Motor N54

Motor N54

De nieuwe generatie 6-cilinder benzinemotoren (NG6) is met een doorontwikkeling voortgezet.
Met de nieuwe 6-cilinder benzinemotor N54 met drukvulling en directe inspuiting, begint BMW opnieuw in de turbo-technologie.

Bij de nieuwe turbomotor wordt de directe inspuiting van de 2e generatie (DI2) toegepast. De directe inspuiting (HPI: High Precision Injection) levert aanvullende mogelijkheden voor het berekenen van de inspuithoeveelheid en de inspuitduur (meervoudige inspuitingen afhankelijk van belasting en toerental tot 3-maal) evenals bij de mengselverdeling in de verbrandingsruimte. Daardoor kunnen vermogen, motorkoppel, verbruik en uitstoot van schadelijke stoffen positief worden beïnvloed.
Als gevolg van de mengselkoeling door de direct ingespoten brandstof, kan de compressie worden verhoogd t.o.v. een turbomotor met inlaatbuisinspuiting. Dit zorgt voor een beter rendement.
Door de toepassing van directe inspuiting ontstaat een homogene mengselvorming in de gehele verbrandingsruimte. Homogene mengselvorming betekent dat de brandstof-lucht-verhouding zoals bij de inlaatbuisinspuiting stöchiometrisch (lambda = 1) wordt geregeld.
(Met stöchiometrisch wordt een brandstof-lucht-verhouding van 14,8 kilogram lucht op 1 kilogram brandstof bedoeld.) Door de homogene mengselvorming kan een conventioneel systeem voor de nabehandeling van het uitlaatgas worden toegepast.

Voor een duidelijk spontanere vermogensontwikkeling zorgt vooral het bi-turbo-concept. In plaats van één grote turbocompressor zorgen twee kleinere aggregaten elk drie cilinders van gecomprimeerde lucht. Het grootste voordeel van de kleinere turbocompressoren is de geringere massatraagheidsmoment. Reeds de geringste bediening van het gaspedaal wordt met een directe drukopbouw beantwoord.
Bovendien zorgt het gebruik van variabele kleptijden (dubbel-VANOS) voor een optimale ladingwisseling, wat een hoger motorkoppel bij lage toerentallen tot gevolg heeft en voor een buitengewone elasticiteit zorgt.

Beknopte beschrijving van het onderdeel

De volgende onderdelen voor de motor N54 zijn beschreven:

• Digitale motorelektronica
  
• EKP-regeleenheid en elektrische brandstofpomp
  
• Brandstofhogedrukpomp
  
• Rail met raildruksensor
  
• Inspuitventielen (hogedrukinspuitventielen)
  
• Inlaatspruitstukdruksensor
  
• Turbocompressor
  
• Volumestroomgeregelde oliepomp
  
• Elektrische koelvloeistofpomp
  
• Variabele nokkenasregeling voor de inlaat- en voor de uitlaatnokkenas ”dubbel-VANOS”
  
• Olietoestandsensor
  
• Motorblok uit aluminium
  
  

DME: Digitale motorelektronica

Op de printplaat in de DME-regeleenheid (MSD80) bevinden zich 3 sensoren:

• temperatuursensor
  
• omgevingsdruksensor
  
• spanningssensor
  

De temperatuursensor dient voor berekening van de thermische belasting van de onderdelen in de DME-regeleenheid.
De omgevingsdruksensor wordt voor de berekening van de mengselsamenstelling gebruikt. De omgevingsdruk daalt bij toenemende hoogte boven de zeespiegel.
De spanningssensor controleert de spanningsvoorziening via klem 87.

EKP-regeleenheid en elektrische brandstofpomp

De DME-regeleenheid berekent de brandstofbehoefte van de motor. De benodigde brandstofhoeveelheid wordt als bericht via de PT-CAN naar de EKP-regeleenheid gestuurd. Dit bericht wordt door de EKP-regeleenheid in een uitgangsspanning omgezet. Met deze uitgangsspanning wordt het toerental van de elektrische brandstofpomp geregeld. Daardoor wordt een op de behoefte gerichte opbrengst van de hogedrukpomp verkregen.

De elektrische brandstofpomp is een in-tank-pomp.
Vanaf klem 15 AAN wordt de elektrische brandstofpomp ingeschakeld.

Brandstof-hogedrukpomp

De brandstof-hogedrukpomp brengt de brandstof onder druk (bereik van 50 tot 200 bar) en voert deze naar de rail.

