N54-motor

N54-motor

Den nya generationen 6-cylindriga bensinmotorer (NG6) fortsätter att vidareutvecklas.
BMW tar åter upp turbo-tekniken i och med den nya laddade 6-cylindriga bensinmotorn N54 med direktinsprutning.

I den nya turbomotorn används andra generationens direktinsprutning (DI2). Direktinsprutningen (HPI: High Precision Injection) avger extra frihetsgrader vid mätningen av insprutningsmängd och insprutningstid (flergångsinsprutning beroende på belastning och varvtal upp till 3 ggr) samt vid blandningsfördelningen i förbränningsrummet. Därigenom påverkas effekten, motorns vridmoment, förbrukningen och utsläppen av skadliga ämnen positivt.
Tack vare kylblandningen genom det direktinsprutade bränslet, kan kompressionen höjas jämfört med en turbomotor med insprutning via insugningsrör. Detta förbättrar verkningsgraden.
Användningen av direktinsprutning gör så att det uppstår en homogen bränsleblandning i hela förbränningsrummet. Homogen bränsleblandning innebär att bränsle-/luftförhållandet, liksom vid insprutning via insugningsrör, regleras stökiometriskt (lambda = 1).
(Med stökiometrisk menar man ett bränsle-/luftförhållande på 14,8 kg luft till 1 kg bränsle.) Man kan använda ett konventionellt system för avgasefterbehandling i och med den homogena bränsleblandningen.

Med bi-turbo-konceptet får man en tydligt mer spontan effektutveckling. I stället för en stor avgasturboladdare försörjer två mindre aggregat tre cylindrar vardera med komprimerad luft. En väsentlig fördel med den mindre avgasturboladdaren är att den har ett mindre tröghetsmoment. Till och med minsta möjliga manövrering av gaspedalsmodulen svaras med omedelbar tryckuppbyggnad.
Samtidigt medverkar användningen av variabla ventiltider (dubbel-Vanos) till en optmal gasväxling, som leder till ett högt motorvridmoment vid lägre varvtal och ser till att elasticiteten hålls på topp.

Kortfattad komponentbeskrivning

Följande komponenter beskrivs för N54-motorn:

• Digital motorelektronik
  
• EKP-styrenhet och elektrisk bränslepump
  
• Högtrycksbränslepump
  
• Rail med rail-tryckgivare
  
• Spridare (högtrycksinsprutningsventiler)
  
• Insugningsrörets tryckgivare
  
• Avgasturboladdare
  
• Volymströmsreglerad oljepump
  
• Elektrisk kylvätskepump
  
• Variabel kamaxelstyrning för insugningskamaxeln och avgaskamaxeln ”dubbel-Vanos”
  
• Oljestatusgivare
  
• Vevhus av aluminium
  
  

DME: Digital motorelektronik

På kretskortet i DME-styrenheten (MSD80) finns det 3 givare:

• Temperaturgivare
  
• Omgivningstryckgivare
  
• Spänningsgivare
  

Temperaturgivareen används för den termiska beräkningen av komponenterna i DME-styrenheten.
Omgivningstryckgivaren behövs för att beräkna sammansättningen av blandningen. Omgivningstrycket sjunker med tilltagande höjd över havet.
Spänningsgivaren övervakar spänningsförsörjningen via klämma 87.

EKP-styrenhet och elektrisk bränslepump

DME-styrenheten fastställer motorns bränslebehov. Den erforderliga bränslemängden sänds i form av ett meddelande till EKP-styrenheten via PT-CAN. Detta meddelande omsätts till en utgångsspänning av EKP-styrenheten. Med utgångsspänningen regleras sedan varvtalet för den elektriska bränslepumpen. På så sätt uppnås en behovsanpassad matning för högtryckspumpen.

Den elektriska bränslepumpen är en ”pumpen i tanken”.
Från Kl. 15 TILL kopplas den elektriska bränslepumpen till.

