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1. Moteur BMW N54

1.1. Introduction

Aujourd'hui, le plaisir de conduire ne se résume pas juste à avoir le plus de puissance possible, mais aussi de rouler avec un moteur disposant d’un rendement maximum. En effet, le plaisir est d’autant plus grand si on dispose d’une dynamique moteur généreuse tout en gardant une consommation de carburant raisonnable. Avec le prix et la raréfaction de l’énergie fossile  ainsi que les problèmes de pollution que nous connaissons actuellement, il serait irresponsable et inconscient de ne pas s’en soucier.

La société BMW pense à ces problèmes et adapte donc ses produits aux conditions actuelles. Avec le nouveau moteur N54, BMW a visé à améliorer les performances par rapport aux anciennes générations de moteurs tout en assurant une meilleure rentabilité et propreté de fonctionnement.

Le  moteur N54 à six cylindres en lignes avait pour objectifs, lors de son développement, d'offrir :

-  une dynamique élevée.

-  une forte réduction des émissions polluantes.

-  une consommation de carburant raisonnable.

Pour parvenir à leurs objectifs les ingénieurs BMW ont innové toute une série de nouvelles technologies telles que :

- le système d’injection direct à jet dirigé (HPI).

- le système de refroidissement spécifique.

- le système de suralimentation bi-turbo.

1.2. Caractéristiques techniques du moteur N54

Le moteur N54 est basé sur les moteurs N52 et N53. La désignation commerciale de ce moteur est 3.5i. Ce moteur de 306 chevaux et de 400 Nm équipe la version la plus puissante (Z4 3.5i) des nouvelles BMW Z4 E89. Les autres BMW Z4 (2.3i et 3.0i) sont motorisées par le bloc N52. Le N54 est le seul moteur des nouvelles BMW Z4  ne disposant pas du système Valvetronic* II. Il est cependant équipé d’un système de calage variable de la distribution Vanos*. 

*Remarque : ces systèmes sont expliqués dans la suite du dossier.

1.3. Courbe de couple et de puissance

Remarque : les courbes pleines sont celles de la Z4 3.5i et celles en pointillé représentent les caractéristiques de la BMW Z4 3.0i.

L’une des particularités de ce moteur est qu’un important couple (400Nm) est disponible sur une très large zone d’utilisation (1300 à 5000 tr/min) (lorsque j’ai roulé avec la Z4 3.5i j’ai été agréablement surpris par cette « poussée » qui n’en fini pas, c’est unique et phénoménal).

1.4. Système d’alimentation et d’injection de carburant

Le nouveau système d’alimentation et d’injection a été décisif pour l’augmentation de puissance, la baisse des émissions polluantes ou encore la baisse de consommation. En effet, l'injection de haute précision a permis d’offrir  un dosage plus précis du mélange et une compression plus élevée que sur un moteur suralimenté avec injection dans le collecteur d’admission.   

Le système d’injection utilise des injecteurs piézo-électriques qui sont implantés au milieu de la chambre de combustion entre les soupapes. Grâce à cette position, les injecteurs piézo-électriques s'ouvrant vers l'extérieur permettent de répartir le carburant de manière uniforme sous la forme d'un jet conique dans les chambres de combustion. 

Ce nouveau type de système d’injection directe appelé « High Precision Injection » (HPI) travaille selon le principe du jet dirigé. Lors de l'injection directe, le carburant est injecté sous haute pression (entre 50 et 200 bar) directement dans la chambre de combustion.

Composition générale du système d’alimentation et d’injection de carburant.

Légende

Le carburant qui se trouve dans le réservoir est pompé par la pompe à essence basse pression (pompe d’alimentation). Cette pompe électrique basse pression refoule l’essence vers la pompe haute pression (sous une pression de 5 bars) via la conduite d'alimentation (5). Un capteur basse pression (6) surveille la pression d’alimentation générée par la pompe d’alimentation. Le carburant est refoulé par la pompe à essence basse pression en fonction des besoins.

(Remarque : Si le capteur basse pression (6) est défectueux, la pompe d’alimentation continue de fonctionner avec une puissance de refoulement de 100 %.) Ensuite le carburant arrive dans la pompe haute à trois pistons (8) où il est mis sous pression. Lorsque le carburant est passé par la pompe haute pression il est acheminé vers la rampe (3) en passant par la conduite de haute pression (9). Le carburant sous pression est stocké dans la rampe pour être distribué aux injecteurs piézo-électriques (2) par l'intermédiaire des conduites haute pression (1). La valeur de pression du carburant est mesurée grâce au capteur haute pression (4) et transmise au boîtier électronique de gestion moteur (DME). Le DME  régule, via la vanne de commande du débit (7),  la pression de carburant nécessaire en fonction de la charge et du régime. 

