguille d'injecteur.
Pour obtenir un déplacement suffisamment important, plusieurs éléments piézoélectriques sont empilés.

Capteur de pression d'admission

Le capteur de pression d'admission mesure la dépression au sein du système d'admission. La pression d'admission sert de grandeur de remplacement pour le signal de charge. Le capteur de pression d'admission est disposé derrière le papillon.

Turbocompresseurs

Le moteur est équipé de 2 turbocompresseurs (un turbocompresseur au niveau du collecteur d'échappement des cylindres 1 à 3, un turbocompresseur au niveau du collecteur d'échappement des cylindres 4 à 6). Les turbines supportent des températures de gaz d'échappement particulièrement élevées (technologie 1050 °C), ce qui permet de réduire sensiblement la consommation en cas de charge élevée.
Le boîtier électronique DME régule la pression de suralimentation des turbocompresseurs par l'intermédiaire d'un clapet bypass (wastegate). Le clapet bypass fait en sorte qu'une partie des gaz d'échappement contourne la turbine.
Le boîtier électronique DME pilote les clapets bypass de manière variable par l'intermédiaire de convertisseurs de pression électropneumatiques (électrovannes).
Pour le refroidissement et la lubrification, le carter central de chaque turbocompresseur dispose de 2 raccords pour le circuit de refroidissement du moteur et de 2 raccords pour le circuit d'huile.

Pompe à huile à débit volumique variable

Le moteur est doté d'une pompe à huile à débit volumique variable. La pompe délivre exactement le débit d'huile requis pour atteindre le niveau de pression de régulation. Elle est entraînée par chaîne par le vilebrequin.

Pompe de liquide de refroidissement électrique

La pompe de liquide de refroidissement est pilotée par un moteur électrique. La puissance du moteur électrique (400 W) est pilotée par une électronique de commande reliée au boîtier électronique DME (électronique numérique moteur) via une interface sérielle de données (BSD). A partir de la charge, de la plage de fonctionnement et des données des sondes de température, l'électronique DME détermine la capacité de refroidissement requise. L'électronique DME envoie à l'électronique de commande les signaux requis pour la régulation de la pompe de liquide de refroidissement.
Le moteur de la pompe est balayé par le liquide de refroidissement, de façon à refroidir à la fois le moteur et l'électronique de commande. Le liquide de refroidissement lubrifie également les paliers de la pompe électrique de liquide de refroidissement.

Capteur de qualité d'huile

Le capteur de qualité d'huile mesure les grandeurs suivantes :

• Température de l'huile moteur
  
• Niveau d'huile
  
• Qualité de l'huile moteur
  

Le capteur de qualité d'huile envoie les valeurs de mesure au boîtier électronique DME.

Calage variable des arbres à cames d'admission et d'échappement (double VANOS)

Le dispositif de calage variable des arbres à cames sert à augmenter le couple à bas et moyens régimes.
Une électrovanne VANOS pilote au niveau de chaque arbre à cames (admission et échappement) une unité de réglage VANOS. Les électrovannes VANOS sont pilotées par le boîtier électronique DME.
Les deux unités de réglage VANOS variables permettent d'influer sur le calage de la distribution.
Au ralenti, le croisement relativement important des soupapes réduit la quantité de gaz résiduels dans le cylindre. Le recyclage interne des gaz d'échappement à charge partielle réduit les émissions d'oxydes d'azote.

Prudence ! Ne pas intervertir les unités de réglage VANOS.

Les unités de réglage VANOS côté admission et côté échappement possèdent des courses de réglage différentes. Elles ne doivent pas être interverties sous peine d'endommager le moteur suite à une collision entre les pistons et les soupapes.
Le côté de montage est gravé sur la face avant de l'unité de réglage VANOS.

Carter-cylindres en aluminium

Le moteur possède un carter-cylindres en deux parties en aluminium. Pour améliorer la rigidité, la partie inférieure se présente sous la forme d'un carter-semelle (bedplatte).

Fonctions du système

La présente description de fonctionnement décrit les fonctions système suivantes :

• Régulation de la pression de suralimentation
  
• Dégazage du moteur
  
• Refroidissement du moteur
  
• Alimentation en huile à débit volumique régulé
  
• Alimentation en carburant adaptée aux besoins
  
• Protection système
  
  

Régulation de la pression de suralimentation

Le boîtier électronique DME régule la pression de suralimentation des turbocompresseurs par l'intermédiaire d'un clapet bypass (wastegate). Les clapets bypass sont pilotés par l'intermédiaire de convertisseurs de pression électropneumatiques (pilotage cartographique par le boîtier DME).

