엔진 N54

엔진 N54

새 세대 6-실린더-가솔린엔진 (NG6)은 계속해서 후속개발되고 있다.
BMW는 터보차저가 장착된 직접 분사방식의 새로운 6-실린더-가솔린엔진 N54를 통해 다시 한번 터보-기술의 영역에 진입한다.

새로운 과급 엔진에는 2 세대 직접 분사방식 (DI2)이 사용된다. 직접 분사방식 (HPI: High Precision Injection; 고정밀 분사)은 분사량과 분사지속기간 (부하와 회전속도에 따라 다중 분사, 3번까지) 측정시 그리고 연소실에서의 혼합기 분배에 대해 추가로 자유도를 제공한다. 이를 통해 출력, 엔진 토크, 부하 그리고 유해 배출물은 긍정적인 영향을 받게 된다.
직접 분사된 연료에 의해 혼합기가 냉각됨으로써, 흡기다기관 분사방식의 과급 엔진에 비해 압축압력이 향상될 수 있다. 이로써 효율이 개선된다.
직접 분사방식을 사용함으로써, 모든 연소실에서 균질 혼합기가 형성된다. 균질 혼합기란 흡기다기관 분사방식에서와 같이 연료-공기 혼합비가 화학적 이론 혼합비 (람다 = 1)로 제어되는 것을 의미한다.
(화학적 이론 혼합비는 공기 14.8 kg과 연료 1 kg의 혼합을 의미한다.) 균질 혼합기를 통해 기존 시스템은 배기가스 후처리를 위해 사용될 수 있다.

특히 Bi-Turbo-개념은 자연스러운 현저한 출력증가에 이용된다. 1개의 대형 배기-터보차저 대신에, 2개의 소형 배기-터보차저가 각각 3개의 실린더에 압축된 공기를 공급한다. 소형 배기-터보차저의 중요한 장점은 관성질량 모멘트가 적다는 점이다. 가속페달모듈을 약간만 조작해도 즉각적인 압력형성으로 반응한다.
동시에 가변 밸브 타이밍 (더블-VANOS)을 이용함으로써 이상적인 가드 교환이 가능하다, 아주 낮은 회전속도에서도 높은 엔진 토크를 형성하며, 뛰어난 탄성을 보장한다.

구성부품에 대한 간략한 설명

다음과 같은 엔진 N54의 부품들이 설명된다:

• 디지털 엔진 일렉트로닉
  
• EKP-컨트롤 유닛과 전동식 연료펌프
  
• 연료-고압펌프
  
• 레일과 레일압력센서
  
• 인젝터 (고압분사밸브)
  
• 흡기다기관 압력센서
  
• 배기-터보차저
  
• 체적 유량 제어식 오일펌프
  
• 전기식 냉각수 펌프
  
• 흡기 캠축과 배기 캠축의 VANOS, ”더블-VANOS”
  
• 오일수준센서
  
• 알루미늄 크랭크 케이스
  
  

DME: 디지털 엔진 일렉트로닉

DME-컨트롤 유닛 (MSD80)의 기판에는 3개의 센서가 있다:

• 온도센서
  
• 대기압력센서
  
• 전압 센서
  

온도센서는 DME-컨트롤 유닛 부품들의 열을 감지하는데 사용된다.
혼합기 농도를 측정하기 위해서는 대기압센서가 필요하다. 해발 고도가 높아질수록 대기압력은 낮아진다.
전압 센서는 단자 87을 통해 전원을 감시한다.

EKP-컨트롤 유닛과 전동식 연료펌프

DME-컨트롤 유닛은 엔진의 연료필요량을 측정한다. 필요한 연료량은 메시지 형태로 PT-CAN을 거쳐 EKP-컨트롤 유닛으로 전송된다. 이 메시지는 EKP-컨트롤 유닛에 의해 출력전압으로 변환된다. 이 출력전압을 통해 전동식 연료펌프의 회전속도가 제어된다. 이를 통해 고압펌프를 위한 필요한 만큼의 공급량이 얻어진다.

전동식 연료펌프는 연료탱크내에 설치된 펌프이다.
단자 15 ON부터 전동식 연료펌프는 스위치ON된다.

연료-고압펌프

연료-고압펌프는 연료 (50 ~ 200 bar까지의 범위)를 압축시킨 다음, 이를 레일로 공급한다.

