Le fonctionnement en charge stratifiée (fonctionnement avec mélange pauvre) est décrit en prenant pour exemple le moteur 6 cylindres N53. Le nouveau moteur essence 4 cylindres N43 dispose également de ce mode de fonctionnement.
Le moteur N53 (p. ex. N53B30O0) se base sur le plan de la conception sur le moteur N52. Le moteur N53 dispose comme le moteur N54 d'une injection directe. Le moteur N53 n'est cependant pas suralimenté. Le moteur N53 fonctionne par ailleurs sur une plage étendue en charge stratifiée (Lambda jusque 2,5). Le moteur 6 cylindres a été conçu pour le marché européen (ACEA : Association des Constructeurs Européens d'Automobiles). Le système d'échappement dispose d'un catalyseur de dénitrification.
L'injection directe assistée par jet d'air (HPI : High Precision Injection) fournit des degrés de liberté supplémentaires :
Elle permet d'obtenir de meilleures performances en termes de puissance, couple moteur, consommation et émissions polluantes.
Le fonctionnement en charge stratifiée permet d'atteindre un nouveau niveau d'efficacité dynamique (désignation marketing utilisée par BMW : EfficientDynamics). Le moteur exploite mieux son potentiel de puissance tout en consommant moins.
La présente description de fonctionnement décrit les composants suivants :
Sur les moteurs à injection directe, l'injecteur est placé au centre, entre les soupapes et à proximité immédiate de la bougie d'allumage. Dans cette position, l'injecteur s'ouvrant vers l'extérieur peut répartir le carburant de façon annulaire (cône creux) et très homogène dans la chambre de combustion. Il en résulte non seulement un dosage plus précis du carburant mais aussi un effet de refroidissement. D'où un rapport volumétrique plus élevé et un meilleur rendement du processus de combustion.
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Explication |
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|---|---|---|---|
1 |
Injecteur |
2 |
Culasse |
3 |
Piston |
4 |
Chambre de combustion |
5 |
Bougie d'allumage |
6 |
Bobine d'allumage |
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 l'ordre de 40 micromètres. L'interstice annulaire donne au jet la forme requise pour l'injection directe assistée par jet d'air et assure une pulvérisation homogène du carburant par un cône creux. Le mode d'activation piézo-électrique offre par rapport à l'activation par bobines magnétiques les avantages suivants :
D'où de meilleures performances en termes d'émissions polluantes et de consommation de carburant.
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Explication |
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|---|---|---|---|
1 |
Injecteur |
2 |
Capteur de pression de rail |
3 |
Rail |
4 |
Capteur basse pression de carburant |
5 |
Régulateur de débit |
6 |
Pompe haute pression |
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 provoque la levée de l'aiguille d'injecteur. Pour obtenir une levée suffisamment importante, plusieurs éléments piézoélectriques sont empilés.
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Explication |
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|---|---|---|---|
1 |
Elément piézoélectrique en l'absence de tension |
2 |
Couches d'éléments piézoélectriques |
3 |
Elément piézoélectrique en présence d'une tension |
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Les oxydes d'azote désignent l'ensemble des composés formés d'azote et d'oxygène. Les oxydes d'azote proviennent de réactions secondaires qui se produisent lors de tous les processus de combustion faisant intervenir de l'air (et donc de l'azote). L'azote ne participe pas directement dans le processus de combustion du carbone. Les températures élevées qui entrent jeu et la pression qui règne dans la chambre de combustion donnent lieu à des réactions d'oxydation avec l'oxygène de l'air. Il se forme alors principalement du monoxyde d'azote (NO), du dioxyde d'azote (NO2) et dans une moindre mesure du protoxyde d'azote (N2O).
Plus la température est élevée et plus la teneur en air du mélange de combustion est importante, plus il se forme d'oxydes d'azote. C'est la raison pour laquelle il est nécessaire d'équiper les moteurs fonctionnant en charge stratifiée d'un catalyseur de dénitrification.