De brandstof-hogedrukpomp is aan de achterzijde op de vacuümpomp bevestigd. De aandrijfas van de brandstof-hogedrukpomp is met de aandrijfas van de vacuümpomp verbonden.

De hoeveelheidsregelklep regelt de brandstofdruk in de rail. De hoeveelheidsregelklep wordt via een pulsbreedtegemoduleerd signaal (PWM-siagnaal) door de DME-regeleenheid aangestuurd. Afhankelijk van het PWM-siagnaal wordt een doorstroomopening met aangepaste grootte vrijgegeven en wordt de voor de betreffende belastingstoestand van de motor benodigde brandstoftoevoerhoeveelheid ingesteld. Tevens is het mogelijk om de druk in de rail te verlagen.
Als een storing in het systeem wordt opgemerkt, bijv. uitval van de hogedruksensor, wordt de hoeveelheidsregelklep stroomloos geschakeld. De brandstof komt dan via een zogenaamde bypassklep in de rail.

De hoeveelheidsregelklep is een onderdeel van de hogedrukpomp en kan in de werkplaats worden vervangen.

Rail met raildruksensor

In de rail wordt de brandstof onder druk tussentijds opgeslagen en over de inspuitventielen verdeeld.

De raildruksensor meet de actuele brandstofdruk in de rail.

De brandstofdruk komt via de hogedrukaansluiting bij het membraan met sensorelement. De vervorming van het membraan wordt via het sensorelement omgezet in een elektrische signaal. De verwerkingsschakeling verwerkt het signaal en stuurt een analoog spanningssignaal naar de DME. Het spanningssignaal stijgt lineair bij toenemende brandstofdruk.

Het signaal van de raildruksensor is een belangrijk ingangssignaal van de DME voor de aansturing van de hoeveelheidsregelklep (onderdeel van hogedrukpomp).
Als de raildruksensor uitvalt, wordt de hoeveelheidsregelklep in noodloop door de DME aangestuurd.

Inspuitventielen (hogedruk-inspuitventielen)

Het inspuitventiel spuit de brandstof onder hoge druk in de verbrandingsruimte. Bij het inspuitventiel opent de punt van de verstuivernaald naar buiten en vormt daarbij een slechts enkele micrometers brede ringvormige opening. De ringvormige opening levert de straalgerichte directe inspuiting en zorgt voor een gelijkmatige, kegelvormige verspreiding.

De piëzoëlektrische bediening heeft t.o.v. de bediening met magneetspoelen de volgende voordelen:

• betere mogelijkheden voor meervoudige inspuitingen, door de snelle schakeltijden met zeer geringe toleranties.
  

Daardoor worden ook duidelijk verbeteringen m.b.t. de uitstoot van schadelijke stoffen en het brandstofverbruik verkregen.

Een piëzo-element is een elektromechanische omvormer. Het piëzo-element is een keramisch element dat elektrische spanning direct omzet in een mechanische weg (kracht/weg). Het piëzo-element zet uit als een spanning wordt aangelegd. Daarmee wordt de slag van de versuivernaald verkregen.
Voor een grotere slag kan het piëzo-element in meerdere lagen worden opgebouwd.

Inlaatspruitstukdruksensor

De inlaatspruitstukdruksensor meet de onderdruk in het in inlaatsysteem. De onderdruk in het inlaatspruitstuk dient als vervangingswaarde voor het belastingsignaal. De inlaatspruitstukdruksensor is na de gasklep aangebracht.

Turbocompressor

De motor is voorzien van twee turbocompressoren (een turbocompressor op het uitlaatspruitstuk voor cilinders 1 tot 3, een turbocompressor op het uitlaatspruitstuk voor cilinders 4 tot 6). De turbines zijn bestand tegen zeer hoge uitlaatgastemperaturen (1050 °C-techniek), die vooral bij zware belasting tot een merkbare verbruiksvermindering zorgen.
De vuldruk van de turbocompressor wordt door de DME m.b.v. een wastegate-klep geregeld. Via die wastegate-klep wordt een gedeelte van het uitlaatgas langs de turbine gevoerd.
De wastegate-kleppen worden door de DME via elektropneumatische drukomvormers aangestuurd en kunnen variabel worden ingesteld.
Voor de koeling en de smering van de turbocompressor zijn op het lagerhuis twee aansluitingen voor het motorkoelsysteem en twee aansluitingen voor het smeersysteem aanwezig.

