Motore N54

Motore N54

La nuova generazione di motori a benzina a 6 cilindri (NG6) prosegue con una rielaborazione.
Con il nuovo motore a benzina a 6 cilindri sovralimentato N54 ad iniezione diretta, BMW avvia il proprio ritorno alla tecnologia turbo.

Nel nuovo motore turbo si adotta l'iniezione diretta di seconda generazione (DI2). L'iniezione diretta (HPI: High Precision Injection) assicura un grado di libertà maggiore nel dosaggio del volume e nella durata dell'iniezione (iniezione multipla fino a 3 volte a seconda del carico e del regime) nonché nella distribuzione della miscela nella camera di combustione. In tal modo si agisce positivamente sulla potenza, sulla coppia del motore, sui consumi e sulle emissioni inquinanti.
Per effetto del raffreddamento della miscela tramite l'iniezione diretta del carburante, la compressione può aumentare rispetto ad un motore turbo con iniezione nel collettore di aspirazione. Questo fenomeno migliora il grado di rendimento.
Con l'iniezione diretta, in tutta la camera di combustione si ottiene una formazione omogenea della miscela. Formazione omogenea della miscela significa che si stabilisce un rapporto stechiometrico carburante-aria (lambda = 1) come nell'iniezione nel collettore di aspirazione.
(per stechiometrico si intende un rapporto carburante-aria di 14,8 chilogrammi di aria per 1 chilogrammo di carburante.) Con la formazione omogenea della miscela si può impiegare un sistema di post-trattamento dei gas di scarico di tipo convenzionale.

All'erogazione chiaramente più spontanea della potenza provvede, in particolare, il sistema bi-turbo. Al posto di un unico turbocompressore grande, due gruppi più piccoli alimentano di volta in volta tre cilindri con aria compressa. Vantaggio sostanziale del turbocompressore di piccole dimensioni è il momento d'inerzia ridotto delle masse. Sin dal più lieve movimento del modulo pedale acceleratore si risponde con un'immediata generazione di pressione.
Allo stesso tempo l'utilizzo della fasatura variabile (doppia VANOS) permette un cambio di carica ottimale, il che produce una coppia motore elevata a basso regime ed un'elasticità sovrana.

Breve descrizione dei componenti

Di seguito si descrivono i seguenti componenti del motore N54:

• Elettronica digitale del motore
  
• Centralina EKP e pompa carburante elettrica
  
• Pompa ad alta pressione carburante
  
• Rail con relativo sensore di pressione
  
• Iniettori (iniettori ad alta pressione)
  
• Sensore di pressione collettore di aspirazione
  
• Turbocompressore a gas di scarico
  
• Pompa olio con controllo della portata
  
• Pompa liquido di raffreddamento elettrica
  
• Comando variabile degli alberi a camme lato aspirazione e scarico ”Doppia VANOS”
  
• Sensore condizione olio
  
• Basamento in alluminio
  
  

DME: Elettronica digitale del motore

Sul circuito stampato della centralina DME (MSD80) sono presenti 3 sensori:

• Sensore di temperatura
  
• Sensore di pressione ambientale
  
• Sensore di tensione
  

Il sensore di temperatura serve a calcolare la temperatura dei componenti nella centralina DME.
Il sensore di pressione ambientale è necessario per il calcolo della composizione della miscela. La pressione ambientale diminuisce con l'aumento dell'altezza sul livello del mare.
Il sensore di tensione sorveglia l'alimentazione della tensione mediante il morsetto 87.

Centralina EKP e pompa carburante elettrica

La centralina DME calcola il fabbisgono di carburante del motore. La quantità di carburante necessaria viene trasmetta sotto forma di messaggio via PT-CAN alla centralina EKP. Questo messaggio viene convertito dalla centralina EKP in tensione in uscita. Con questa tensione in uscita si calcola il regime della pompa elettrica del carburante. In tal modo si ottiene un'alimentazione della pompa alta pressione orientata al fabbisogno.

La pompa carburante elettrica si trova in una pompa In-Tank.
A partire dall'inserimento del morsetto 15 essa si inserisce.

Pompa ad alta pressione carburante

La pompa ad alta pressione del carburante comprime il carburante (intervallo tra 50 e 200 bar) alimentandolo al rail.