연료-고압펌프는 진공펌프의 뒤쪽 끝에 볼트로 고정되어 있다. 연료-고압펌프의 구동축은 진공펌프의 구동축과 연결되어 있다.

유량제어밸브는 레일의 연료압력을 제어한다. 유량제어밸브는 DME-컨트롤 유닛으로부터의 펄스폭 변조 신호 (PWM-신호)를 통해 트리거링된다. PWM-신호에 따라 스로틀 단면적의 변화가 가능하며, 엔진의 각각의 부하상태에 필요한 연료 공급량이 조절된다. 이 외에도 레일의 압력을 낮출 수 있다.
시스템에서 고장이 진단되면 (예를 들면 고압센서의 고장), 유량제어밸브는 통전되지 않는다. 연료는 소위 바이패스 밸브를 거쳐 레일로 흘러 들어간다.

유량제어밸브는 고압펌프의 한 부품이며, 서비스를 받을 때 탈거할 수 있다.

레일과 레일압력센서

압축된 연료는 레일에 임시 저장되었다가, 인젝터로 분배된다.

레일압력센서는 레일의 현재 연료압력을 측정한다.

연료압력은 고압 연결부를 통해 센서 엘리먼트를 갖춘 다이어프램에 작용한다. 다이어프램의 변형은 센서 엘리먼트를 통해 전기 신호로 변환된다. 검파기는 신호를 처리한 다음, 아날로그 전압신호를 DME에 전달한다. 전압신호는 연료압력이 증가함에 따라 직선으로 상승한다.

레일압력센서로부터의 신호는 유량제어밸브 (고압펌프의 부품)를 트리거링하기 위한 DME의 중요한 입력신호이다.
레일압력센서가 고장나면, 유량제어밸브는 DME에 의해 비상운전으로 트리거링된다.

인젝터 (고압분사밸브)

인젝터는 고압 연료를 연소실로 분사한다. 인젝터는 노즐 니들의 선단을 바깥쪽으로 열고, 단지 몇 마이크로미터 크기의 링 간극을 형성한다. 링 간극은 연료의 직접 분사를 가능하게 하며, 균일하게 원추형으로 분사되는데 사용된다.

압전소자를 이용한 트리거링 방식은 솔레노이드 코일을 통한 트리거링 방식에 비해 다음과 같은 장점이 있다:

• 스위칭시간이 빠르고 무효시간이 아주 짧기 때문에 다중 분사 기능이 크게 개선됨.
  

따라서 유해 배출물 및 연료소비와 관련하여 현저한 개선이 이루어졌다.

압전소자-요소는 전자 기계식 컨버터이다. 압전소자-요소는 전기 에너지를 기계 에너지 (힘/행정)로 직접 변환시키는 세라믹 소자이다. 압전소자-요소는 전압이 인가될 때 팽창된다. 이를 통해 노즐 니들의 행정이 형성된다.
행정을 더 크게 하기 위해, 압전소자-요소는 여러 층으로 구성된다.

흡기다기관 압력센서

흡기다기관 압력센서는 흡기다기관의 부압을 측정한다. 흡기다기관-부압은 부하신호의 대체변수로서 사용된다. 흡기다기관 압력센서는 스로틀밸브의 뒤에 설치되어 있다.

배기-터보차저

엔진에는 2개의 배기-터보차저가 장착되어 있다 (배기-터보차저 1개는 1번 ~ 3번 실린더용 배기다기관에, 또다른 배기-터보차저 1개는 4번 ~ 6번 실린더용 배기다기관에). 터빈은 특히 높은 배기가스 온도 (1050 °C-기술)에 견디며, 특히 높은 부하에서 연료소비율을 현저하게 낮추어 준다.
배기-터보차저의 과급압력은 각각의 바이패스 밸브 (웨이스트 게이트-밸브)를 통해 DME에 의해 제어된다. 바이패스 밸브를 통해, 배기가스의 일부는 터빈을 바이패스하게 된다.
바이패스 밸브는 전자 공압식 압력변환기를 통해 DME에 의해 트리거링되며, 가변적으로 제어된다.
배기-터보차저의 냉각과 윤활을 위해 베어링 하우징에는 엔진 냉각수 회로용 연결부 2개와 오일 회로용 연결부 2개가 있다.

체적 유량 제어식 오일펌프

엔진은 체적 유량 제어식 오일펌프를 갖추고 있다. 이 펌프는 제어압력 수준에 도달하는데 필요한 만큼의 정확한 오일을 공급한다. 오일펌프는 크랭크축의 체인에 의해 구동된다.

