층상급기모드 (희박한 혼합)는 6-실린더-엔진 N53을 예로 기술한다. 신형 4-실린더-가솔린엔진 N43도 층상급기모드를 갖추고 있다.
N53 (예를 들면 N53B30O0)의 기본 구조는 N52이다. N53은 N54 처럼 직접 분사식 기관이다. 하지만 N53은 과급엔진이 아니다. 이외에도 N53은 더 넓은 작동영역에서 층상급기 (람다 2.5까지)로 작동된다. 6-실린더-엔진은 유럽 시장용으로 개발되었다 (ACEA: 유럽 자동차 제조회사 연합). 배기시스템은 NOx촉매기를 갖추고 있다.
분무 유도식 직접 분사 (HPI: High Precision Injection/고정밀 분사)는 추가적인 자유도를 제공한다:
이를 통해 출력, 엔진 토크, 부하 그리고 유해 배출물은 긍정적인 영향을 받게 된다.
층상급기모드를 통해 효율적인 동적 성능 (BMW 마케팅 용어: EfficientDynamics)이 새로운 수준에 도달하였다. 엔진은 낮아진 연료소비율에서도 자신의 출력 잠재력을 발휘한다.
다음과 같은 구성부품이 설명된다:
직접 분사식에서 인젝터는 밸브 사이, 연소실 중앙에 그리고 점화플러그 바로 근처에 설치되어 있다. 이 위치에서 바깥쪽으로 개방되는 인젝터는 연료를 링모양 (속이 빈 공 모양)으로 연소실에 아주 균등하게 분사할 수 있다. 이에 따라 정확한 혼합기 계량 뿐만 아니라, 동시에 내부 냉각기능도 가능하다. 이로 인해 높은 압축이 가능하며 연소과정의 효율도 최적화된다.
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설명 |
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설명 |
|---|---|---|---|
1 |
인젝터 |
2 |
실린더 헤드 |
3 |
피스톤 |
4 |
연소실 |
5 |
점화플러그 |
6 |
점화코일 |
인젝터는 고압 연료를 연소실에 분사한다. 인젝터는 노즐 니들의 선단을 바깥쪽으로 열고, 40 마이크로미터 크기 까지의 링 간극을 형성한다. 링 간극은 연료의 직접 분사를 가능하게 하며, 균일하게 속이 빈 공 모양으로 분사되는데 사용된다. 압전소자를 이용한 트리거링 방식은 솔레노이드 코일을 통한 트리거링 방식에 비해 다음과 같은 장점이 있다:
따라서 유해 배출물 및 연료소비와 관련하여 현저한 개선이 이루어졌다.
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설명 |
번호 |
설명 |
|---|---|---|---|
1 |
인젝터 |
2 |
레일압력센서 |
3 |
레일 |
4 |
연료저압센서 |
5 |
유량제어밸브 |
6 |
고압펌프 |
압전소자-요소는 전자 기계식 컨버터이다. 압전소자-요소는 전기 에너지를 기계적 에너지 (힘/행정)로 직접 변환시키는 세라믹 소자이다. 압전소자-요소는 전압이 인가될 때 팽창된다. 이를 통해 노즐 니들의 행정이 생성된다. 더 큰 행정을 얻기 위해, 압전소자-요소를 다수의 층상으로 집적할 수 있다.
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설명 |
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설명 |
|---|---|---|---|
1 |
압전소자-요소, 전압이 인가되지 않음 |
2 |
압전소자-요소의 층상 |
3 |
압전소자-요소, 전압이 인가됨 |
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질소산화물은 질소와 산소의 다양한 결합에 대한 총칭이다. 질소산화물은 질소에 포함되어 있는 공기와의 모든 연소과정에서 부수적인 반응의 결과로서 형성된다. 질소는 탄소 고유의 연소에는 관여하지 않는다. 하지만 연소실에서 발생하는 높은 온도와 압력으로 인해 공기중의 산소와의 산화 과정에서 생성된다. 이때 주로 일산화질소 (NO)와 이산화질소 (NO2) 그리고 소량의 아산화질소 (N2O)가 발생한다.
