De gelaagde vulling (arm mengsel) wordt beschreven met de 6-cilinder motor N53 als voorbeeld. Ook de nieuwe 4-cilinder benzinemotor N43 beschikt over gelaagde vulling.
De constructieve basis van de N53 (bijv.N53B30O0) vormt de N52. De N53 beschikt net als de N54 over directe inspuiting. De N53 heeft echter geen turbo. Bovendien wordt de N53 in brede toepassingsgebieden met gelaagde vulling (Lambda tot 2,5) gebruikt. De 6-cilinder motor is voor de Europese markt ontwikkeld (ACEA: * Verbond van de Europese automobielfabrikanten). Het uitlaatsysteem beschikt over een stikstofoxidekatalysator.
De straalgerichte directe inspuiting (HPI: High Precision Injection) levert aanvullende mogelijkheden:
Daardoor kunnen vermogen, motorkoppel, verbruik en uitstoot van schadelijke stoffen positief worden beïnvloed.
Met gelaagde vulling bereikt de dynamische efficiency (BMW marketingbegrip: EfficientDynamics) een nieuw niveau. De motor levert zijn prestaties bij een verlaagd brandstofverbruik.
De volgende componenten worden beschreven:
Bij de directe inspuiting is het inspuitventiel centraal tussen de kleppen en vlakbij de bougies geplaatst. In deze stand kan de nieuwe, naar buiten opende injector de benzine ringvormig (holle kegel) en bijzonder gelijkmatig in de verbrandingsruimte verdelen. Hierdoor wordt niet alleen een exacte mengseldosering mogelijk, maar tegelijkertijd ook een koelende werking bereikt. Dit maakt een hogere verdichting mogelijk en optimaliseert zo de werkingsgraad van het verbrandingsproces.
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Verstuiver |
2 |
Cilinderkop |
3 |
Zuigers |
4 |
Verbrandingskamer |
5 |
Bougie |
6 |
Bobine |
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 tot 40 micrometer grote ringvormige opening.De ringvormige opening levert de straalgerichte directe inspuiting en zorgt voor een gelijkmatige verspreiding door een holle kegel. De piëzo-elektrische bediening heeft t.o.v. de bediening met magneetspoelen de volgende voordelen:
Daardoor worden ook duidelijk verbeteringen m.b.t. de uitstoot van schadelijke stoffen en het brandstofverbruik verkregen.
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Verstuiver |
2 |
Raildruksensor |
3 |
Rail |
4 |
Brandstofonderdruksensor |
5 |
Hoeveelheidsregelklep |
6 |
Hogedrukpomp |
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. Hiermee wordt de lichthoogte van de inspuitnaald gecreëerd. Om een grotere lichthoogte te realiseren, kan het piëzo-element uit meerdere lagen worden opgebouwd.
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Piëzo-element zonder spanning |
2 |
Lagen van piëzo-elementen |
3 |
Piëzo-element, spanning aangelegd |
|
|
Stikstofoxide is een verzamelbegrip voor de diverse verbindingen van stikstof met zuurstof. Stikstofoxiden worden gevormd als het gevolg van nevenreacties bij alle verbrandingsprocessen met lucht die stikstof bevat. Stikstof neemt niet deel aan de eigenlijke verbranding van koolstof. De hoge temperaturen en de druk die in de verbrandingsruimte heersen zorgen echter voor oxidatie met de zuurstof in de lucht. Hierbij ontstaan hoofdzakelijk stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2) evenals in geringe mate distikstofoxide (N2O).
Hoe hoger de temperaturen en hoe meer lucht zich in het verbrandingsmengsel bevindt, hoe groter de hoeveelheid stikstofoxide die wordt gevormd. Daarom moeten motoren met gelaagde vulling worden voorzien van een stikstofoxidekatalysator.
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Lambdasonde (regelsonde) |
2 |
Stikstofoxidesensor |
3 |
Uitlaatgasklep |
4 |
Stikstofoxidekatalysator cilinderrij 2 |
5 |
Stikstofoxidekatalysator cilinderrij 1 |
6 |
Uitlaatgasemperatuursensor |
7 |
Driewegkatalysator cilinderrij 2 |
8 |
Lambdasonde (controlesonde) |
9 |
Driewegkatalysator cilinderrij 1 |
|
|
De Stikstofoxidekatalysator lijkt qua opbouw op een driewegkatalysator. Op een dragermateriaal zijn een katalytisch werkend edelmetaal en een materiaal voor de tussenopslag van de stikstofoxide aangebracht. De stikstofoxidekatalysator werkt bij omgevingstemperaturen van 220 °C tot 450 °C. In dit temperatuurgebied is het mogelijk, stikstofoxide op te slaan alsmede te regenereren. Voor de ontzwaveling is een nog hoger temperatuurgebied van 600 °C - 650 °C nodig. Deze temperaturen worden door de uitlaatgastemperatuursensor bewaakt. De aansturing en controle van de regeneratie wordt verzorgd door de motorregeling (MSD80). Hiertoe gebruikt de motorregeling een rekenmodel en de meetwaardes van de stikstofoxidesensor.
De stikstofoxidesensor bestaat uit de eigenlijke meetsonde en een bijbehorende verwerkingselektronica. De verwerkingselektronica communiceert via de Local-CAN (lokale CAN-bus) met de motorregeleenheid.
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Stikstofoxidesensor |
2 |
Evaluatie-elektronica |
De stikstofoxidesensor is voor wat betreft zijn werking te vergelijken met een breedband-lambdasonde. Gemeten wordt echter de stikstofoxide. De meetprocedure is gebaseerd op het idee, de hoeveelheid stikstofoxide aan de hand van de hoeveelheid zuurstof te bepalen. De stikstofoxidesensor is rechtstreeks met de verwerkingselektronica verbonden.