Högtrycksbränslepump

Högtrycksbränslepumpen komprimerar bränslet (område från 50 till 200 bar) och transporterar det till railen.

Högtrycksbränslepumpen sitter fastskruvad i den bakre änden på vakuumpumpen. Högtrycksbränslepumpens drivaxel sitter ihop med vakuumpumpens drivaxel.

Mängdreglerventilen styr bränsletrycket i railen. Mängdreglerventilen styrs via en pulsbreddsmodulerad signal (PWM-signal) från DME-styrenheten. Beroende på PWM-signalen friges ett olika stort tvärsnitt av strypningen, och bränslematningsmängden som behövs för respektive belastningstillstånd för motorn ställs in utefter detta. Dessutom kan trycket i railen reduceras.
Om man diagnostiserar ett fel i systemet, t ex att högtrycksgivaren inte fungerar, blir mängdreglerventilen strömlös. Bränslet transporteras då via en så kallad bypass-ventil in i railen.

Mängdreglerventilen är en komponent i högtryckspumpen och kan demonteras vid service.

Rail med rail-tryckgivare

I railen sparas det komprimerade bränslet temporärt och fördelas till spridarna.

Rail-tryckgivaren mäter det aktuella bränsletrycket i railen.

Bränsletrycket kommer till membranet med givarelement genom högtrycksanslutningen. Membranets deformation omvandlas till en elektrisk signal via givarelementet. Utvärderingskopplingen bearbetar signalen och vidarebefordrar en analog spänningssignal till DME. Spänningssignalen stiger linjärt med tilltagande bränsletryck.

Signalen från rail-tryckgivaren är en viktig ingångssignal för att DME ska kunna styra mängdreglerventilen (komponent i högtryckspumpen).
Om rail-tryckgivaren slutar fungera, styrs mängdreglerventilen i nöddrift av DME.

Spridare (högtrycksinsprutningsventiler)

Spridaren sprutar bränslet till förbränningsrummet under högtryck. Spridaren öppnar spridarnålens spets utåt och bildar på så sätt en ringspalt på några få mikrometer. Ringspalten formar den strålstyrda direktinsprutningen och ser till att utbredningen är jämnt fördelad och konformad.

Jämfört med aktiveringen via magnetspolar ger den piezoelektriska aktiveringen följande fördelar:

• förbättrade möjligheter för flergångsinsprutningen genom snabba kopplingstider med mycket liten dödtid.
  

Därmed uppstår tydliga förbättringar med avseende på utsläpp av skadliga ämnen och bränsleförbrukning.

Ett piezoelement är en elektromekanisk omvandlare. Piezoelementet är en keramikdel som omvandlar elenergi direkt till mekanisk energi (kraft/väg). Piezoelementet expanderar när en spänning släpps på. På så sätt alstras spridarnålens slag.
För att få ett större slag, är ett piezoelement konstruerat i flera skikt.

Insugningsrörets tryckgivare

Insugningsrörets tryckgivare mäter vakuumet i insugningssystemet. Insugningsrörets vakuum används som ersättningsstorhet för lastsignalen. Insugningsrörets tryckgivare sitter bakom gasspjället.

Avgasturboladdare

Motorn har 2 avgasturboladdare (en på avgasgrenröret för cylindrarna 1 till 3 och en på avgasgrenröret för cylindrarna 4 till 6). Turbinerna tillåter särskilt höga avgastemperaturer (1050 °C-teknik), som framförallt leder en märkbar reducering av förbrukningen vid hög last.
Avgasturboladdararnas laddtryck regleras av DME via en bypass-ventil (Wastegate-ventil) vardera. Via bypass-ventilen leds en del av avgasen förbi till turbinerna.
Bypass-ventilerna styrs från DME via elektropneumatiska tryckomvandlare och kan ställas in variabelt.
På lagerhuset finns det 2 anslutningar för motorkylsystemet och 2 anslutningar för oljecirkulationen för kylning och smörjning av avgasturboladdaren.