전기식 냉각수 펌프

전기 모터는 냉각수 펌프를 작동시킨다. 전기 모터의 출력 (400 W)은 전자제어 일렉트로닉에 의해 제어된다. 이 전자제어 일렉트로닉은 직렬 비트 데이터인터페이스를 통해 DME (디지털 엔진 일렉트로닉)와 연결되어 있다. DME는 부하, 작동영역 그리고 온도센서 데이터로부터 필요한 냉각 출력을 결정한다. DME는 냉각수 펌프의 제어를 위해 해당 신호를 전자제어 일렉트로닉으로 전송한다.
냉각수 펌프의 모터는 냉각수에 의해 세척된다. 이를 통해 모터와 전자제어 일렉트로닉이 냉각된다. 냉각수를 통해 전기식 냉각수 펌프의 베어링도 윤활된다.

오일수준센서

오일수준센서는 다음과 같은 변수를 측정한다:

• 엔진오일온도
  
• 오일수준
  
• 엔진오일품질
  

오일수준센서는 측정값을 DME로 전송한다.

흡기 캠축과 배기 캠축의 VANOS, ”더블-VANOS”

VANOS는 저속과 중속영역에서 토크를 상승시키는데 사용된다.
각각 1개씩의 VANOS-솔레노이드 밸브가 흡기측과 배기측의 VANOS-유닛을 트리거링시킨다. VANOS-솔레노이드 밸브는 DME-컨트롤 유닛에 의해 트리거링된다.
엔진의 밸브 타이밍은 두 가변 VANOS-유닛을 통해 무단계식으로 영향을 받을 수 있다.
밸브 오버랩이 커지면, 공회전속도에서의 잔류 가스량은 감소한다. 부분부하 영역에서는 배기가스 내부 재순환을 통해 질소산화물을 감소시킨다.

주의! VANOS-유닛이 뒤바뀌어서는 안된다.

흡기-/배기 캠축용 VANOS-유닛은 제어각이 서로 다르다. 따라서 VANOS-유닛이 뒤바뀌었을 경우, 설치된 밸브에 인해 엔진 손상이 초래될 수 있다.
VANOS-유닛의 정면에 설치측이 각인되어 있다.

알루미늄 크랭크 케이스

엔진에는 알루미늄 제품의 분할식 크랭크 케이스가 사용된다. 강성을 증가시키기 위해, 하부는 베드 플레이트-구조로 설계되어 있다.

시스템 기능

다음과 같은 시스템 기능들이 설명된다:

• 과급압력 제어
  
• 엔진 환기
  
• 엔진냉각
  
• 체적 유량 제어식 오일공급유닛
  
• 필요한 만큼의 연료 공급
  
• 시스템 보호
  
  

과급압력 제어

배기-터보차저의 과급압력은 각각의 바이패스 밸브 (웨이스트 게이트-밸브)를 통해 DME에 의해 제어된다. 바이패스 밸브는 전자 공압식 압력변환기를 통해 DME에 의해 트리거링된다 (특성곡선 제어식).

바이패스 밸브 외에 추가로 2개의 오버런 바이패스 에어밸브가 설치되어 있다. 오버런 바이패스 에어밸브가 없으면 스로틀밸브가 닫혀있을 때의 배압에 대항하여 배기-터보차저가 작동할 수 있다.
스로틀밸브가 닫히면, 오버런 바이패스 에어밸브는 흡기다기관의 부압의 증가로 인해 열린다. 열려있는 상태에서 오버런 바이패스 에어밸브는 컴프레서의 흡기측과 컴프레서의 배기측을 연결한다. 이를 통해 배압의 상승이 방지된다.

엔진 환기

엔진 환기는 압력 제어식이다. 흡기다기관-부압과 과급압에 따라 6 방향 분배레일을 통해 흡기채널로 또는 배기-터보차저 앞 외부공기파이프 (4번 ~ 6번 실린더)로 빠져나간다. 분배레일은 실린더 헤드 커버에 집적되어 있다.

엔진 환기를 위해 2개의 밸브가 설치되어 있다.

• 압력 제한식 넌-리턴 밸브
  압력 제한식 넌-리턴 밸브는 흡기다기관-부압에 따라 통과 유량을 제어하고, 흡기채널로 유입되는 블로-바이-가스의 양을 제어한다.
  규정된 과급압부터 넌-리턴 밸브는 압력제한식으로 닫힌다.
  