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Explication |
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|---|---|---|---|
1 |
Sondes Lambda (sondes de régulation) |
2 |
Capteur d'oxydes d'azote |
3 |
Volet sur échappement |
4 |
Catalyseur de dénitrification banc 2 |
5 |
Catalyseur de dénitrification banc 1 |
6 |
Sonde de température de gaz d'échappement |
7 |
Catalyseur trois voies banc 2 |
8 |
Sondes Lambda (sondes de surveillance) |
9 |
Catalyseur trois voies banc 1 |
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Le catalyseur de dénitrification ressemble du point de vue constitution à un catalyseur trois voies. Un métal précieux agissant en catalyseur et un matériau de stockage intermédiaire (piège à NOx) sont déposés par voie chimique à la surface d'un support. Le catalyseur de dénitrification fonctionne dans une plage de températures allant de 220 °C à 450 °C. Il est possible dans cette plage de températures de stocker/déstocker les oxydes d'azote. La désulfatation requiert des températures encore plus élevées comprises entre 600 °C et 650 °C. Ces plages de température sont surveillées par les sondes de température de gaz d'échappement. La régénération (= déstockage des oxydes d'azote) est supervisée, initiée et gérée par l'électronique de gestion moteur (MSD80). Le boîtier de gestion moteur utilise à cet effet un modèle de calcul et les valeurs de mesure du capteur d'oxydes d'azote.
Le capteur d'oxydes d'azote est constitué de la sonde de mesure proprement dite et d'une électronique de traitement. L'électronique de traitement communique avec le boîtier de gestion moteur via le bus Local-CAN (bus CAN local).
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Explication |
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|---|---|---|---|
1 |
Capteur d'oxydes d'azote |
2 |
Electronique de traitement |
Le capteur d'oxydes d'azote fonctionne de façon similaire à une sonde Lambda large bande. Il mesure toutefois les oxydes d'azote et non l'oxygène. Le procédé de mesure se base sur le fait que la mesure de la teneur en oxydes d'azote peut être ramenée à une mesure de teneur en oxygène. Le capteur d'oxydes d'azote est l'électronique de traitement sont indissociables.
La présente description de fonctionnement décrit les fonctions système suivantes :
Nota ! Explication du concept de charge stratifiée.
La charge stratifiée désigne un procédé propre aux moteur à essence. Le carburant est injecté de façon à obtenir à proximité de la bougie d'allumage un mélange inflammable (Lambda = 0,5 à 1,0). Le reste de la chambre de combustion contient un mélange très pauvre, ininflammable (Lambda = 1,5 à 2,5).
Sur les moteurs à injection directe, l'injecteur plonge directement dans la chambre de combustion. L'air de combustion est aspiré quasiment sans étranglement (via le papillon). Le carburant n'est injecté que très tard pendant la phase de compression. Il ne se forme annulairement un mélange inflammable que dans la zone de la bougie d'allumage. La majeure partie de la chambre de combustion contient de l'air et des gaz résiduels. Du fait de l'excédent d'air, on obtient dans les gaz d'échappement des oxydes d'azote ne pouvant pas être réduits à l'aide d'un catalyseur trois voies conventionnel. D'où la nécessité de recourir à un catalyseur de dénitrification.