La régulation se fait suite à une comparaison entre la valeur de consigne (cartographie dans le programmée dans le DME) et la valeur réelle de la pression dans la rampe.

La cartographie d’injection programmée dans le DME travail selon trois informations :

- la charge du moteur 

- le régime du moteur

- la pression d’injection

Composition de la pompe haute pression à trois pistons

Légende

La pompe à essence d’alimentation refoule le carburant avec une pression de 5 bars vers l'arrivée (6) de la pompe haute pression. De là, le carburant est amené dans la chambre de carburant (14) via la vanne de commande du débit (4) et le clapet anti- retour basse pression (2). Là, le carburant est mis sous pression, puis il est refoulé vers le raccord haute pression (7) par l'intermédiaire du clapet anti- retour haute pression (9). 

La pompe haute pression est reliée à la pompe à vide par l'intermédiaire de sa bride d'entraînement (11). La pompe à vide est quant à elle entrainée par la chaîne de distribution ce qui signifie que dès que le moteur tourne, les trois pistons de pression (12) sont entraînés par le disque oscillant (10) et effectuent en permanence des mouvements d'aller - retour. Du carburant est ainsi mis sous pression tant que la vanne de commande de débit (4) permet d'alimenter la pompe haute pression. La vanne de commande de débit est commandée grâce au DME via le raccordement au boîtier électronique de gestion moteur (3). La régulation de la pression s'effectue par l'intermédiaire de la vanne de commande du débit qui ouvre ou ferme le canal d'arrivée du carburant selon les besoins. 

La pression maximale dans la partie haute pression est limitée à 245 bars. Lorsque la pression dépasse les 245 bars, la vanne de limitation de la pression (n°9 sur le schéma ci-dessous) décharge le circuit haute pression via les raccords (8 et 5) dans la partie basse pression. Les modifications de volume provoquées par des modifications de température sont compensées par le compensateur thermique (1) qui est relié au remplissage d'huile de la pompe.

Représentation schématique du circuit d’alimentation et d’injection HPI

Légende

Le Boîtier électronique de gestion moteur (DME) commande (à l’aide d’un signal rectangulaire) la vanne de commande du débit qui régule la pression du carburant dans la rampe.

La position de la vanne de commande varie en fonction du signal de commande et règle ainsi le débit de carburant nécessaire.

Remarques : Si le système d’injection est défectueux ou présente une anomalie, la vanne de commande du débit n'est plus alimentée et le carburant arrive dans la rampe par via un bypass.

De plus, lorsque le mode de secours de l'injection HPI est actif, la suralimentation par les turbocompresseurs est désactivée par l'ouverture des clapets de décharge.

Les causes de l'activation du mode de secours de l'injection HPI sont les suivantes :

- valeurs impossibles du capteur haute pression.

- défaillance de la vanne de commande du débit.

- manque d'étanchéité du système haute pression.

- défaillance de la pompe haute pression.

- défaillance du capteur haute pression.

L’injecteur piézo-électrique

L'injecteur piézo-électrique est un des constituants  qui a été le plus décisif dans toutes les innovations du moteur BMW N54. En effet cette technologie d’injection a largement contribué à la réussite des objectifs fixés avant le développement du moteur.

Ce type d’injecteur, positionné au centre de la chambre de combustion, permet de garantir un cône de carburant injecté stable, même sous l'influence de la pression et de la température qui règnent dans la chambre de combustion. Dès lors, il est  possible d’injecter de l’essence directement dans la chambre de combustion à des pressions d'injection qui avoisinent les 200 bars et cela grâce à une ouverture extrêmement rapide de l'aiguille.  De part sa disposition, on injecte le carburant dans le cylindre sans devoir se soucier de la durée d'ouverture des soupapes.

Constitution d’un injecteur piézo-électrique

Légende

L’injecteur piézo-électrique est constitué de trois parties. Lorsque l'élément piézo-électrique  est alimenté, il se dilate et pousse l'aiguille de l'injecteur en dehors de son siège vers l'extérieur (dans la chambre de combustion). L’injecteur comprend également un compensateur thermique qui permet d’offrir des courses d'aiguille identiques quelle que soit la  température de fonctionnement.

Commande des injecteurs

La masse de carburant nécessaire aux conditions de roulage est déterminée par le DME (cartographie d’injection) qui influence les paramètres suivants:

- pression dans la rampe.