• 외부공기파이프로 연결되는 넌-리턴 밸브
  2개의 외부공기파이프는 흡입공기 사일런서 뒤에 배열되어 있다. 각각의 외부공기파이프는 에어클리너와 배기-터보차저를 연결한다. 외부공기파이프는 에어클리너에서 정화된 공기를 컴프레서로 보낸다.
  규정된 과급압부터 외부공기파이프내의 부압으로 인해 넌-리턴 밸브가 열린다. 블로-바이-가스는 배기-터보차저로 연결되는 외부공기파이프 (4번 ~ 6번 실린더)로 빠져 나간다.
  외부공기파이프로의 환기 연결부는 PTC-원리 (정(+)의 온도계수)를 기초로 하는 엔진환기 히팅 시스템을 갖추고 있다. 엔진환기 히팅은 단자 87에 의해 트리거링된다.
  
  

엔진냉각

전기식 냉각수 펌프를 갖춘 냉각시스템에서는 기존 냉각시스템의 방식이 사용된다. 열 관리시스템을 통해 현재의 냉각 필요량이 결정되고, 이에 따라 냉각시스템이 제어된다.

다음과 같은 부품들은 열 관리시스템의 영향을 받는다:

• 전기식 냉각수 펌프
  
• 특성곡선 서모스탯
  
• 디지털 엔진 일렉트로닉 (DME)
  

시스템의 냉각 출력은 냉각수의 가변 체적 유량을 통해 자유롭게 조절된다.

열 관리시스템은 현재의 냉각 필요량을 결정하고, 이에 따라 냉각시스템을 제어한다. 상황에 따라 냉각수 펌프는 예를 들면 워밍업 단계에서 냉각수의 신속한 가열을 위해 완전히 OFF될 수 있다.
엔진이 정지해 있고 매우 뜨거울 때에는, 정지 상태에서도 냉각수 펌프가 펌핑한다. 이를 통해 냉각 출력은 회전속도와 관계없이 요구될 수 있다.

열 관리시스템은 이제 특성곡선 서모스탯 외에 냉각수 펌프의 제어를 위한 다양한 특성곡선을 사용할 수 있도록 한다. 따라서 엔진 컨트롤 유닛은 엔진온도를 주행거동에 맞출 수 있다.

엔진 컨트롤 유닛 (MSD80)은 다음의 온도 범위를 제어한다:

• 108 °C = 이코노미(Economy)-모드
  
• 104 °C = 정상 모드
  
• 95 °C = 하이(High)-모드
  
• 90 °C = 하이(High)-모드, 특성곡선 서모스탯에 의해 제어
  

• 
  엔진 컨트롤 유닛이 주행거동을 기초로 절약 작동영역 ”Economy”를 감지하면, DME는 더 높은 온도 (108 °C)로 제어한다.
  이 온도 범위에서 엔진은 상대적으로 낮은 연료필요량으로 작동되어야 한다. 온도가 높으면 엔진 내부의 마찰이 감소한다. 온도 상승은 낮은 부하 영역에서 낮은 연료소비율에도 작용한다.
  ”하이(High), 특성곡선 서모스탯에 의해 제어” 모드에서 운전자는 엔진의 이상적인 출력증가를 이용하고 싶어 한다. 이를 위해 실린더 헤드의 온도는 90 °C로 내려간다. 이러한 하강은 엔진 토크의 증가를 초래하는 체적효율 개선에 영향을 미친다. 엔진 컨트롤 유닛은 해당 주행상황에 맞게 조정되며, 특정 작동영역을 제어할 수 있다. 따라서 이는 냉각시스템을 통해 부하와 출력에 영향을 미칠 수 있다.
  

엔진오일 서모스탯

엔진오일 서모스탯은 오일필터에 위치해 있다.

엔진오일 서모스탯은 온도에 따라 열리거나 닫힌다. 그러나 완전히 닫히지 않고, 엔진오일 쿨러로의 최소 통과유량을 유지한다.
엔진오일온도 110 °C 까지, 엔진오일 서모스탯은 닫혀져 있다.
공급된 엔진오일은 바이패스회로의 엔진오일 서모스탯을 통해 리턴회로로 되돌아간다. 따라서 엔진의 신속한 워밍업이 보장된다.
엔진오일온도 110 °C부터 엔진오일 서모스탯은 열리고, 바이패스회로의 개도는 감소된다. 따라서 엔진오일 쿨러로 연결되는 라인으로의 오일 유량이 증가한다. 약 125 °C부터 서모스탯은 완전히 열려 있다.