표면온도가 높으면 높을 수록 그리고 연소 혼합기에 공기가 많으면 많을 수록, 질소산화물의 생성 비율이 더 높아진다. 따라서 층상급기모드식 엔진에는 NOx촉매기를 장착해야 한다
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설명 |
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설명 |
|---|---|---|---|
1 |
람다센서 (1차산소센서) |
2 |
NOx센서 |
3 |
배기 플랩 |
4 |
NOx촉매기, 뱅크 2 |
5 |
NOx촉매기, 뱅크 1 |
6 |
배기가스 온도센서 |
7 |
3원 촉매기, 뱅크 2 |
8 |
람다센서 (2차산소센서) |
9 |
3원 촉매기, 뱅크 1 |
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NOx촉매기는 3원 촉매기와 그 구조가 비슷하다. 캐리어 층상에는 촉매 작용을 하는 귀금속 및 질소산화물의 임시저장을 위한 물질이 도포되어 있다. NOx촉매기는 220 °C ~ 450 °C의 온도 범위에서 작동한다. 이 온도 범위에서 질소산화물을 저장 또는 환원시킬 수 있다. 탈황을 위해서는 600 °C에서 650 °C 까지의 더 높은 온도 범위가 필요하다. 이 온도 범위는 배기가스 온도센서에 의해 감시된다. 환원의 감시 및 제어는 엔진 제어 시스템 (MSD80)에 의해 이루어진다. 이때 엔진 제어 시스템은 계산모델과 NOx센서의 측정값을 사용한다.
NOx센서는 고유의 측정헤드와 해당 일렉트로닉 평가 유닛으로 구성되어 있다. 일렉트로닉 평가 유닛은 로컬-CAN (로컬 CAN-버스)을 통해 엔진 컨트롤 유닛과 통신한다.
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설명 |
번호 |
설명 |
|---|---|---|---|
1 |
NOx센서 |
2 |
평가-일렉트로닉 |
NOx센서는 작동원리면에서 광대역-람다센서와 비교할 수 있다.하지만 질소산화물을 측정한다. 측정방법은 질소산화물 측정을 산소측정으로 소급하는데 기반한다. NOx센서는 일렉트로닉 평가 유닛과 분리될 수 없도록 연결되어 있다.
다음과 같은 시스템 기능들이 설명된다:
지침! 층상급기 용어설명.
층상급기는 가솔린엔진을 위한 방법이다. 이때 연료는 점화플러그의 범위에서 점화 가능한 혼합기 (람다 = 0.5 ~ 1.0)가 형성되도록 분사된다. 연소실의 나머지 부분에는 아주 희박한, 점화 가능하지 않은 혼합기 (람다 = 1.5 ~ 2.5)가 형성된다.
직접 분사식에서 인젝터는 연소실에 직접 설치된다. 연소용 공기는 스로틀밸브가 거의 완전히 열려 있는 상태 (스로틀밸브를 통과하여)에서 흡입된다. 연료는 압축 행정 동안에 늦게 분사된다. 점화플러그의 영역에서만 링형상의 점화 가능한 혼합기가 형성된다. 연소실의 대부분은 공기와 잔류가스로 채워져 있다. 공기과잉으로 배기가스의 구성 성분은 기존의 3원 촉매기로는 배기가스에서 질소산화물의 감소가 불가능한 상태가 된다. 이와 같은 이유 때문에 NOx촉매기를 필요로 한다.
