Skiktningsdrift vid direktinsprutning

Skiktningsdrift (mager blandning) beskrivs med ett exempel från 6-cylindriga N53-motorer. Även den nya 4-cylindriga bensinmotorn N43 har skiktningsdrift.

Den konstruktionsmässiga basen för N53 (t ex N53B30O0) bildar N52. N53 har, liksom N54, en direktinsprutning. N53 är emellertid inte laddad. Dessutom används N53 inom många driftområden med skiktningsbelastning (Lambda upp till 2,5). Den 6-cylindriga motorn är utvecklad för den europeiska Marknaden (ACEA: Förbund för de europeiska biltillverkarna). Avgassystem har en kväveoxidkatalysator.

Den strålstyrda direktinsprutningen (HPI: High Precision Injection) avger ytterligare frihetsgrader:

Vid mätning av insprutningsmängden och insprutningstiden (flergångsinsprutning beroende på belastningen och varvtalet upp till 3 ggr)
Vid blandningsfördelningen i förbränningsrummet.

Därigenom påverkas effekten, motorns vridmoment, förbrukningen och utsläppen av skadliga ämnen positivt.

Med skiktningsdriften uppnår den effektiva dynamiken (BMW marknadsbegrepp: ”EfficientDynamics”) en ny nivå. Motorn utnyttjar sina prestandaresurser vid reducerad bränsleförbrukning.

Kortfattad komponentbeskrivning

Följande komponenter beskrivs:

Cylindertopp vid direktinsprutning
Spridare
Kväveoxidkatalysator med kväveoxidgivare samt avgastemperaturgivare

Cylindertopp vid direktinsprutning

Vid direktinsprutning är spridaren placerad centralt mellan ventilerna och i omedelbar närhet till tändstiftet. I denna position kan den spridare, som öppnas utåt, fördela bränslet ringformat (hålkon) och speciellt jämnt i förbränningsrummet. Det ger inte bara en exakt blandningsdosering, utan uppnår samtidigt även en kyleffekt. Detta medger en högre kompression och optimerar på så sätt förbränningsprocessens verkningsgrad.

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Spridare	2	Topplock
3	Kolvar	4	Förbränningsrum
5	tändstift	6	Tändspole

Spridare

Spridaren sprutar in bränslet i förbränningsrummet under högtryck. Spridaren öppnar spridarnålens spets utåt och bildar därvid en upp till 40 mikrometer stor ringspalt. Ringspalten formar den strålstyrda direktinsprutningen och sörjer för en jämnt fördelat utbredning genom en hålkon. 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.

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Spridare	2	Rail-tryckgivare
3	Rail	4	Bränslelågtrycksgivare
5	Mängdregleringsventil	6	Högtryckspump

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. Därmed alstras spridarnålens lyft. För att uppnå ett högre lyft, kan ett piezoelement byggas upp i flera skikt.

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Piezoelement utan spänning	2	Skikt av piezoelement
3	Piezoelement, spänning tillförd

Kväveoxidkatalysator med kväveoxidgivare samt avgastemperaturgivare

Kväveoxid är ett samlingsbegrepp för de olika kväveoxidföreningarna med syre. Kväveoxid bildas till följd av bireaktioner vid alla förbränningsprocesser med luft, som innehåller kväve. Kväve är inte inblandad i kolets egentliga förbränning. Genom de höga temperaturerna som uppstår och trycket i förbränningsrummet, uppkommer emellertid oxidationer med syret i luften. Härvid uppstår huvudsakligen kvävemonoxid (NO) och kväveoxid (NO₂) samt i liten mängd dikväveoxid (N₂O).

Ju högre temperaturerna är och ju mer luft, som befinner sig i förbränningsblandningen, desto högre är antalet kväveoxider som bildas. Därför måste motorer med skiktningsdrift utrustas med en kväveoxidkatalysator.