Volumestroomgeregelde oliepomp

De motor is voorzien van een volumestroomgeregelde oliepomp. Deze pomp levert precies zo veel olie als voor het verkrijgen van het regeldrukniveau nodig is. De oliepomp wordt via een ketting door de krukas aangedreven.

Elektrische waterpomp

Een elektromotor drijft de koelvloeistofpomp aan. Het vermogen van de elektromotor (400 Watt) wordt door een regelelektronica geregeld. Deze regelelektronica is via de bitseriële interface met de DME (Digitale Motor Elektronica) verbonden. De DME berekent uit de belasting, het werkingsgebied en de gegevens van de temperatuursensoren de benodigde koelcapaciteit. De DME stuurt de regelelektronica aan met een overeenkomstig signaal voor de regeling van de koelvloeistofpomp.
De motor van de koelvloeistofpomp wordt omspoeld door koelvloeistof. Daardoor worden de motor met de regelelektronica gekoeld. Met de koelvloeistof worden ook de lagers van de elektrische koelvloeistofpomp gesmeerd.

Olietoestandsensor

De olietoestandsensor meet de volgende grootheden:

• Motoroleitemperatuur
  
• Oliepeil
  
• Motoroliekwaliteit
  

De olietoestandsensor stuurt de meetwaarden naar de DME.

Variabele nokkenasregeling voor de inlaat- en voor de uitlaatnokkenas ”dubbel-VANOS”

De variabele nokkenasregeling dient ter verhoging van het koppelin het onderste en middelste toerengebied.
Elke VANOS-magneetklep stuurt een VANOS-versteleenheid aan de inlaatzijde of aan de uitlaatzijde aan. De VANOS-magneetkleppen worden door de DME-regeleenheid aangestuurd.
De kleptijden van de motor zijn d.m.v. de beide variabele VANOS-versteleenheden traploos te beïnvloeden.
Door een grotere klepoverlap zijn bij stationair draaien de hoeveelheden restgas kleiner. Door de interne uitlaatgasrecirculatie in het deellastgebied wordt de hoeveelheid stikstofoxide gereduceerd.

Voorzichtig! VANOS-versteleenheden niet verwisselen.

De VANOS-versteleenheden voor de inlaat- en uitlaatnokkenas hebben verschillende verstelwegen. Daardoor kan het bij verwisseling van de VANOS-versteleenheden tot motorschade door aanraking met de kleppen komen.
Aan de voorzijde van de VANOS-versteleenheid is de inbouwzijde ingegraveerd.

Motorblok uit aluminium

Bij deze motor wordt een gedeeld motorblok uit aluminium toegepast. Ter verhoging van de stijfheid is het onderste deel als Bedplate-construcite uitgevoerd.

Systeemfuncties

De volgende systeemfuncties worden beschreven:

• vuldrukregeling
  
• Carterventilatie
  
• Motorkoeling
  
• Volumestroomgeregelde olieverzorging
  
• Behoeftegeregelde opvoer van de brandstof
  
• Systeembeveiliging
  
  

vuldrukregeling

De vuldruk van de turbocompressor wordt door de DME m.b.v. een wastegate geregeld. De wastegates worden via elektropneumatische drukomvormer door de DME aangestuurd (referentieveld geregeld).

Naast de wastegates zijn er twee bypass-kleppen gemonteerd. Zonder bypass-kleppen zouden de turbocompressoren tegen de stuwdruk van de gesloten gasklep in werken.
Wanneer de gasklep sluit, openen de bypass-kleppen door de verhoogde onderdruk in het inlaatspruitstuk. In geopende toestand verbinden de bypass-kleppen de inlaatzijden van de turbocompressoren met de uitlaatzijden van de compressoren. Zo wordt een te hoge vuldruk voorkomen.

Carterventilatie

De carterventilatie is drukgestuurd. Afhankelijk van de onderdruk in het inlaatspruitstuk en de vuldruk wordt danwel via een 6-voudige verdeelbuis in de inlaatkanalen geventileerd of via de inlaatbuis voor de turbocompressor (cilinder 4 tot 6). De ”verdeelbuis” is geïntegreerd in he kleppendeksel.

Voor de carterventilatie zijn 2 kleppen ingebouwd.