체적 유량 제어식 오일공급유닛

체적 유량 제어식 오일펌프 (펜들럼 슬라이드 셀 펌프)는 제어압력 수준에 도달하는데 필요한 만큼의 정확한 오일을 공급한다.

제어라인을 거쳐 제어 피스톤의 경사면 (힌지식 브래킷)에 작용하는 오일압력은 압력 스프링의 장력에 대항하여 작용한다.
엔진의 오일 필요량이 증가하면, 윤활 시스템의 압력이 낮아지고 이로 인해 제어 피스톤에 작용하는 압력도 낮아진다. 오일펌프는 공급체적을 향상시키고, 지금까지의 압력비를 재조정한다. 엔진의 오일 필요량이 원래대로 되돌아오면, 펌프는 제어 피스톤의 위치에 따라 적은 공급체적으로 제어된다.

오일수준센서는 DME-컨트롤 유닛에 엔진오일온도와 오일수준을 알린다. 오일수준을 계산하기 위해 DME-컨트롤 유닛은 엔진오일의 냉각과 가열시간을 계산한다. 오일압력은 오일압력 스위치에 신호로 알려준다. DME-컨트롤 유닛은 PT-CAN을 통해 계기판의 경고등과 표시등을 트리거링한다 (적색: 오일압력이 낮음; 황색: 오일수준이 낮음)

필요한 만큼의 연료 공급

연료펌프와 고압펌프 사이의 시스템 압력에 따라, 연료저압센서로부터 전압신호가 엔진 컨트롤 유닛 (DME-컨트롤 유닛)으로 출력된다.
시스템 압력 (연료 저압)은 고압펌프 앞 연료저압센서에 의해 측정된다.

DME-컨트롤 유닛에서 규정압력과 실제압력의 계속적인 비교가 이루어진다. 규정압력과 실제압력간에 편차가 있으면, DME-컨트롤 유닛은 전동식 연료펌프의 전압을 상승시키거나 감소시키고, 이는 메시지 형태로 PT-CAN을 거쳐 EKP-컨트롤 유닛으로 전송된다. EKP-컨트롤 유닛은 메시지를 전동식 연료펌프용 출력전압으로 변환한다. 이를 통해 엔진 (또는 고압펌프)의 필요한 공급압력이 조정된다.

신호 오류시 (연료저압센서), 전동식 연료펌프는 단자 15 ON시에 사전 트리거링되어 작동된다.
CAN-버스가 고장나면, 전동식 연료펌프는 EKP-컨트롤 유닛을 통해 인가된 배터리 전압으로 작동된다.

고압펌프는 연료를 50 ~ 200 bar 사이의 압력으로 압축시킨다. 압축된 연료가 고압라인을 통해 레일로 들어간다. 압축된 연료는 레일에 임시 저장되어 있다가, 인젝터로 분배된다.
레일압력센서는 레일의 현재 연료압력을 측정한다. 고압펌프에서 유량제어밸브가 열리면, 너무 많이 공급된 연료는 다시 고압펌프로 되돌아간다.
고압펌프가 고장나면, 제한된 주행성능이 가능하다.

시스템 보호

엔진작동시 냉각수 또는 엔진오일의 온도가 지나치게 높으면, 엔진냉각에 더 많은 에너지를 사용할 수 있도록 자동차의 특정 기능들이 영향을 받는다.

대책은 2가지의 작동모드로 나뉘어진다:

• 부품 보호
  
• 비상
  
  

• 부품 보호
  117 °C ~ 124 °C 사이의 냉각수 온도
  150 °C ~ 157 °C 사이의 엔진오일온도
  대책: 예를 들면 에어컨 (100 %까지) 출력과 엔진 출력의 감소
  
  
• 비상
  125 °C ~ 129 °C 사이의 냉각수 온도
  158 °C ~ 163 °C 사이의 엔진오일온도
  대책: 예를 들면 엔진의 출력감소 (약 90 %까지)
  
  

서비스에 대한 지침

일반 지침

경고! 연료시스템에서의 작업은 엔진이 냉각된 상태에서만 실시한다.

40 °C 이상의 냉각수 온도에서는, 인젝터를 풀 때 연료가 고속으로 빠져나올 수 있다.

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