- durée d'ouverture de l'injecteur.

- course d'ouverture de l'injecteur.

La durée d'ouverture est fonction de la longueur du signal, la course d'ouverture est quant à elle fonction de la taille du signal émis par le DME.

Fonctionnement de l’élément piézo-électrique

Légende

L’élément piézo-électrique se compose d’une  sorte de céramique et a la particularité de se dilater lorsqu’il est mis sous tension. Cet élément permet donc de convertir l’énergie électrique en énergie mécanique. La déformation de l’élément piézo-électrique est proportionnel à la tension à laquelle il est soumis, plus la tension est importante plus la déformation de l’élément le sera aussi.

1.5. Système d’admission et d’échappement

La Z4 3.5i est la seule Z4 qui dispose d’un moteur suralimenté par un bi-turbo (moteur N54). Grâce au système de suralimentation la Z4 3.5i a une puissance spécifique de 102 chevaux/litre et un couple maximum de 400 Nm sur une plage de régime allant de 1300 à 5000 tr/min.

Les  turbocompresseurs travaillent indépendamment l’un de l’autre avec à chaque fois un banc de 3 cylindres. 

Composition générale du système d’admission et d’échappement

Légende

L’air frais entre dans le circuit par l’intermédiaire du filtre à air (10), il est ensuite aspiré par les turbocompresseurs (23, 24) via les conduites d'aspiration de l'air de suralimentation (6, 18).

Lorsque l’air frais arrive dans les turbocompresseurs, il se fait comprimé par le compresseur. Lors de la compression, l’air de suralimentation devient très chaud ce qui n’est pas favorable au bon remplissage des cylindres. L’air passe donc par un intercooler (16) où il est refroidit.

Ensuite, après être passé dans l’intercooler, l’air comprimé et refroidit peut enfin remplir les cylindres en passant par le collecteur d’admission via le papillon (12).

La suralimentation

Le turbocompresseur se situe sur le collecteur d’échappement et est constitué de deux parties principales, il y a la turbine et le compresseur. Ces deux parties sont liées l’une à l’autre par un axe, dès lors, si la turbine tourne le compresseur tourne également.

Le principe de fonctionnement de la suralimentation est assez simple. Voici comment cela se déroule :

Les gaz d’échappement passent par la turbine, l’énergie présente dans les gaz d’échappement (chaleur et pression) permet d’entraîner la turbine.

Comme la turbine est solidaire du compresseur, le compresseur est aussi entraîné. L’air frais arrive par le filtre à air dans le compresseur pour être comprimé. On arrive donc à introduire plus d’air (on améliore le remplissage) dans le cylindre, ce qui permet d'injecter et de brûler une plus grande quantité de carburant. Comme on dispose de plus d’énergie, cela entraîne une augmentation de la puissance et du couple du moteur.

Une fois que le mélange air/essence est brûlé (gaz d’échappement), les gaz sont  évacués  par la soupape d’échappement jusqu'à la turbine et ainsi de suite.

Pour information, la vitesse de rotation du turbocompresseur peut atteindre 200 000 tr/min et la température des gaz d'échappement à l'entrée de la turbine peut atteindre 1050 °C. Les turbocompresseurs sont refroidis par huile et par liquide de refroidissement. Le système de suralimentation utilise deux petits turbocompresseurs qui ont l’avantage, par rapport à un seul « gros » turbocompresseur, d'accélérer plus rapidement. En effet grâce au moment d'inertie réduit (masse moins importante de la turbine), le compresseur fournit plus rapidement une pression de suralimentation. Cela se traduit par un temps de réponse à l’accélération nettement amélioré par rapport aux anciens turbocompresseurs. 

C’est assez impressionnant, lorsque j’ai essayé la voiture, j’ai été stupéfait par la réactivité du moteur lors de chaque petite sollicitation de la pédale d’accélérateur (le couple est directement présent), il n’y a pas de « trou » à l’accélération comme avec les autres voitures munies de turbocompresseurs.

Régulation de la pression de suralimentation

La pression de suralimentation des turbocompresseurs varie en fonction du flux des gaz d'échappement qui parvient à la turbine du turbocompresseur.

La vitesse aussi bien que la masse du flux des gaz d'échappement dépendent, eux, directement du régime et de la charge du moteur.

La gestion électronique du moteur DME régule la pression de suralimentation en fonction des informations suivantes :

- température de l’air d’aspiration.

- régime moteur.

- position du papillon.

- pression ambiante.

- pression dans le collecteur d’admission.