Les clapets bypass sont complétés par 2 clapets de dérivation d'air. En l'absence des clapets de dérivation d'air, les turbocompresseurs devraient surmonter la pression dynamique du papillon fermé.
A la fermeture du papillon, les clapets de dérivation d'air s'ouvrent sous l'action de la dépression qui règne dans le collecteur d'admission. A l'état ouvert, les clapets de dérivation d'air relient l'entrée du compresseur à la sortie du compresseur, ce qui évite l'apparition d'une pression dynamique trop élevée.

Dégazage du moteur

Le système de dégazage du carter-cylindres est commandé par pression. Suivant la valeur de la pression d'admission et de la pression de suralimentation, le dégazage s'effectue dans les conduits d'admission via un rail distributeur sextuple ou dans la tubulure d'air épuré en amont du turbocompresseur (cylindres 4 à 6). Le rail distributeur est intégré dans le couvre-culasse.

Le système de dégazage du moteur comprend 2 clapets.

• Clapet anti-retour limiteur de pression
  Le clapet anti-retour limiteur de pression régule le débit en fonction de la dépression d'admission et commande l'introduction des gaz de carter (gaz blow-by) dans les conduits d'admission.
  Au delà d'une pression de suralimentation déterminée, le clapet anti-retour limiteur de pression se ferme.
  
• Clapet anti-retour vers la tubulure d'air épuré
  Les 2 tubulures d'air épuré sont disposées en aval du silencieux d'admission. Chaque tubulure d'air épuré relie le filtre à air avec un turbocompresseur. Les tubulures d'air épuré acheminent l'air épuré par le filtre à air vers les compresseurs.
  Au delà d'une pression de suralimentation déterminée, la pression qui règne dans la tubulure d'air épuré provoque l'ouverture du clapet anti-retour. Les gaz de carter sont acheminés via la tubulure d'air épuré vers le turbocompresseur (cylindres 4 à 6).
  Au niveau du point de raccordement de la tubulure d'air épuré est logé un chauffage à caractéristique CTP (coefficient de température positif) lequel est piloté par la borne 87.
  
  

Refroidissement du moteur

Le système de refroidissement du moteur à pompe de liquide de refroidissement électrique exploite les possibilités offertes par les systèmes de refroidissement conventionnels. L'unité de thermogestion détermine les besoins de refroidissement momentanés et régule le système de refroidissement en conséquence.

La thermogestion agit sur les composants suivants :

• Pompe de liquide de refroidissement électrique
  
• Thermostat cartographique
  
• Electronique numérique moteur (DME)
  

La capacité de refroidissement du système est adaptée en faisant varier le débit volumique de liquide de refroidissement.

L'unité de thermogestion détermine le besoin de refroidissement momentané et régule le système de refroidissement en conséquence. Selon les circonstances, la pompe à liquide de refroidissement peut même être complètement arrêtée, par exemple afin de chauffer plus rapidement le liquide de refroidissement pendant la phase de montée en température.
A l'arrêt du moteur ou quand le moteur est très chaud, la pompe de liquide de refroidissement continue de fonctionner même quand le véhicule est à l'arrêt. L'unité de thermogestion peut donc demander une certaine capacité de refroidissement indépendamment du régime moteur.

L'unité de thermogestion peut se baser, via le thermostat cartographique, sur différentes cartographies pour la commande de la pompe à liquide de refroidissement, ce qui permet au boîtier électronique de gestion moteur d'adapter la température moteur au comportement de marche.

Le boîtier de gestion moteur (MSD80) distingue pour la régulation les plages de température suivantes :

• 108 °C = Mode économie
  
• 104 °C = Mode normal
  
• 95 °C = Mode High
  
• 90 °C = Mode High avec régulation par le thermostat cartographique
  

• 
  Quand l'électronique de gestion moteur détecte sur la base du comportement de conduite la possibilité de faire fonctionner le moteur en mode économique, le boîtier DME régule la température dans la culasse à une valeur plus élevée (108 °C).
  Dans cette plage de températures, la consommation en carburant du moteur est relativement faible et les frottements sont moins importants que quand la température est plus basse. La hausse de température permet par conséquent de réduire la consommation à faibles charges.
  Dans le ”mode High avec régulation par le thermostat cartographique”, le conducteur souhaite exploiter pleinement la puissance développée par le moteur. Pour cela, la température dans la culasse est abaissée à 90 °C. Il en résulte un meilleur remplissage, d'où un surcroît de couple moteur. Le boîtier de gestion moteur peut donc choisir, en fonction de la situation de conduite, d'effectuer la régulation dans l'une ou l'autres des 4 plages de températures. Ce nouveau moteur permet donc d'influer, par l'intermédiaire du système de refroidissement, sur la consommation et la puissance.
  

Thermostat d'huile moteur

Le thermostat d'huile moteur est disposé sur le filtre à huile.