Volymströmsreglerad oljepump

Motorn har en volymströmsreglerad oljepump. Denna pump transporterar precis så mycket olja som behövs för att uppnå regleringstrycksnivån. Oljepumpen drivs med en kedja från vevaxeln.

Elektrisk kylvätskepump

En elmotor driver kylvätskepumpen. Elmotorns effekt(400 watt) styrs via en styrelektronik. Denna styrelektronik ansluten till DME (digital motorelektronik) via det bitseriella datagränssnittet. DME fastställer vilken kyleffekt som krävs utifrån temperaturgivarnas belastning, driftområde och datainformation. DME skickar de motsvarande signalerna till styrelektroniken som i sin tur reglerar kylvätskepumpen.
Kylvätskepumpens motor omspolas av kylvätskan. På så sätt kyls motorn och styrelektroniken. Med hjälp av kylvätskan smörjs även den elektriska kylvätskepumpens lager.

Oljestatusgivare

Oljestatusgivaren mäter följande storheter:

• Motoroljetemperaturen
  
• Oljenivån
  
• Motoroljekvaliteten
  

Oljestatusgivaren skickar mätvärdena till DME.

Variabel kamaxelstyrning för insugningskamaxeln och avgaskamaxeln ”dubbel-Vanos”

Den variabla kamaxelstyrningen används för att höja vridmomentet i det undre och mittre varvtalsområdet.
En Vanos-magnetventil vardera styr en Vanos-justerenhet på insugningssidan och avgassidan. Vanos-magnetventilerna styrs av DME-styrenheten.
Motorns ventiltider påverkas steglöst av de båda variabla Vanos-justerenheterna.
Genom en större ventilöverlappning uppstår mindre mängder restgas under tomgång. Genom den interna avgasåterföringen inom dellastområdet reduceras kväveoxiden.

OBS! Förväxla inte Vanos-justerenheter.

Vanos-justerenheterna för insugnings- och avgaskamaxeln har olika justeringsvägar. Om man förväxlar Vanos-justerenheterna kan motorn därför skadas pga att ventilerna sätter sig.
På VANOS-justerenhetens framsida finns inbyggnadssidan ingraverad.

Vevhus av aluminium

Ett delat vevhus av aluminium används i motorn. Underdelen har en bedplate-konstruktion som gör att styvheten blir högre.

Systemfunktioner

Följande systemfunktioner beskrivs:

• Laddtryckreglering
  
• Motorventilation
  
• Motorkylning
  
• Volymströmsreglerad oljeförsörjning
  
• Behovsanpassad matning av bränslet
  
• Systemskydd
  
  

Laddtryckreglering

Avgasturboladdararnas laddtryck regleras av DME via en bypass-ventil (Wastegate-ventil) vardera. Bypass-ventilerna styrs (karakteristikfältsstyrs) av DME via elektropneumatiska tryckomvandlare.

Förutom bypass-ventilerna finns det 2 turbotryckreglerventiler monterade. Utan turbotryckreglerventilerna skulle avgasturboladdarna behöva arbeta emot det stängda gasspjällets dynamiska tryck.
När gasspjället stängs, öppnas turbotryckreglerventilerna genom det högre vakuumet i insugningsröret. När det är öppet, förbinder turbotryckreglerventilerna kompressorns insugningssida med avgassidan. I och med detta förhindras ett för högt dynamiskt tryck.

Motorventilation

Motorventilationen är tryckstyrd. Beroende på insugningsrörets vakuum och laddtrycket sker ventilationen antingen via en 6-faldig fördelarlist i insugningskanalerna eller i renluftsröret framför avgasturboladdaren (cylindrarna 4 till 6). Fördelarlisten är integrerad i ventilkåpan.

Det finns 2 ventiler monterade för motorventilationen.

• Backventil med tryckbegränsning
  Backventilen med tryckbegränsning reglerar flödet beroende på insugningsrörets vakuum som skapats och styr blowby-gasernas inträde till insugningskanalerna.
  Från och med ett visst laddtryck stängs backventilen med tryckbegränsning.
  