• Terugslagklep met drukbegrenzing
  De terugslagklep met drukbegrenzing regelt de doorstroming afhankelijk van de aanwezige spruitstukonderdruk en stuurt de inleiding van de blow-by-gassen in de inlaatkanalen.
  Vanaf een gedefiniëerde vuldruk sluit de terugslagklep met drukbegrenzing.
  
• Terugslagklep naar inlaatbuis
  De twee inlaatbuizen zijn na het luchtfilter opgesteld. een inlaatbuis per cilinderrij verbindt het luchtfilter met de turbocompressor. Door de inlaatbuis wordt de in het luchtfilter gereinigde Lucht naar de turbocompressor geleid.
  Vanaf een gedefiniëerde vuldruk opent door de heersende onderdruk in de inlaatbuis de terugslagklep. De blow-by-gassen worden in de inlaatbuis naar de turbocompressor (cilinder 4 tot 6) ontlucht.
  De carterventilatieaansluiting heeft op de aansluiting met de inlaatbuis een carterventilatieverwarming volgens PTC-principe (positieve temperatuurcoëfficient). De carterventilatieverwarming wordt via klem 87 aangestuurd.
  
  

Motorkoeling

Voor het koelsysteem met elektrische koelvloeistofpomp worden de mogelijkheden van het conventionele koelsysteem gebruikt. Via het warmtemanagement wordt de benodigde koelcapaciteit bepaald en wordt het koelsysteem overeenkomstig geregeld.

De volgende componenten worden door eht warmtemanagement beïnvloed:

• elektrische waterpomp
  
• Referentieveldthermostaat
  
• Digitale motorelektronica (DME)
  

Het koelend vermogen van het systeem wordt via een traploos regelbare volumestroom van de koelvloeistof aangepast.

Het warmtemanagement stelt het gewenste koelvermogen vast en regelt het koelsysteem overeenkomstig. Onder omstandigheden kan de koelvloeistofpomp zelfs helemaal wordne uitgeschakeld, bijvoorbeeld voor snellere opwarming van de koelvloeistof in de warmdraaifase.
Bij stilstaande en sterk opgewarmde motor pompt de koelvloeistofpomp ook. Het koelend vermogen kan zodoende onafhankelijk worden geregeld.

Het warmtemanagement maakt het mogelijk, buiten de de kennveldthermostaat om, verschillende referentievelden voor de regeling van de koelvloeistofpomp te programmeren. Zo kan de motorregeleenheid de motortemperatuur aan het rijgedrag aanpassen.

De motorregeleenheid (MSD80) regelt de volgende temperatuurbereiken:

• 108 °C = Economy-modus
  
• 104 °C = Normale modus
  
• 95 °C = High-modus
  
• 90 °C = High-modus en regeling door de referentieveldthermostaat
  

• 
  Wanneer de motorregeleenheid op basis van het rijgedrag de sparende modus ”Economy” instelt, regelt de DME af op een hogere temperatuur (108 °C).
  In dit temperatuurbereik kan de motor met een relatief laag brandstofverbruik worden gebruikt. De inwendige wrijving in de motor is bij hogere temperatuur lager. De temperatuurverhoging heeft een gunstig effect op het brandstofverbruik bij lage belasting.
  In de modi ”High” en ”Regeling door de referentieveldthermostaat” kan de bestuurder het optimale vermogen van de motor gebruiken. Daartoe wordt de temperatuur in de cilinderkop naar 90 °C verlaagd. Deze verlaging bewerkstelligt een betere vullingsgraad, wat tot een koppelverhoging van motors leidt. De motorregeleenheid kan dus een op de rijsituatie afgestemde regelmodus selecteren. Hiermee is het mogelijk via het koelsysteem invloed uit te oefenen op het verbruik en het vermogen.
  

Motoroliethermostaat

De motoroliethermostaat bevindt zich op het oliefilter.

De motoroliethermostaat wordt temperatuurafhankelijk geopend of gesloten. Hij sluit echter nooit volledig, maar heeft een minimale oliestroom naar de motoroliekoeler.
Tot een motorolietemperatuur van 110 °C is de motoroliethermostaat gesloten.
De opgevoerde motorolie wordt via de motoroliethermostaat via het kortsluitkanaal terug in de retour geleid. Op deze wijze wordt de motor vlot opgewarmd.
Vanaf een motorolietemperatuur van 110 °C opent de motoroliethermostaat en wordt de opening van het kortsluitkanaal kleiner. Zo wordt de oliestroom naar de motoroliekoeler vergroot. Vanaf circa 125 °C is de thermostaat helemaal open.