층상급기 모드는 엔진의 전체 작동영역를 통해 가능하지 않다. 다음과 같은 물리적 한계영역이 존재한다:
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설명 |
번호 |
설명 |
|---|---|---|---|
1 |
확장된 층상급기모드: |
2 |
천이 영역: |
3 |
균질 작동 모드: |
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NOx촉매기의 저장 용량은 제한되어 있다. 저장 물질이 완전히 포화되면, 더 이상의 질소산화물을 저장할 수 없다. 엔진 제어 시스템은 이러한 포화 상태를 다음과 같이 감지한다:
번호 |
설명 |
번호 |
설명 |
|---|---|---|---|
1 |
NOx촉매기 |
2 |
저장 물질 (바륨) |
3 |
NOx센서 |
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저장 촉매기의 최대 저장량을 정의하면, 엔진 제어 시스템이 질소산화물의 환원을 시작한다. 이때 혼합기가 약간 농후해진다 (람다 = 0.8). 환원시에 촉매기에서 질소산화물이 변환된다. 변환 후에 농후 혼합기 작동 모드는 다시 종료된다. 이때 계산모델 및 NOx센서도 다시 이용하게 된다. NOx센서는 이때 배기가스중의 산소농도를 측정한다. ”희박”에서 ”농후”로의 전압 점프는 환원이 종료되었을 경우에 나타난다.
주의: 연료고압시스템!
이 연료시스템에서의 작업은 엔진이 냉각된 후에만 허용된다. 냉각수 온도가 40 °C 이상이어서는 안된다. 이를 준수하지 않을 경우, 연료고압시스템의 잔압에 의한 부상 위험이 있다.
지침: 정비매뉴얼에 유의한다.
연료고압시스템에서 작업시 특히 청결에 유의한다. 고압라인의 볼트체결부의 손상 및 작은 오염입자에 의해서도 누설을 초래할 수 있다.
지침: 비상프로그램.
배기가스중의 유해물질 수준이 타당하지 않을 경우, 비상프로그램이 시작된다. 추가로 엔진은 균질 혼합기로 작동된다.
2개의 비상프로그램이 있다: 분사압력 5 bar의 비상프로그램과 분사압력 100 bar의 비상프로그램.
5 bar식 비상프로그램에 대한 예상되는 원인:
100 bar식 비상프로그램에 대한 예상되는 원인:
지침: 서비스 기능, 인젝터 캘리브레이션.
엔진 컨트롤 유닛 또는 인젝터를 교환할 경우에는,각 인젝터에 찍혀있는 코드를 컨트롤 유닛에서 정확한 실린더에 배정해야 한다. 서비스 기능 ”인젝터 캘리브레이션”을 BMW 진단시스템에서 실행한다.
지침: 서비스 기능, NOx촉매기.
엔진 컨트롤 유닛을 교환할 경우에는, NOx촉매기가 황에 의해 오염된 상태 및 노후 상태를 전달해야 한다.
NOx촉매기를 교환하면, 황에 의해 오염된 상태 및 노후 상태를 초기화시켜야 한다.
지침: NOx촉매기의 황에 의한 오염.
황이 들어있지 않은 연료에도 아주 소량의 황이 들어 있다. 황은 NOx촉매기의 저장 용량을 감소시킨다. NOx촉매기가 황에 의해 오염된 상태는, 엔진이 균질 혼합기 모드로만 작동하도록 한다, 왜냐하면 질소산화물을 저장할 수 없기 때문이다. 엔진 제어 시스템은 NOx촉매기가 황에 의해 오염된 상태를 인지한다. 탈황을 위해 NOx촉매기를 600 °C에서 650 °C까지 가열하고 농후한 혼합기로 작동시킨다 (람다 = 0.94).
NOx촉매기를 가열시키기 위해 다음과 같은 자동차 운전모드가 요구된다:
고장메모리 수록 (NOx-촉매기 황에 의해 오염됨)시 서비스 기능을 통해 잦은 가열을 활성화할 수 있다. 이러한 작동은 NOx촉매기가 성공적으로 탈황될 때까지 활성화된다.
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