• Backventil till renluftsrör
  De 2 renluftsrören sitter efter insugningsljuddämparen. Varje renluftsrör förbinder luftfiltret med en avgasturboladdare. I renluftsröret transporteras luften som renats i luftfiltret till kompressorn.
  Från och med ett visst laddtryck öppnas backventilen pga vakuumet i renluftsröret. Blowby-gaserna luftas i renluftsröret till avgasturboladdaren (cylindrarna 4 till 6).
  Ventilationsanslutningen har, i anslutning till renluftsröret, motorventilationsvärme efter PTC-principen (positiv temperaturkoefficient). Motorventilationsvärmen styrs via KL. 87.
  
  

Motorkylning

När det gäller kylsystemet med elektrisk kylvätskepump används möjligheterna för det konventionella kylsystemet. Det aktuella kylbehovet fastställs av värmehanteringen som i sin tur reglerar kylsystemet därefter.

Följande komponenter påverkas av värmehanteringen:

• Elektrisk kylvätskepump
  
• Programstyrd termostat
  
• Digital motorelektronik (DME)
  

Systemets kyleffekt anpassas via kylvätskans volymström som fritt kan varieras.

Värmehanteringen tar reda på det aktuella kylbehovet och reglerar kylsystemet utefter detta. Eventuellt kan kylvätskepumpen t o m stängas av helt, exempelvis för att kylvätskan snabbare ska kunna värmas upp under varmkörningsfasen.
Om motorn är avstängd och kraftigt uppvärmd, pumpar kylvätskepumpen även när bilen står stilla. Kyleffekten kan på så sätt begäras oberoende av varvtal.

Värmehanteringen tillåter nu, utifrån den karakteristiska termostaten, att styrningen av kylvätskepumpen ska utgöras av olika karakteristikfält. Därigenom kan motorstyrenheten anpassa motortemperaturen till körsättet.

Motorstyrenheten (MSD80) reglerar följande temperaturområden:

• 108 °C = Economy-drift
  
• 104 °C = Normal drift
  
• 95 °C = High-drift
  
• 90 °C = High-drift och reglering via karakteristisk termostat
  

• 
  När motorstyrenheten känner av det skonomiska driftområdet ”Economy” på grund av körsättet, växlar DME till en högre temperatur (108 °C).
  I detta temperaturområde är ska motorn drivas med relativt lågt bränslebehov. Friktionen inne i motorn är mindre om temperaturen är hög. En förhöjd temperatur gynnar alltå den lägre bränsleförbrukningen i ett lågt lastområde.
  Vid driften ”High och reglering via karakteristisk termostat” kan man använda motorns optimala effektutveckling. För detta ändamål sänks temperaturen i cylindertoppen till 90 °C. Denna sänkning ger en bättre fyllnadsgrad, vilket leder till att motorns vridmoment ökas. Motorstyrenheten kan nu reglera ett bestämt driftområde, anpassat till den aktuella körsituationen. Därmed går det att påverka förbrukningen och effekten via kylsystemet.
  

Motoroljetermostat

Motoroljetermostaten sitter på oljefiltret.

Motoroljetermostaten stängs eller öppnas beroende på temperaturen. Den stängs dock aldrig helt, utan har ett minimumflöde till motoroljekylaren.
Motoroljetermostaten är stängd upp till en motoroljetemperatur på 110 °C.
Motoroljan transporteras tillbaka till oljereturen via motoroljetermostaten i kortslutningskretsloppet. Detta gör att man får en snabbare varmkörning av motorn.
Från och med en motoroljetemperatur på 110 °C öppnas motoroljetermostaten och reducerar öppningen i kortslutningskretsloppet. Därmed höjs oljegenomströmningen i ledningen till motoroljekylaren. Termostaten är helt öppen från och med ca 125 °C.