Volumestroomgeregelde olieverzorging

De volumestroomgeregelde oliepomp (pendelschuifpomp) levert precies zoveel olie als nodig is om de regeldruk te bereiken.

De oliedruk, die wordt opgebouwd, werkt via de stuurleiding op een regelplunjer met schuin aanloopvlak (tuimelsteun) tegen de kracht van een drukveer.
Als de oliebehoefte van de motor stijgt, dan daalt de druk in het smeersysteem, en daarmee ook in de regelplunjer. De oliepomp verhoogt de opbrengst en stelt de juiste druk weer in. Wanneer de oliebehoefte van de motor weer daalt regelt de pomp de stand van de regelplunjer een overeenkomstig lagere opbrengst in.

De olietoestandssensor melde de DME-regeleenheid de motrolietemperatuur en het oliepeil. Voor de berekening van het oliepeil rekent de DME-regeleenheid de duur voor het opwarmen en het afkoelen van de motorolie uit. De oliedruk activeert de oliedrukschakelaar. De DME-regeleenheid stuurt via het PT-CAN de waarschuwings- en controlelamp in het instrumentenpaneel aan (rood: Oliedruk laag; geel: Oliepeil laag)

Behoeftegeregelde opvoer van de brandstof

Overeenkomstig de aanwezige systeemdruk tussen de brandstofopvoerpomp en de hogedrukpomp wordt door de sensor primaire brandstofdruk een spanningssignaal aan de motorregeleenheid (DME-regeleenheid) uitgegeven.
De systeemdruk (primaire brandstofdruk) wordt met de sensor primaire brandstofdruk voor de hogedrukpomp vastgesteld.

In de DME-regeleenheid wordt voortdurend een vergelijking tussen richtdruk en werkelijke druk uitgevoerd. Als de werkelijke druk afwijkt van de richtwaarde dan verhoogt resp. verlaagt de DME-regeleenheid de spanning voor de elektrische brandstofpomp, die als bericht via het PT-CAN aan de EKP-regeleenheid wordt verstuurd. De EKP-regeleenheid zet het bericht om in een uitgangsspanning voor de elektrische brandstofpomp. Zo wordt de benodigde primaire druk voor de motor (resp. hogedrukpomp) geregeld.

Bij signaaluitval (sensor primaire brandstofdruk) wordt bij klem 15 AAN de elektrische brandstofpomp voorgestuurd aangedreven.
Wanneer de CAN-bus uitvalt, werkt de elektrische brandstofpomp via de EKP-regeleenheid met de boordnetspanning.

De hogedrukpomp brengt de brandstof op een druk tussen 50 en 200 bar. Via de hogedrukleiding belandt de samengedrukte brandstof in de rail. In de rail wordt de brandstof onder druk tussentijds opgeslagen en over de inspuitventielen verdeeld.
De raildruksensor meet de actuele brandstofdruk in de rail. Wanneer de hoeveelheidsregelklep in de hogedrukpomp opent, wordt de teveel opgevoerde brandstof weer naar de toevoer van de hogedrukpomp geleid.
Bij uitval van de hogedrukpomp kan slechts beperkt worden gereden.

Systeembeveiliging

Wanneer de temperatuur van de koelvloeistof of de motorolie te hoog wordt, worden bepaalde functies in de auto zodanig beïnvloed, dat de motorkoeling meer energie ter beschikking heeft.

Demaatregelen worden in 2 functies onderverdeeld:

• Bescherming van componenten
  
• Noodgeval
  
  

• Bescherming van componenten
  Koelvloeistoftemperatuur tussen 117 °C en 124 °C
  Motorolietemperatuur tussen 150 °C en 157 °C
  Maatregel: Bijv. vermogensreductie van de klimaatregeling (tot 100 %) en de motor
  
  
• Noodgeval
  Koelvloeistoftemperatuur tussen 125 °C en 129 °C
  Motorolietemperatuur tussen 158 °C en 163 °C
  Maatregel: Bijv. vermogensreductie van de motor (tot ca. 90 %)
  
  

Aanwijzingen voor de service

Algemene aanwijzing

Waarschuwing! Werkzaamheden aan het brandstofsysteem alleen bij koude motor uitvoeren.

Bij koelvloeistoftemperaturen hoger dan 40 °C kan bij het losmaken van de verstuivers brandstof met hoge snelheid vrijkomen.

Drukfouten, vergissingen en technische wijzigingen voorbehouden.