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Lambdasonder (regleringssonder)	2	Kväveoxidgivare
3	Avgasspjäll	4	Kväveoxidkatalysator cylinderbank 2
5	Kväveoxidkatalysator cylinderbank 1	6	Avgastemperaturgivare
7	Trevägskatalysator cylinderbank 2	8	Lambdasonder (monitorsonder)
9	Trevägskatalysator cylinderbank 1

Kväveoxidkatalysatorn liknar till konstruktionen en trevägskatalysator. På ett bärskikt har en katalytiskt verkande ädelmetall samt ett material för temporär lagring av kväveoxider appplicerats. Kväveoxidkatalysatorn arbetar inom ett temperaturområde från 220 °C till 450 °C. Inom detta temperaturområde går det att lagra samt regenerera kväveoxid, För avsvavlingen krävs ett ännu högre temperaturområde från 600 °C till 650 °C. Dessa temperaturområden övervakas av avgastemperaturgivaren. Motorstyrningen genomför övervakningen av regenereringen (MSD80). Därtill använder motorstyrningen en beräkningsmodell samt kväveoxidgivares mätvärden.

Kväveoxidgivaren består av den egentliga mätsonden och en tillhörande utvärderingselektronik. Utvärderingselektroniken kommunicerar med motorstyrenheten via Local-CAN (lokal CAN-buss).

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Kväveoxidgivare	2	Utvärderingselektronik

Kväveoxidgivaren kan till funktionssättet jämföras med en bredbandslambdasond. Det är emellertid kväveoxid som mäts. Mätmetoden baseras på att kväveoxidsmätningen kan hänföras till en syremätning. Kväveoxidgivaren är oskiljbart förbunden med utvärderingselektroniken.

Systemfunktioner

Följande systemfunktioner beskrivs:

Skiktningsdrift
Lagring och regenerering av kväveoxidkatalysatorn

Skiktningsdrift

Anmärkning! Begreppsförklaring skiktningsbelastning.

Skiktningsbelastning är ett förfaringssätt för bensinmotorer. Därvid sprutas bränslet in på så sätt, att det inom tändstiftens område uppstår en antändlig blandning (Lambda = 0,5 till 1,0). Det övriga förbränningsrummet innehåller en mycket mager, ej antändlig blandning (Lambda = 1,5 till 2,5).

Vid direktinsprutning mynnar spridaren direkt ut i förbränningsrummet. Förbränningsluften sugs in näst intill ostrypt (via gasspjället). Bränslet sprutas in sent under kompressionstakten. Endast inom tändstiftens område uppstår en ringformad, antändlig blandning. Den övervägande delen av förbränningsrummet är fyllt med luft och restgaser. Genom luftöverskottet uppstår en avgassammansättning, vid vilken med en konventionell trevägskatalysator ingen reducering av kväveoxiderna i avgasen är möjlig. Av det skälet krävs en kväveoxidkatalysator.

Drift med skiktningsbelastning är inte möjlig över hela motorns driftområde. Följande fysikaliska gränsområden uppstår:

Vid tilltagande belastning måste den insprutade bränslemängden öka. Området runt tändstiftet med antändlig blandning ökar.
Vid ökande varvtal minskar den för gasväxlingen och bränsleblandningen tillgängliga tiden.

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Utökad skiktningsdrift: Lambda mycket större än 1	2	Övergångsområde: Lambda näst intill större än 1
3	Homogent driftområde: Lambda = 1

Lagring och regenerering av kväveoxidkatalysatorn

Kväveoxidkatalysators lagringskapacitet är begränsad. När lagringsmaterialet är fullständigt mättat, kan ingen ytterligare kväveoxid upptas. Motorstyrningen identifierar denna mättnad enligt följande:

Med en modellstödd metod beräknas mängden lagrad kväveoxid (NO_X). Därvid tas hänsyn till:
- Kväveoxidkatalysatorns temperatur
- Bakomliggande körprofil
- Lagrade värden för kväveoxidkatalysatorns termiska åldrande
Kväveoxidgivaren, som är lagrad efter lagringskatalysatorerna, identifierar kväveoxid i avgasströmmen. Kväveoxidgivaren levererar signalen till motorstyrningen.