La pompa è collegata a vite con l'estremità posteriore del depressore. L'albero di comando della pompa ad alta pressione è collegato con quello del depressore.

La valvola di regolazione portata controlla la pressione carburante nel rail. Essa è attivata attraverso un segnale modulato in ampiezza di impulso (segnale PWM) dalla centralina DME. A seconda del segnale PWM, viene abilitata una sezione diversa della farfalla e impostata la portata di carburante necessaria allo stato di carica del motore Inoltre viene offerta la possibilità di scaricare la pressione nel rail.
Qualora venga diagnosticato un difetto nel sistema, ad es. l'avaria del sensore dell'alta pressione, la valvola di regolazione della portata viene spenta. Il carburante giunge quindi nel rail attraverso una cosiddetta valvola bypass.

La valvola di regolazione della portata è un componente della pompa ad alta pressione e può essere smontata nell'ambito del Service.

Rail con relativo sensore di pressione

Nel rail il carburante compresso viene accumulato temporaneamente e distribuito agli iniettori.

Il sensore di pressione rail misura la pressione del carburante corrente nel rail.

La pressione carburante giunge attraverso l'attacco dell'alta pressione alla membrana con elemento sensore. La deformazione della membrana viene trasformata dall'elemento sensore in un segnale elettrico. Il circuito analizzatore elabora il segnale ed inoltra un segnale analogico in tensione alla DME. Il segnale in tensione aumenta in modo lineare con l'aumento della pressione carburante.

Il segnale del sensore di pressione rail è un segnale importante per la DME ai fini dell'attivazione della valvola di regolazione della portata (componente della pompa alta pressione).
In caso di avaria del sensore di pressione rail, la DME attiva d'emergenza la valvola di regolazione della portata.

Iniettori (iniettori ad alta pressione)

L'iniettore inietta il carburante ad alta pressione nella camera di combustione. L'iniettore apre la punta dell'ago dell'ugello verso l'esterno generando un interstizio di pochi micron. Questo interstizio permette l'iniezione diretta del carburante con un getto uniforme a forma conica.

L'attivazione piezoelettrica offre rispetto all'attivazione mediante bobine elttromagnetiche i seguenti vantaggi:

• migliori possibilità di iniezione multipla con attivazioni rapide e tempi morti ridottissimi.
  

In tal modo si ottengono chiari miglioramenti in relazione alle emissioni inquinanti ed al consumo di carburante.

Un elemento piezoelettrico è un convertitore elettromeccanico. Esso consiste in ceramica e trasforma l'energia elettrica direttamente in energia meccanica (forza/corsa). Questo elemento si dilata quando viene applicata tensione. In questo modo si genera la corsa dell'ago dell'ugello.
Per ottenere una corsa maggiore, l'elemento piezoelettrico può essere costituito da più strati.

Sensore di pressione collettore di aspirazione

Il sensore di pressione collettore di aspirazione misura la depressione nell'impianto di aspirazione. La depressione nel collettore di aspirazione serve da valore sostitutivo per il segnale di carico. Il sensore di pressione del collettore è montato dietro la valvola a farfalla.

Turbocompressore a gas di scarico

Il motore è equipaggiato con 2 turbocompressori (un turbocompressore sul collettore di scarico per i cilindri 1 - 3, un secondo sul collettore di scarico per i cilindri 4 - 6). Le turbine permettono temperature dei gas di scarico particolarmente elevate (1050 °C) che permettono di ottenere, in particolare a carico elevato, una notevole riduzione dei consumi.
La pressione di sovralimentazione del turbocompressore è regolata dalla DME attraverso una valvola bypass (valvola Wastegate). Attraverso la valvola bypass si devia una parte dei gas di scarico alla turbina.
Le valvole bypass vengono attivate attraverso convertitori di pressione elettropneumatici dalla DME e possono essere regolate in modo variabile.
Per raffreddare e lubrificare il turbocompressore sulla carcassa sono presenti 2 attacchi per il circuito di raffreddamento del motore e 2 per il circuito dell'olio.

Pompa dell'olio con regolazione della portata

Il motore dispone di una pompa dell'olio con regolazione della portata. Questa pompa alimenta olio per quanto necessario a raggiungere il livello della pressione di regolazione. La pompa dell'olio viene azionata dall'albero motore mediate una catena.