Volymströmsreglerad oljeförsörjning

Den volymströmsreglerade oljepumpen (vingcellspumpen) matar precis så mycket olja som behövs för att regleringstrycksnivån ska uppnås.

Oljetrycket, som åstadkoms, påverkar en reglerkolv med sned anliggningsyta (pendelstöd) mot kraften från en tryckfjäder via styrledningen.
Om oljebehovet i motorn stiger, så sjunker trycket i smörjsystemet och därför även på reglerkolven. Oljepumpen höjer matningsvolymen och återställer de tidigare tryckförhållandena. När motorns oljebehov går tillbaka, reglerar pumpen en mindre matningsvolym med hjälp av reglerkolvens ställning.

Oljestatusgivaren rapporterar motoroljetemperaturen och oljenivån till DME-styrenheten. DME-styrenheten beräknar tiden för att värma upp och kyla av motoroljan för att kunna beräkna oljenivån. Oljetrycket rapporteras av oljetryckskontakten. DME-styrenheten styr varnings- och kontrollampan i kombiinstrumentet via PT-CAN (röd: oljetrycket lågt; gul: oljenivån låg)

Behovsanpassad matning av bränslet

Beroende på det systemtryck som ligger mellan bränslepumpen och högtryckspumpen, avges en spänningssignal från bränslelågtrycksgivaren till motorstyrenheten (DME-styrenheten).
Systemtrycket (bränslelågtrycket) fastställs med bränslelågtrycksgivaren före högtryckspumpen.

I DME-styrenheten genomförs konstant en jämförelse mellan börtryck och ärtryck. Om börtrycket avviker från ärtrycket, så höjer eller sänker DME-styrenheten spänningen för den elektriska bränslepumpen. Spänningen skickas som meddelande till EKP-styrenheten via PT-CAN. EKP-styrenheten omvandlar meddelandet till en utgångsspänning för den elektriska bränslepumpen. Härigenom regleras det erforderliga tilloppstrycket för motorn (resp högtryckspumpen).

Om signalerna inte fungerar (bränslelågtrycksgivaren), förstyrs den elektriska bränslepumpen genom Kl. 15 TILL.
Om CAN-bussen slutar att fungera, drivs den elektriska bränslepumpen med bilens anliggande nätspänning via EKP-styrenheten.

Högtryckspumpen komprimerar bränslet på ett tryck mellan 50 och 200 bar. Det komprimerade bränslet kommer till railen via högtrycksledningen. I railen sparas det komprimerade bränslet temporärt och fördelas till spridarna.
Rail-tryckgivaren mäter det aktuella bränsletrycket i railen. När mängdreglerventilen i högtryckspumpen öppnas, återförs det det för mycket matade bränslet tillbaka till högtryckspumpens tillopp.
Om högtryckspumpen inte fungerar, är det ändå möjligt med en begränsad körning.

Systemskydd

Om kylvätskans eller motoroljans temperaturer blir för höga under motordriften, så påverkas vissa funktioner i bilen så att det finns mer energi tillgängligt för motorkylningen.

Åtgärderna delas in i 2 driftsätt:

• Komponentskydd
  
• Nödfall
  
  

• Komponentskydd
  Kylvätsketemperatur mellan 117 °C och 124 °C
  Motoroljetemperatur mellan 150 °C och 157 °C
  Åtgärd: t ex effektreducering av klimatiseringen (till 100 %) och motorn
  
  
• Nödfall
  Kylvätsketemperatur mellan 125 °C och 129 °C
  Motoroljetemperatur mellan 158 °C och 163 °C
  Åtgärd: t ex effektreducering av motorn (till 90 %)
  
  

Anvisningar för service

Allmänna anvisningar

Varning! Utför endast arbeten på bränslesystemet när motorn är kall.

Vid kylvätsketemperaturer på över 40 °C kan bränsle strömma ut med hög hastighet när man lossar spridarna.

Med förbehåll för tryckfel, felaktigheter och tekniska ändringar.