- pression avant le papillon.

Le DME (1)  régule la pression de suralimentation, en agissant sur la position des clapets de décharge (19, 21). 

Voici comment cela se déroule exactement : le DME commande les convertisseurs de pression électropneumatiques (EPDW) (3) qui à leur tour commandent les actionneurs à dépression (la dépression produite  par la pompe à vide permet d’alimenter les actionneurs à dépression) (20, 22). Et enfin, les actionneurs à dépression commandent la position des clapets de décharge.

Les clapets de décharge permettent de diriger entièrement ou en partie le flux des gaz d'échappement sur la turbine. Lorsque la pression de suralimentation a atteint la valeur souhaitée, le clapet de décharge commence à s'ouvrir et dévie de ce fait une partie du flux des gaz d'échappement à côté de la turbine (directement vers le pot d’échappement). Cela empêche toute nouvelle augmentation de la vitesse de rotation du compresseur par la turbine.

Lors du  ralenti, les clapets de décharge des deux turbocompresseurs sont fermés. La conséquence directe est que l'ensemble du flux des gaz d'échappement est immédiatement disponible pour accélérer le compresseur. Dès qu’on accélère, le compresseur fournit la pression de suralimentation nécessaire sans retard sensible.

Dans une situation de pleine charge, la pression de suralimentation est maintenue à un niveau élevé constant par une ouverture partielle du clapet de décharge une fois le couple maximal autorisé atteint. Le compresseur ne peut ainsi pas tourner à une vitesse plus élevée que la situation de marche ne l'exige. Avec l'ouverture des clapets de décharge, l'énergie nécessaire à l'entraînement de la turbine diminue de manière à ce qu'aucune augmentation de la pression de suralimentation n'ait lieu, au détriment de la consommation de carburant.

A pleine charge, les turbocompresseurs du moteur N54 compriment l’air à 0,8 bar au dessus de la pression atmosphérique.

Refroidissement de l’air de suralimentation

L’intercooler contribue aussi bien à l’augmentation de la puissance qu'à la réduction de  la consommation de carburant. L'air de suralimentation chauffé par la compression et par la chaleur des pièces du turbocompresseur est refroidi jusqu'à 80 °C par l’intercooler.

De ce fait, la densité de l'air de suralimentation augmente, ce qui entraîne un meilleur remplissage des cylindres et donc un meilleur rendement général.

Gestion de la charge d’admission

La gestion de la charge du moteur N54 s'effectue par l'intermédiaire du papillon et des clapets de décharge. Le papillon représente dans ce cas l'organe de réglage primaire. La commande des clapets de décharge entraîne un réglage plus précis de la pression de suralimentation. A pleine charge, le papillon est complètement ouvert et la gestion de la charge est reprise par les clapets de décharge.

Sur le graphique de la gestion de la charge, on peut voir que les clapets de décharge sont commandés par la cartographie intégrée à la gestion de la charge dans toutes les situations de marche du moteur N54.

Légende

1.6. Système de refroidissement

Avec une puissance spécifique de 75,5kW/litre, BMW a été contraint de développer un système de refroidissement performant qui permet d’évacuer la chaleur du moteur en toute sécurité.

Le système de refroidissement de la BMW Z4 3.5i est constitué de deux circuits de refroidissement : il y a premièrement le circuit de refroidissement par liquide de refroidissement et deuxièmement le circuit de refroidissement par huile. Ces deux circuits sont bien séparés afin d'éviter tout transfert de chaleur dans la zone du liquide de refroidissement du moteur par l'intermédiaire de l'huile moteur.

Légende

Le circuit de refroidissement par liquide de refroidissement

Le circuit de refroidissement par liquide de refroidissement est régulé par trois pièces maîtresses. Il s’agit de:

- un ventilateur électrique (15)

- une pompe à liquide de refroidissement (7)

- un thermostat à cartographie (6)

Ces trois pièces maîtresses sont entièrement commandées par le DME en fonction de la charge ou d’autres paramètres moteurs, ou même par des paramètres extérieurs au moteur.

Le circuit de refroidissement d’huile moteur

Il est constitué d’un radiateur d’huile puissant, d’un thermostat d’huile (qui se trouve au niveau du filtre à huile) et d’une pompe permettant de faire circuler l’huile dans le circuit de refroidissement d’huile moteur. Lorsque le moteur est froid, le thermostat court-circuite l'aller et le retour du radiateur d'huile. Cela permet une montée en température plus rapide du moteur.