Le thermostat d'huile moteur s'ouvre et se ferme en fonction de la température. Il ne se ferme néanmoins jamais complètement mais laisse toujours passer une certaine quantité d'huile minimum en direction du refroidisseur d'huile moteur.
Jusqu'à une température d'huile moteur de 110 °C, le thermostat d'huile moteur est fermé.
Le thermostat d'huile moteur réachemine l'huile moteur refoulée par la pompe vers le carter d'huile par le circuit de dérivation. On obtient ainsi un échauffement rapide du moteur.
A partir d'une température d'huile moteur de 110 °C, le thermostat d'huile moteur s'ouvre et réduit la section d'ouverture dans le circuit de dérivation. Il en résulte une élévation du débit d'huile dans la conduite allant au refroidisseur d'huile moteur. A partir d'une température de l'ordre de 125 °C, le thermostat est entièrement ouvert.

Alimentation en huile à débit volumique régulé

La pompe à huile à débit volumique régulé (pompe cellulaire à tiroir oscillant) délivre exactement le débit d'huile requis pour atteindre le niveau de pression de régulation.

La pression d'huile générée agit via la conduite de commande sur un piston régulateur à portée oblique en s'opposant à la force d'un ressort.
Quand le besoin en huile du moteur augmente, la pression au sein du système de lubrification et donc au niveau du piston régulateur diminue. La pompe à huile se met à refouler un volume plus important de façon à rétablir l'équilibre de pression initial. Quand le besoin en huile du moteur diminue à nouveau, la pompe refoule conformément à la position du piston régulateur un volume d'huile plus faible.

Le capteur de qualité d'huile communique au boîtier électronique DME la température de l'huile moteur et le niveau d'huile. Pour le calcul du niveau d'huile, le boîtier électronique DME détermine le temps de chauffage et de refroidissement de l'huile moteur. La pression d'huile est fournie par le manocontacteur d'huile. Le boîtier électronique DME pilote via le bus PT-CAN le voyant de contrôle et d'alerte du combiné d'instruments (rouge : pression d'huile trop faible ; jaune : niveau d'huile trop faible)

Alimentation en carburant adaptée aux besoins

Le capteur basse pression de carburant délivre au boîtier électronique de gestion moteur (boîtier DME) un signal de tension correspondant à la pression système présente entre la pompe électrique à carburant et la pompe haute pression.
La pression système (basse pression) est mesurée par le capteur basse pression de carburant placé en amont de la pompe haute pression.

Le boîtier électronique DME effectue en permanence une comparaison pression de consigne / pression réelle. En cas d'écart entre ces deux pressions, le boîtier DME augmente ou diminue la tension de commande de la pompe électrique à carburant, transmise via le bus PT-CAN au boîtier électronique EKP sous forme de message. Le boîtier électronique EKP convertit le message en une tension de sortie pour la pompe électrique à carburant. On obtient ainsi la pression primaire requise à appliquer à l'entrée de la pompe haute pression.

En cas de défaillance du signal (capteur basse pression de carburant), la pompe électrique à carburant est pilotée de façon prédictive à la mise sous tension de borne 15.
En cas de défaillance du bus CAN, la pompe électrique à carburant est pilotée par la tension du réseau de bord via le boîtier électronique EKP.

La pompe haute pression comprime le carburant à une pression comprise entre 50 et 200 bar. Le carburant sous pression est acheminé vers le rail par la conduite haute pression. Le rail (rampe) emmagasine le carburant sous pression et l'achemine vers les injecteurs.
Le capteur de pression de rail mesure la pression de carburant au sein du rail. Quand le régulateur de débit intégré à la pompe haute pression s'ouvre, le trop-plein de carburant est refoulé vers l'entrée de la pompe haute pression.
En cas de défaillance de la pompe haute pression, un fonctionnement en mode dégradé est possible.

Protection du système

En cas de surchauffe du liquide de refroidissement et de l'huile moteur pendant le fonctionnement du moteur, certaines fonctions du véhicule sont ”influencées” de manière à ce que le refroidissement du moteur dispose de plus d'énergie.

Les mesures prises peuvent être classées en deux catégories :

• Protection des composants
  
• Cas d'urgence
  
  

• Protection des composants
  Température du liquide de refroidissement comprise entre 117 et 124 °C
  Température de l'huile moteur comprise entre 150 et 157 °C
  Mode d'action : p. ex. réduction de la puissance du climatiseur (jusqu'à 100 %) et du moteur
  
  
• Cas d'urgence
  Température du liquide de refroidissement comprise entre 125 et 129 °C
  Température de l'huile moteur comprise entre 158 et 163 °C
  Mode d'action : p. ex. réduction de la puissance du moteur (jusqu'à env. 90 %)
  
  

Indications pour le service après-vente

Indications générales

Avertissement ! N'intervenir sur le système de carburant que quand le moteur est froid.

A des températures de liquide de refroidissement supérieures à 40 °C, du carburant peut être expulsé à grande vitesse lors du desserrage des injecteurs.

Sous réserve de fautes d'impression, d'erreurs et de modifications techniques.