Le fonctionnement avec charge stratifiée n'est pas possible sur l'ensemble de plage de fonctionnement d'un moteur. Les limites physiques résultent des facteurs suivants :
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|---|---|---|---|
1 |
Fonctionnement étendu en charge stratifiée : |
2 |
Plage de transition : |
3 |
Fonctionnement homogène : |
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La capacité de stockage du catalyseur de dénitrification est limitée. Une fois que le matériau de stockage est complètement saturé, le catalyseur ne peut plus absorber d'oxydes d'azote. L'électronique de gestion moteur détecte cette saturation comme suit :
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Explication |
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|---|---|---|---|
1 |
Catalyseur de dénitrification |
2 |
Matériau de stockage (baryum) |
3 |
Capteur d'oxydes d'azote |
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Une fois que la charge de stockage maximale du catalyseur a été détectée par l'électronique de gestion moteur, celle-ci initie la régénération du piège à oxydes d'azote. Pour cela le mélange est légèrement enrichi (Lambda = 0,8). Lors de la régénération, les oxydes d'azote stockés dans le catalyseur sont convertis (par réduction catalytique). Au terme de la conversion, le mélange cesse d'être enrichi. Là aussi, l'électronique de gestion moteur fait appel à un modèle de calcul et au capteur d'oxydes d'azote. Le capteur d'oxydes d'azote mesure la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement. Un saut de tension de ”riche” vers ”pauvre” marque la fin de la régénération.
Attention ! Système d'alimentation en carburant haute pression !
Il n'est permis d'intervenir au niveau du système d'alimentation en carburant qu'après refroidissement du moteur. La température du liquide de refroidissement ne doit pas excéder 40 °C. Il y a sinon risque de blessure du fait de la pression résiduelle encore présente au sein du système haute pression.
Nota : Observer le manuel de réparation.
Une excellente propreté est de rigueur lors de toutes les interventions sur le système haute pression. La présence de particules de saleté, même infimes, et le moindre endommagement des vis de fixation des conduites haute pression risque d'entraîner des fuites.
Nota : Programme de secours.
Le programme de secours est activé dès que des valeurs d'émissions non plausibles sont détectées. Le moteur passe en plus en mode de fonctionnement homogène.
On distingue 2 programmes de secours : un programme de secours avec pression d'injection de 5 bar et un programme de secours avec pression d'injection de 100 bar.
Situations dans lesquelles le programme de secours avec pression de 5 bar est activé :
Situations dans lesquelles le programme de secours avec pression de 100 bar est activé :
Nota : Fonction SAV ”Calibrage d'un injecteur”.
Après remplacement du boîtier électronique de gestion moteur ou d'un injecteur, il est indispensable de mémoriser dans le boîtier électronique le code gravé de chaque injecteur/du nouvel injecteur en respectant l'ordre des cylindres. Exécuter la fonction SAV ”Calibrage d'un injecteur” sur le système de diagnostic BMW.
Nota : Fonction SAV ”Catalyseur de dénitrification”
Après remplacement du boîtier électronique de gestion moteur, il est indispensable de transférer dans le nouveau boîtier l'état de vieillissement et de sulfatation des deux catalyseurs de dénitrification.
Après remplacement des catalyseurs de dénitrification, il est indispensable de réinitialiser dans le boîtier électronique l'état de vieillissement et de sulfatation des deux catalyseurs.
Nota : Sulfatation du catalyseur de dénitrification.
Les carburants sans soufre contiennent néanmoins une faible quantité de soufre. Le soufre diminue la capacité de stockage des catalyseurs de dénitrification. Une sulfatation du catalyseur de dénitrification fait que le moteur ne peut dès lors fonctionner qu'en mode homogène étant donné que le catalyseur ne peut plus stocker d'oxydes d'azote. L'électronique de gestion moteur reconnaît quand il y a sulfatation du catalyseur de dénitrification. Pour désulfater le catalyseur de dénitrification, celui-ci est chauffé à 600 - 650 °C tout en enrichissant le mélange (Lambda = 0,94).
Pour le chauffage actif du catalyseur de dénitrification, le véhicule doit se trouver dans la configuration suivante :
En cas d'enregistrement en mémoire du défaut ”Catalyseur de NOx sulfaté”, un chauffage plus fréquent peut être obtenu au moyen d'une certaine fonction SAV. Cette fonction reste active jusqu'au désulfatage complet du catalyseur de dénitrification.
Sous réserve de fautes d'impression, d'erreurs et de modifications techniques.