La pompe à liquide de refroidissement électrique

Le rôle de cette pompe est de faire circuler le liquide refroidissement dans tout le circuit de refroidissement. C’est une pompe électrique (donc indépendante du régime moteur) centrifuge d’une puissance de 400W qui permet un débit maximal de 9000l/h.

Légende

La puissance du moteur électrique immergé est commandée par le module électronique (3) intégré à la pompe. Ce même module électronique est commandé par les informations du DME (par multiplexage). Le boîtier électronique de gestion moteur (DME) détermine la puissance de refroidissement nécessaire à partir des informations suivantes :

- la charge du moteur

- le type d'utilisation 

- les valeurs des sondes de température

Sur base de ces informations, le DME donne une consigne à la pompe à liquide de refroidissement électrique. A partir de cette consigne, la pompe à liquide de refroidissement détermine elle-même sa vitesse de rotation grâce au module électronique. 

Pour information, le moteur (2) de la pompe à liquide de refroidissement est traversé par le liquide de refroidissement du système. Cela permet de le refroidir ainsi que de refroidir le module électronique. Les paliers de la pompe à liquide de refroidissement électrique sont lubrifiés grâce au liquide de refroidissement.

Les avantages qu’offre une pompe à liquide de refroidissement électrique sont nombreux par rapport à une pompe mécanique classique entraînée par la distribution (régime de rotation de La pompe = régime moteur).

Voici les avantages qu’offre la pompe à liquide de refroidissement électrique :

Baisse de consommation:

- Montée en température plus rapide du moteur (froid) par l'absence de circulation du liquide de refroidissement. Lors du temps de chauffe du moteur, la pompe est à l’arrêt.

-Taux de compression plus élevé grâce à une puissance de refroidissement à pleine charge plus grande que sur un moteur sans gestion thermique de ce type.

- Réduction des frottements.

Baisse des émissions polluantes :

- Montée en température plus rapide du moteur (froid) par l'absence de circulation du liquide de refroidissement. Lors du temps de chauffe du moteur la pompe est à l’arrêt.

- Réduction des frottements.

- Réduction de la consommation de carburant.

Augmentation de la puissance :

- Refroidissement des composants indépendamment du régime (meilleur remplissage).

- Puissance de pompe à liquide de refroidissement adaptée aux besoins.

- Réduction des frottements.

Amélioration du confort :

- Circulation du liquide de refroidissement optimale (puissance de chauffage améliorée selon les besoins).

Augmentation de la fiabilité :

- Poursuite du fonctionnement de la pompe à liquide de refroidissement électrique lorsqu’on arrête le moteur = meilleure évacuation de la chaleur du moteur et des turbocompresseurs après l'arrêt à chaud.

- Montée en température plus rapide du moteur (froid) par l'absence de circulation du liquide de refroidissement.

Gestion du circuit de refroidissement

La gestion du circuit de refroidissement est gérée selon quatre cartographies correspondantes à quatre plages de températures distinctes.

Le boîtier électronique de gestion moteur DME commande la pompe à liquide de refroidissement en fonction des besoins, à savoir :

- la puissance est réduite lorsque le besoin de refroidissement est faible et que la température extérieure est basse.

- la puissance est élevée lorsque le besoin de refroidissement est important et que la température extérieure est élevée.

Selon les circonstances, la pompe à liquide de refroidissement peut être complètement arrêtée  (afin de chauffer plus rapidement le liquide de refroidissement lors de la phase de montée en température).

Le DME possède un système de gestion thermique  permettant de prendre en considération l'évolution de la température de la culasse en fonction de la charge. Cette gestion thermique permet, à partir du pilotage du thermostat cartographique, de se baser sur différentes cartographies pour la commande de la pompe à liquide de refroidissement. 

Il est possible de commander quatre plages de températures distinctes en fonction de la situation de fonctionnement du moteur :

- 108 °C mode économique

- 104 °C mode normal

- 95°C mode élevé

- 90°C mode élevé + thermostat à cartographie

Lors du mode économique, la régulation essaie d'atteindre une température de culasse plus élevée (108 °C). Dans cette plage de températures, la consommation en carburant du moteur est relativement faible, car les frottements internes sont réduits.

Lorsque le DME détecte le mode élevé, c’est qu’il constate que le conducteur cherche la puissance ou plus particulièrement le couple. Le système de régulation thermique essaie alors d'atteindre les 90 °C. A cette température, on obtient  un meilleur remplissage et donc une augmentation de couple moteur. 

La consommation et la puissance peuvent ainsi être influencées juste par l'intermédiaire du système de refroidissement.