Il funzionamento a carica stratificata (miscela povera) viene descritto prendendo come esempio il motore a 6 cilindri N53. Anche il nuovo motore a benzina a 4 cilindri N43 consente il funzionamento a carica stratificata.
Il principio costruttivo dell'N53 (ad es. N53B30O0) è basato sull'N52. L'N53, come l'N54, dispone di un sistema di iniezione diretta. L'N53, tuttavia, non è turbocompresso. Inoltre, l'N53 viene utilizzato in campi di esercizio estesi con funzionamento a carica stratificata (lambda sino a 2,5). Il motore a 6 cilindri è progettato per il mercato europeo (ACEA: Associazione Europea dei Costruttori Automobilistici). L'impianto gas di scarico dispone di un catalizzatore NOx.
L'iniezione diretta a getto guidato (HPI: High Precision Injection) consente un maggior grado di libertà:
In tal modo si agisce positivamente sulla potenza, sulla coppia del motore, sui consumi e sulle emissioni inquinanti.
Con funzionamento a carica stratificata, la dinamica efficiente (denominazione commerciale BMW: EfficientDynamics) raggiunge un livello più alto. Il motore sviluppa il suo potenziale di prestazioni con un consumo di carburante inferiore.
Vengono descritti i seguenti componenti:
Nell'iniezione diretta, l'iniettore è disposto al centro fra le valvole e nelle immediate vicinanze della candela d'accensione. In tale posizione, l'iniettore che si apre verso l'esterno può ripartire il carburante in forma anulare (getto conico) e in modo particolarmente uniforme nella camera di combustione. In questo modo, si ottiene non soltanto un dosaggio più preciso della miscela, ma al contempo anche un effetto refrigerante. Ciò consente una compressione maggiore, che a sua volta ottimizza il grado di rendimento della combustione.
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Spiegazione |
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Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Iniettore |
2 |
Testata cilindri |
3 |
Pistoni |
4 |
Camera di combustione |
5 |
Candela d'accensione |
6 |
Bobina d'accensione |
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 che misura sino a 40 micron. Questo interstizio consente l'iniezione diretta del carburante a getto guidato, provvedendo a diffondere il carburante uniformemente in un getto di forma conica. L'attivazione piezoelettrica offre rispetto all'attivazione mediante bobine elettromagnetiche i seguenti vantaggi:
In tal modo si ottengono chiari miglioramenti in relazione alle emissioni inquinanti ed al consumo di carburante.
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Spiegazione |
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Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Iniettore |
2 |
sensore della pressione del rail |
3 |
Rail |
4 |
Sensore bassa pressione carburante |
5 |
Valvola regolatrice di portata |
6 |
pompa ad alta pressione |
Un elemento piezoelettrico è un convertitore elettromeccanico. Esso è realizzato 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 ottiene la corsa dell'ago dell'ugello. Per ottenere una corsa maggiore, l'elemento piezoelettrico si può strutturare in più strati.
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Spiegazione |
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Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Elemento piezoelettrico in assenza di tensione |
2 |
Strati di elementi piezoelettrici |
3 |
Elemento piezoelettrico sotto tensione |
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”Ossido di azoto” (NOx) è un termine generale che raggruppa i vari composti di azoto e ossigeno. Gli ossidi di azoto si formano per reazione secondaria in tutti i processi di combustione con aria contenente ossigeno. L'ossigeno non partecipa alla combustione del carbonio propriamente detta. A causa delle elevate temperature che caratterizzano il processo e della pressione in camera di combustione, si verificano tuttavia processi di ossidazione con l'ossigeno in aria. In questa fase si formano soprattutto monossido di azoto (NO) e biossido di azoto (NO2), e in minore quantità protossido di azoto (N2O).
Quanto più elevate sono le temperature, e quanta più aria si trovi nella camera di combustione, tanto maggiore sarà la quota degli ossidi di azoto in formazione. Per tale ragione, i motori a carica stratificata devono essere dotati di un catalizzatore NOx.
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Spiegazione |
Indice |
Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Sonde lambda (sonde di regolazione) |
2 |
Sensore NOx |
3 |
Valvola di scarico |
4 |
Catalizzatore NOx bancata 2 |
5 |
Catalizzatore NOx bancata 1 |
6 |
Sensore di temperatura gas di scarico |
7 |
Catalizzatore a tre vie bancata 2 |
8 |
Sonde lambda (sonde di monitoraggio) |
9 |
Catalizzatore a tre vie bancata 1 |
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Il catalizzatore NOx è concettualmente simile ad un catalizzatore a tre vie. Su uno strato portante sono applicati un metallo nobile ad azione catalitica e uno strato di materiale per accumulo temporaneo degli ossidi di azoto. Il catalizzatore NOx funziona in un campo di temperatura da 220 °C a 450 °C. In questo campo di temperatura è possibile accumulare e rigenerare gli ossidi di azoto. Per la desolforazione è tuttavia necessario un campo di temperatura ancora superiore, da 600 °C a 650 °C. Questi campi di temperatura vengono sorvegliati dal sensore di temperatura gas di scarico. Il comando e la sorveglianza della rigenerazione vengono effettuati dalla centralina di gestione motore (MSD80). A tale scopo, la centralina di gestione motore utilizza un modello di calcolo e i valori di misura del sensore NOx.
Il sensore NOx è composto dalla sonda di misura propriamente detta e dalla relativa elettronica di valutazione. L'elettronica di valutazione comunica via Local-CAN (bus CAN locale) con la centralina di gestione motore.