Pompa liquido di raffreddamento elettrica

Un motorino elettrico aziona la pompa del liquido di raffreddamento. La potenza del motorino elettrico (400 Watt) è controllata da una centralina elettronica. Questa centralina è collegata attraverso l'interfaccia dati seriale con la DME (elettronica digitale del motore). La DME determina la potenza di raffreddamento necessaria in base al carico, all'intervallo di esercizio e ai dati dei sensori di temperatura. La DME trasmette all'elettronica di comando i segnali di regolazione della pompa liquido di raffreddamento.
Il motore viene percorso dal liquido di raffreddamento. In tal modo motore e centralina si raffreddano. Con il liquido di raffreddamento si lubrificano anche i cuscinetti della pompa elettrica.

Sensore di stato olio

Il sensore di stato olio rileva le seguenti grandezze:

• temperatura olio motore
  
• livello olio
  
• qualità olio motore
  

Il sensore trasmette i valori rilevati alla DME.

Comando variabile per gli alberi a camme lato aspirazione e scarico ”Doppia VANOS”

Il comando variabile degli alberi a camme serve ad aumentare la coppia nell'intervallo di regime inferiore e centrale.
Una elettrovalvola VANOS attiva un'unità di regolazione VANOS sul lato aspirazione ed una l'unità sul lato scarico. Le elettrovalvole VANOS vengono attivate dalla centralina DME.
La fasatura del motore è influenzabile in modo continuo dalle due unità di regolazione VANOS.
Per effetto del maggiore ricoprimento delle valvole si ottengono quantità inferiori di gas residui a regime minimo. Il ricircolo interno dei gas di scarico ai carichi parziali riduce la quantità di ossido di azoto.

ATTENZIONE! Non scambiare le unità di regolazione VANOS.

Le due unità hanno corse di regolazione diverse per il lato aspirazione e scarico. Quindi, in caso di scambio delle due unità, si rischiano danni al motore per l'inceppamento delle valvole.
Sul lato anteriore dell'unità VANOS è inciso il lato di montaggio.

Basamento in alluminio

Nel motore si impiega un basamento in alluminio sdoppiato. Per aumentare la rigidità, la parte inferiore ha una struttura a ”bedplate”.

Funzioni del sistema

Di questo sistema si descrivono le seguenti funzioni:

• Regolazione pressione di sovralimentazione
  
• Sfiato motore
  
• raffreddamento motore
  
• Alimentazione dell'olio con regolazione della portata
  
• Alimentazione di carburante secondo fabbisogno
  
• Protezione del sistema
  
  

Regolazione pressione di sovralimentazione

La pressione di sovralimentazione del turbocompressore è regolata dalla DME attraverso una valvola bypass (valvola Wastegate). Le valvole Bypass vengono attivate dalla DME mediante un convertitore di pressione elettropneumatico (azionato sulla base di un diagramma caratteristico).

Oltre alle valvole Bypass, sono montate 2 valvole di ricircolo aria in fase di rilascio. Senza queste valvole i turbocompressori dovrebbero lavorare in antagonismo alla pressione dinamica generata dalla chiusura della valvola a farfalla.
Se la valvola a farfalla si chiude, le valvole di ricircolo aria in fase di rilascio si aprono per effetto dell'aumento della depressione nel collettore di aspirazione. Le valvole aperte collegano di volta in volta il lato aspirazione del compressore con quello di scarico. In tal modo si impedisce che la pressione dinamica aumenti a livelli inammissibili.

Sfiato motore

Lo sfiato motore è comandato regolato in funzione della pressione. A seconda della depressione nel collettore di aspirazione e della pressione di sovralimentazione lo sfiato si realizza attraverso un distributore a 6 fori nei canali di aspirazione o nel tubo dell'aria depurata a monte del turbocompressore (cilindri 4 - 6). Il distributore è integrato nel copritestata.

Per lo sfiato motore sono montate 2 valvole.

• Valvola di non ritorno con limitazione pressione
  La valvola di non ritorno con limitazione pressione regola la portata in funzione della depressione nel collettore di aspirazione e controlla l'afflusso dei gas di blow-by nei canali di aspirazione.
  A partire da una pressione di sovralimentazione definita la valvola di non ritorno si chiude.
  