De volgende systeemfuncties worden beschreven:
Opmerking! Verklaring begrip gelaagde vulling.
Gelaagde vulling is een werkwijze voor benzinemotoren. Hierbij wordt brandstof zo ingespoten, dat in het deel rond de bougie een ontbrandbaar mengsel (Lambda = 0,5 tot 1,0) ontstaat. De in de rest van de verbrandingsruimte bevindt zich een zeer arm, niet ontbrandbaar mengsel (Lambda = 1,5 tot 2,5).
Bij directe inspuiting is het inspuitventiel in de verbrandingskamer aangebracht. De verbrandingslucht wordt nagenoeg zonder belemmering (via de gasklep) aangezogen. De brandstof wordt pas laat tijdens de compressieslag ingespoten. Alleen rond de bougie ontstaat een ringvormig gemakkelijk ontbrandbaar mengsel. Het grootste gedeelte van de verbrandingsruimte is met lucht en restgassen gevuld. In verband met het luchtoverschot ontstaat een uitlaatgassamenstelling, waarbij met een conventionele driewegkatalysator geen reductie van de hoeveelheid stikstofoxide in het uitlaatgas mogelijk is. Om die reden is een stikstofoxidekatalysator nodig.
De werking met een gelaagde vulling is niet over het hele werkingsgebied van een motor mogelijk. De volgende natuurkundige grensgebieden ontstaan:
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Uitgebreidere gelaagde vulling: |
2 |
Overgangsgebied: |
3 |
Homogene omstandigheid: |
|
|
De opslagcapaciteit van de stikstofoxidekatalysator is begrensd. Als het opslagmateriaal volledig is verzadigd kan geen stikstofoxide meer worden opgenomen. De motorregeling herkend deze verzadiging als volgt:
Index |
Verklaring |
Index |
Verklaring |
|---|---|---|---|
1 |
Stikstofoxidekatalysator |
2 |
Opslagmateriaal (barium) |
3 |
Stikstofoxidesensor |
|
|
Wanneer de opslagkatalysator verzadigd is, begint de motorregeling met de regeneratie van de stikstofoxide. Hiertoe wordt het mengsel licht verrijkt (Lambda = 0,8). Bij de regeneratie worden de stikstofoxiden door de katalysator geconverteerd. Na het converteren wordt de verrijkte motorwerking weer beëindigd. Ook hiervoor wordt gebruikgemaakt van een rekenmodel en de stikstofoxidesensor. De stikstofoxidesensor meet hierbij de zuurstofconcentratie in het uitlaatgas. Een spanningssprong van ”arm” naar ”rijk” geeft aan, dat de regeneratie is beëindigd.
Attentie: Hogedrukbrandstofsysteem
Werkzaamheden aan dit brandstofsysteem zijn alleen toegestaan na het afkoelen van de motor. De koelvloeistoftemperatuur mag niet hoger zijn dan 40 °C. Verder bestaat door de resterende druk in het hogedrukbrandstofsysteem gevaar voor verwondingen.
Opmerking: De reparatiehandleiding in acht nemen.
Bij werkzaamheden aan het hogedrukbrandstofsysteem goed letten op een schone werkwijze. Al bij de geringste verontreinigingen en beschadiging van de boutverbindingen van de hogedrukleidingen kunnen lekkages ontstaan.
Opmerking: Noodprogramma.
Bij onaannemelijke uitlaatgasemissiewaarden wordt het noodprogramma gestart. Daarnaast draait de motor met een homogeen mengsel.
Er zijn 2 noodprogramma's: Noodprogramma met 5 bar inspuitdruk en noodprogramma met 100 bar inspuitdruk.
Mogelijke oorzaken voor het noodprogramma met 5 bar:
Mogelijke oorzaken voor het noodprogramma met 100 bar:
Opmerking: Servicefunctie compensatie inspuitventiel.
Als de motorregeleenheid of een inspuitventiel vervangen wordt, moet erop worden gelet dat de opgedrukte code van elk inspuitventiel in de motorregeleenheid met de correcte cilinder overeenkomt. Servicefunctie ”inspuitventiel compenseren” met het BMW Diagnosesysteem uitvoeren.
Opmerking: Servicefuncties stikstofoxidekatalysator.
Als de motorregeleenheid wordt vervangen, moeten de verouderings- en verzwavelingstoestand van de stikstofoxidekatalysatoren worden overgedragen.
Als de stikstofoxidekatalysatoren worden vervangen, moeten de verouderings- en verzwavelingstoestand worden geïnitialiseerd.
Opmerking: Verzwaveling van de stikstofoxidekatalysator.
Zwavelvrije brandstof bevat toch een minimum aan zwavel. De zwavel reduceert de opslagcapaciteit van de stikstofoxidekatalysatoren. Een verzwaveling van de stikstofoxidekatalysator zorgt ervoor dat de motor alleen in het homogene werkingsgebied draait, omdat geen stikstofoxide kan worden opgenomen. De motorregeling herkent de stikstofoxidekatalysator. Voor de ontzwaveling wordt de stikstofoxidekatalysator op 600 °C tot 650 °C verhit en wordt een rijk mengsel toegepast (Lambda = 0,94).
Voor de actieve verhitting van de stikstofoxidekatalysator zijn de volgende gebruiksomstandigheden noodzakelijk:
Bij storingsinvoer (NOx-kat verzwaveld) kan via een servicefunctie een regelmatige verhitting worden geactiveerd. Deze vrijschakeling is actief tot de succesvolle ontzwaveling van de stikstofoxidekatalysator.
Drukfouten, vergissingen en technische wijzigingen voorbehouden.