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Spiegazione |
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Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Sensore NOx |
2 |
Elettronica di valutazione |
Il funzionamento del sensore NOx è paragonabile a quello di una sonda lambda a banda larga; in questo caso viene però misurato anche l'ossido di azoto. Il processo di misura si basa sul concetto di ricondurre la misurazione dell'ossido di azoto ad una misurazione dell'ossigeno. Il sensore NOx è collegato all'elettronica di valutazione e non può essere separato da essa.
Vengono descritte le seguenti funzioni del sistema:
Avvertenza! Spiegazione del concetto di ”carica stratificata”.
La carica stratificata è un processo utilizzato nei motori a benzina. In questo processo, il carburante viene iniettato in modo da formare una miscela infiammabile nella zona della candela d'accensione (lambda = 0,5 - 1,0). Il resto della camera di combustione presenta una miscela molto povera, non infiammabile (lambda = 1,5 - 2,5).
Nell'iniezione diretta, l'iniettore immette direttamente nella camera di combustione. L'aria di combustione viene aspirata praticamente senza strozzamenti (mediante la valvola a farfalla). Il carburante viene iniettato successivamente, durante la fase di compressione. Soltanto nella zona della candela d'accensione si crea, in forma anulare, una miscela infiammabile. La maggior parte della camera di combustione è riempita di aria e gas residui. Mediante l'eccesso d'aria si formano gas di scarico la cui composizione non consente di ridurre gli ossidi di azoto con un catalizzatore a tre vie di tipo convenzionale. Per questa ragione, è necessario un catalizzatore NOx.
Il funzionamento a carica stratificata non è possibile sull'intero campo di esercizio del motore. Risultano infatti i seguenti campi limite fisici:
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Spiegazione |
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Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Funzionamento a carica stratificata esteso: |
2 |
Campo transitorio: |
3 |
Campo di esercizio omogeneo: |
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La capacità di accumulo del catalizzatore NOx è limitata. Quando il materiale di accumulo è completamente saturo, non è più possibile assorbire altro ossido di azoto. La centralina di gestione motore rileva tale saturazione come segue:
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Spiegazione |
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Spiegazione |
|---|---|---|---|
1 |
Catalizzatore NOx |
2 |
Materiale di accumulo (bario) |
3 |
Sensore NOx |
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Quando viene stabilita la quantità massima di accumulo del catalizzatore di accumulo, la centralina di gestione motore attiva la rigenerazione degli ossidi di azoto. A tale scopo, la miscela viene leggermente arricchita (lambda = 0,8). Durante la rigenerazione, gli ossidi di azoto presenti sul catalizzatore vengono convertiti. Dopo la conversione, il funzionamento del motore con miscela arricchita viene nuovamente terminato. Anche in questo caso, vengono utilizzati un modello di calcolo e il sensore NOx. In tale ambito, il sensore NOx misura la concentrazione di ossigeno nei gas di scarico. Il salto di tensione da ”povera” a ”ricca” indica il momento in cui la rigenerazione viene conclusa.
Attenzione: Sistema di alimentazione carburante ad alta pressione!
Le operazioni su questo sistema di alimentazione carburante sono consentite esclusivamente a motore freddo. La temperatura del liquido di raffreddamento non deve superare i 40 °C. In caso contrario, la pressione residua nel sistema di alimentazione carburante ad alta pressione comporta pericolo di lesioni.
Avvertenza Osservare le istruzioni per le riparazioni.
Durante le operazioni sul sistema di alimentazione carburante ad alta pressione, osservare la massima pulizia. Anche impurità e danni di dimensioni minime alle filettature delle tubazioni di mandata ad alta pressione possono comportare difetti di tenuta.
Avvertenza Programma d'emergenza
In caso di valori di emissione non plausibili, verrà avviato il programma d'emergenza. Il motore funzionerà inoltre con miscela omogenea.
Sono disponibili 2 programmi d'emergenza: il programma d'emergenza con pressione d'iniezione di 5 bar e quello con pressione d'iniezione di 100 bar.
Cause possibili dell'avvio del programma d'emergenza da 5 bar:
Cause possibili dell'avvio del programma d'emergenza da 100 bar:
Avvertenza Funzione Assistenza Taratura iniettore.
Quando la centralina di gestione motore o un iniettore vengono sostituiti, il codice stampigliato su ciascun iniettore nella centralina di gestione motore va assegnato al relativo cilindro. Eseguire la funzione Assistenza ”Taratura iniettore” del Sistema di diagnosi BMW.
Avvertenza Funzioni Assistenza Catalizzatore NOx.
Quando la centralina di gestione motore viene sostituita, occorre trasmettere lo stato d'invecchiamento e di solforazione dei catalizzatori NOx.
Quando i catalizzatori NOx vengono sostituiti, occorre inizializzarne lo stato d'invecchiamento e di solforazione.
Avvertenza Solforazione del catalizzatore NOx.
Il carburante detto ”senza zolfo” contiene in realtà una pur minima quantità di zolfo. Lo zolfo riduce la capacità di accumulo dei catalizzatori NOx. La solforazione del catalizzatore NOx fa sì che il motore possa funzionare soltanto con miscela omogenea, poiché non è più possibile assorbire ossidi di azoto. La centralina di gestione motore rileva la solforazione del catalizzatore NOx. Per effettuare la desolforazione, il catalizzatore NOx viene riscaldato a 600 °C - 650 °C e fatto funzionare con miscela ricca (lambda = 0,94).
Per il riscaldamento attivo del catalizzatore NOx, occorrono le seguenti condizioni di funzionamento della vettura:
In presenza di una registrazione di errore (Solforazione cat. NOx), mediante un'apposita funzione Assistenza è possibile attivare un riscaldamento più frequente. Quest'abilitazione resterà attiva sino al termine della desolforazione del catalizzatore NOx.
Salvo refusi, errori e modifiche tecniche.