• Valvola di non ritorno al tubo dell'aria depurata
  I 2 tubi dell'aria depurata sono disposti a valle del silenziatore di aspirazione. Ciascun tubo collega il filtro dell'aria con un turbocompressore. Nel tubo l'aria depurata nel filtro viene convogliata al compressore.
  A partire da una pressione di sovralimentazione definita la valvola di non ritorno si apre nel collettore per effetto della depressione presente. I gas di blow-by vengono sfiatati nel tubo diretto al turbocompressore (cilindri 4 - 6).
  L'attacco dello sfiato dispone nel raccordo con il tubo dell'aria depurata di un riscaldamento operante secondo il principio PTC (coefficiente di temperatura positivo). Questo riscaldamento è attivato attraverso il morsetto 87.
  
  

raffreddamento motore

Per l'impianto di raffreddamento con pompa elettrica del liquido di raffreddamento vengono utilizzate le possibilità del sistema di raffreddamento convenzionale. Attraverso la gestione del calore si rileva l'esigenza di refrigerazione ed il sistema di raffreddamento viene regolato di conseguenza.

La gestione del calore influisce sui seguenti componenti:

• pompa liquido di raffreddamento elettrica
  
• Termostato a diagramma caratteristico
  
• Elettronica digitale del motore (DME)
  

La potenza di raffreddamento del sistema viene adattata variando il volume del liquido di raffreddamento.

La gestione del calore rileva la necessità di raffreddamento corrente al momento e regola di conseguenza l'impianto di raffreddamento. In determinate condizioni può anche accadere che la pompa del raffreddamento venga del tutto disattivata, ad esempio per ottenere un riscaldamento più rapido del liquido di raffreddamento nella fase di riscaldamento motore.
A motore spento e molto caldo, la pompa del liquido di raffreddamento funziona anche a vettura ferma. In questo modo può essere richiesto raffreddamento indipendentemente dal regime.

La gestione del calore permette ora, attraverso il termostato a diagramma caratteristico, di utilizzare diagrammi diversi per il controllo della pompa. Così, la centralina del motore può adattare la temperatura del motore alle esigenze di marcia.

La centralina di gestione motore (MSD80) regola i seguenti intervalli di temperatura:

• 108 °C = funzionamento Economy
  
• 104 °C = funzionamento normale
  
• 95 °C = funzionamento High
  
• 90 °C = funzionamento High e regolazione tramite il termostato a diagramma caratteristico
  

• 
  Quando la centralina del motore riconosce, in base alle condizioni di marcia, l'esercizio ”Economy” orientato al risparmio, la DME imposta una temperatura più elevata (108 °C).
  In questo intervallo di temperature il motore funziona con un consumo di carburante relativamente basso. Alle temperature più elevate l'attrito interno al motore è ridotto. L'aumento della temperatura favorisce quindi un minore consumo di carburante ai carichi più bassi.
  Nell'esercizio ”High e regolazione mediante termostato a diagramma caratteristico”, il guidatore desidera sfruttare tutta la potenza erogata dal motore. A tal fine, la temperatura nella testata viene ridotta a 90 °C. Questa riduzione permette un miglior grado di riempimento che porta, a sua volta, ad un aumento della coppia del motore. Ora la centralina del motore può impostare una determinata fascia di esercizio adattata alla situazione di marcia. In questo modo, con l'impianto di raffreddamento è possibile influire sui consumi e sulla potenza erogata.
  

Termostato olio motore

Il termostato dell'olio motore si trova nel filtro olio.

Il termostato dell'olio motore si apre o chiude in funzione della temperatura. Esso non si chiude tuttavia completamente, ma mantiene una portata minima d'olio al radiatore.
Fino ad una temperatura olio di 110 °C il termostato rimane chiuso.
L'olio motore alimentato viene fatto defluire nel ritorno attraverso il termostato disposto nel circuito di esclusione. In tal modo si garantisce un riscaldamento rapido del motore.
A partire da una temperatura olio di 110 °C il termostato si apre, riducendo il foro di apertura nel circuito. In tal modo il flusso dell'olio nella tubazione del radiatore aumenta. A partire da circa 125 °C il termostato è completamente aperto.