Index	Förklaring	Index	Förklaring
1	Kväveoxidkatalysator	2	Lagringsmaterial (barium)
3	Kväveoxidgivare

Om en maximal lagringsmängd för lagringskatalysatorn fastställs, påbörjar motorstyrningen regenereringen av kväveoxiderna. Härtill tillsätts en liten mängd fett till blandningen (Lambda = 0,8). Vid regenereringen konverteras kväveoxiderna i katalysatorn. Efter konverteringen avslutas motordriften med infettning igen. Även härvid utnyttjas en beräkningsmodell och kväveoxidgivaren. Kväveoxidgivaren mäter därvid syrekoncentrationen i avgasen. Ett spänningshopp från ”mager” till ”fet” visar när regenereringen är avslutad.

Anvisningar för service

Allmänna anvisningar

OBS! Bränslehögtryckssystem!

Man får inte arbeta med detta bränslesystem, förrän motorn har svalnat. Kylvätsketemperaturen får inte ligga över 40 °C. Annars föreligger risk för personskador pga ett resttryck i bränslehögtryckssystemet.

Anm. Observera reparationsanvisningen.

Vid arbeten med bränslehögtryckssystemet måste man vara särskilt noga med renligheten. Även minimala föroreningar och skador på högtrycksledningarnas skruvförband kan leda till otäthet.

Diagnosanvisning

Anm. Nödprogram.

Vid orimliga avgasemissionsvärden startas nödprogrammet. Dessutom drivs motorn med homogen blandning.

Det finns 2 nödprogram: Nödprogram med 5 bar insprutningstryck och nödprogram med 100 bar insprutningstryck.

Möjliga orsaker för nödprogrammet med 5 bar:

Orimliga värden för givarna
Tryckbegränsningsventilen defekt
Bränslegenomströmningen för låg

Möjliga orsaker för nödprogrammet med 100 bar:

Bränslegenomströmningen för hög (mängdreglerventilen kärvar)

Anm. Servicefunktionen Justering av spridare.

Om motorstyrenheten eller en spridare byts ut, måste den påtryckta koden för varje spridare i motorstyrenheten tilldelas den rätta cylindern. Genomför servicefunktionen ”Justera spridare” med BMW diagnossystem.

Anm. Servicefunktioner för kväveoxidkatalysator.

Om motorstyrenheten byts ut, så måste åldrande- och försvavlingstillståndet för kväveoxidkatalysatorerna överföras.

Om kväveoxidkatalysatorerna byts ut, så måste åldrande- och försvavlingstillståndet initieras.

Anm. Försvavling av kväveoxidkatalysatorn.

Svavelfri bensin innehåller emellertid minimalt med svavel. Svavlet reducerar lagringskapaciteten i kväveoxidkatalysatorerna. En försvavling av kväveoxidkatalysatorn leder till att motorn endast kan drivas med homogen blandning, eftersom inga kväveoxider kan upptas. Motorstyrningen identifierar kväveoxidkatalysatorns försvavling. För avsvavling uppvärms kväveoxidkatalysatorn till mellan 600 °C och 650 °C och drivs med fet blandning (Lambda = 0,94).

För aktiv uppvärmning av kväveoxidkatalysatorn krävs följande fordonsförhållanden:

Körhastighet högre än 110 km/h under 25 minuter
Tankfyllnadsnivån är högre än 50 %

Vid en felminnesregistrering (NOx-kat försvavlad) kan man via en servicefunktion aktivera en frekventare uppvärmning. Denna frikoppling är aktiv ända tills avsvavlingen av kväveoxidkatalysatorn är korrekt.

Med förbehåll för tryckfel, felaktigheter och tekniska ändringar.