Alimentazione dell'olio con regolazione della portata

La pompa olio a flusso regolato (pompa volumetrica con saracinesca oscillante) alimenta olio per quanto necessario a raggiungere il livello normale di pressione.

La pressione generata agisce sul pistone di regolazione attraverso la tubazione di comando con superficie d'appoggio inclinata (sostegno oscillante) in antagonismo alla forza di una molla di compressione.
Se la quantità di olio richiesta nel motore aumenta, diminuisce la pressione nell'impianto di lubrificazione e quindi anche sul pistone di regolazione. La pompa olio aumenta la portata e ripristina le condizioni di pressione precedenti. Se il fabbisogno di olio nel motore diminuisce, la pompa imposta una portata più esigua in base alla posizione del pistone.

Il sensore di stato olio segnala alla centralina DME la temperatura dell'olio motore ed il livello dell'olio. Per il calcolo del livello la centralina DME calcola il tempo occorrente al riscaldamento ed al raffreddamento dell'olio motore. Il pressostato dell'olio segnala la pressione olio. La centralina DME attiva attraverso il PT-CAN la spia di avviso e controllo nella strumentazione (rossa: pressione olio esigua; gialla: livello olio esiguo)

Alimentazione di carburante mirata al fabbisogno

In base alla pressione presente nel sistema tra la pompa carburante e la pompa ad alta pressione il sensore di bassa pressione carburante emette un segnale in tensione alla centralina di gestione motore (centralina DME).
La pressione del sistema (bassa pressione) viene rilevata con l'apposito sensore a monte della pompa.

La centralina DME svolge continuamente un confronto tra la pressione nominale e quella effettiva. In caso di scostamenti la centralina DME aumenta o diminuisce la tensione alla pompa carburante elettrica, trasmessa sotto forma di messaggio via PT-CAN alla centralina EKP. La centralina EKP trasforma il messaggio in tensione in uscita per la pompa carburante elettrica. In tal modo si imposta la pressione di mandata necessaria per il motore (o pompa ad alta pressione).

In caso di caduta del segnale (sensore di bassa pressione carburante) con l'inserimento del morsetto 15 la pompa carburante elettrica viene precomandata.
Se il bus CAN è in avaria, la pompa carburante elettrica viene azionata attraverso la centralina EKP con la tensione presente nella rete di bordo.

La pompa ad alta pressione comprime il carburante ad una pressione tra 50 e 200 bar. Attraverso la tubazione ad alta pressione il carburante compresso giunge al rail. Nel rail il carburante compresso viene accumulato temporaneamente e distribuito agli iniettori.
Il sensore di pressione rail misura la pressione carburante corrente al momento nel rail. Quando la valvola di regolazione della portata nella pompa ad alta pressione si apre, il carburante alimentato in eccesso viene fatto nuovamente defluire nella tubazione di mandata nella pompa.
In caso di avaria della pompa è possibile proseguire la marcia con determinate restrizioni.

Protezione del sistema

In caso di temperature eccessive del liquido di raffreddamento o dell'olio motore con motore in funzione, si influenzano determinate funzioni nella vettura in modo che il raffreddamento motore disponga di più energia.

Le misure si suddividono in 2 modalità d'esercizio:

• protezione dei componenti
  
• emergenza
  
  

• Protezione dei componenti
  Temperatura liquido di raffreddamento tra 117 °C e 124 °C
  Temperatura olio motore tra 150 °C e 157 °C
  Provvedimento: ad es. riduzione della potenza del climatizzatore (fino al 100 %) e del motore
  
  
• Emergenza
  Temperatura liquido di raffreddamento tra 125 °C e 129 °C
  Temperatura olio motore tra 158 °C e 163 °C
  Provvedimento: ad es. riduzione della potenza del motore (fino a circa il 90 %)
  
  

Avvertenza per l'Assistenza

Avvertenze generali

Attenzione Eseguire gli interventi sulI'impianto di alimentazione solo a motore freddo.

Con temperatura del liquido di raffreddamento superiore a 40 °C nel disimpegnare gli iniettori può fuoriuscire un forte getto di carburante.

Salvo refusi, errori e modifiche tecniche.