artikel

Complexe techniek BMW Quadturbo B57 Super-diesel

Techniek 9881

We zitten in het tijdperk van downsizing en turbo’s. Minder motorinhoud en verbruik, maar niet minder prestaties. Twee turbo’s is al niet bijzonder meer. Drie telt wel als uitzonderlijk, vier zitten er aan het nieuwe BMW B57 Super-dieselaggregaat voor de 7 Serie. Kun je de belasting op een motor zomaar blijven opvoeren?

Complexe techniek BMW Quadturbo B57 Super-diesel
Enorme ‘gasfabriek’ naast de vierturbo motor, met een wirwar aan leidingen. De deksels op de motor zorgen voor geluiddemping en warmte-isolatie.

De diesel mag momenteel, om het treffend te verwoorden, in een kwade reuk staan, afschaffen gaan we hem nog lang niet. Al zeker niet in trucks, waarvan grotere exemplaren zich slecht lenen voor hybride of geheel elektrische voortstuwing. Maar ook voor personenauto’s zeggen motorontwikkelaars dat zonder diesel de volgende stap in CO2-beperking (95 g/km) die de EU wenst, nauwelijks haalbaar zal zijn.

Met diesel haalt een BMW 750d gemiddeld 1:17 en maar 150 g/km CO2 in de NEDC-cyclus. Bij 294 kW vermogen, 760 Nm koppel, een begrenzer bij 250 km/h en een 0-100 sprint in 4,6 seconden. Dat is dan de nieuwe versie met vier turbo’s, vanaf deze zomer leverbaar. 11 procent zuiniger en nog iets sterker dan de vorige generatie 750d met drie turbo’s. Is het zo simpel, turbootje erbij en tel uit je winst? Verre van dat, leert de technische productinformatie van BMW. We duiken in alles wat daarbij komt kijken.

De turbokant van de motor is een onoverzienbaar netwerk van buizen, meet- en regelleidingen.
1 Verschildruksensor (dieselroetfilter)
2 Laadlucht-koelmiddel-warmtewisselaar
3 Hogedruktrap 1 (variabele turbinegeometrie)
4 Lagedruk-uitlaatgasrecirculatieklep
5 Verschildruksensor (lagedruk-uitlaatgasrecirculatie)
6 Variabele turbinegeometrieregelaar hogedruktrap
7 Uitlaatgastemperatuursensor na lagedruk-EGR-koeler
8 Huis omloop lagedruktrappen
9 Laaddruksensor tussen hoge- en lagedruktrappen
10 Gefilterde-lucht pijp
11 Laadlucht-koelmiddel-tussenwarmtewisselaar
12 Lagedruktrap 2
13 Koelvloeistofretour (koeling compressorhuis lagedruktrap)
14 Koelvloeistofvoorloop (koeling compressorhuis lagedruktrap)
15 Uitlaatgastemperatuursensor vóór katalysator
16 Breedband‐lambdasonde vóór katalysator)
17 Uitlaatgastemperatuursensor vóór dieselroetfilter
18 Inlaatluchttemperatuursensor bij compressoringang
hogedruktrap 2
19 Katalysator bij de motor
20 Lagedruk-uitlaatgasrecirculatiekoeler
21 Vacuümdoos regelklep turbo
22 Hogedruktrap 2 (variabele turbinegeometrie)

Turbo samenwerking

Het inzetten van twee turbo’s is niet zo ingewikkeld: een kleintje dat snel aanspreekt bij lage motorlast, een grote erachter die meer druk en hoog vermogen oplevert. Zo doet ook BMW dat bij zijn 3.0 zescilinder dieseltype B57D30T0, onder andere in de 740d. Goed voor 235 kW op twee turbo’s, tegen 195 kW op ééntje (730d). Bij de introductie van sportieve MPerformance modellen in 2012 wilde BMW ook een diesel opnemen, die natuurlijk meer moest kunnen. Daartoe werd de N57D30S1 voorzien van een derde turbo, en dat wordt al ingewikkelder.

De kortweg als N57 Super aangeduide diesel trok 280 kW tevoorschijn uit de 3.0 zescilinder. Maar dat vereiste wel een reeks aanpassingen en versterkingen in de motor. Veel daarvan wordt nu overgedragen naar de B57 Super met vier turbo’s. Gebaseerd op de vernieuwde 3.0 diesel die na de N57 Super verscheen, met onder meer een nieuw type elektronica en hogere inspuitdruk.

In een vereenvoudigd werkschema ziet het er zo uit:
A Hogedruktrap 1
B Hogedruktrap 2
C Lagedruktrap 1
D Lagedruktrap 2
1 Bypassklep lagedruktrap
2 Intercooler
3 Compressor inschakelklep hogedruktrap 2
4 Inlaatluchtkoeler
5 Regelklep turbo hogedruktrap 2
6 Variabele turbinegeometrieregelaar hogedruktrap 1
7 Variabele turbinegeometrieregelaar hogedruktrap 2
8 Wastegateklep lagedruktrap 1

De kunst is het natuurlijk om de kleine lagedrukturbo en grote hogedrukturbo perfect soepel te laten samenwerken, voor een naadloos oplopende druk en volume aan inlaatlucht. Voor de nodige controle op de turbodruk hebben in de dubbelturbo-opstelling beide turbo’s variabele geometrie, verstelbare schoepen in het turbinehuis (VNT). Bij de N57 Super is de lagedrukturbo geen VNT-type meer, de twee hogedrukturbo’s wel. De B57 Super tot slot heeft twee lagedrukturbo’s zonder VNT, en twee hogedruk VNT-turbo’s.

Regeling met kleppen en schoepen

Maar daarmee kom je er nog niet met drie turbo’s. BMW regelde het bij de N57 Super zo dat eerst een van de grote VNT-turbo’s uitlaatgas krijgt toegevoerd. Vanaf 1.500 t/min wordt de kleine turbo in serie bijgeschakeld. Boven 3.500 t/min gaat de tweede grote VNT-turbo meedoen, parallel aan de eerste grote turbo. De grote turbo’s verhogen nog eens de druk die de kleine turbo maximaal levert, van 1,65 naar 2,9 bar overdruk.

De vier bedrijfsbereiken die BMW hanteert, met verloop van de gemiddelde cilinderdruk. In bereik A worden de lagedruktrappen kort omlopen bij forse acceleratie. Vanaf bereik C schakelt de tweede hogedruktrap in.

Elektronisch geregelde kleppen moeten zorgen dat uitlaatgas bij de juiste turbo’s komt. Daarna gaat het bij de N57 Super naar een lucht-vloeistof tussenkoeler, en dan de motor in. Wat is de gedachte achter deze drietrapsraket? Met name dat de hogedrukturbo in twee niet al te grote delen wordt gesplitst. Een daarvan reageert vlot genoeg bij lage last. Een kleine turbo springt bij om genoeg druk op te bouwen bij oplopende last. Tot slot zorgt de tweede hogedrukturbo voor voldoende volume aan druklucht bij hoge last.

Hoe gaat dat dan bij vier turbo’s? Tot 1.800 t/min werken de twee lagedrukturbo’s en één van de hogedrukturbo’s. Maar er is een omloopklep aan de compressorzijde van de lagedruktrappen. Die gaat even open tijdens forse acceleratie. De (nu directe) aanzuiging van de eerste hogedruktrap verbetert, de lagedruktrappen comprimeren niet, maar de hogedruktrap reageert sneller. Zodra die goed druk begint te leveren, gaat de omloop dicht en werken de lagedruktrappen weer mee.

Tot 2.800 t/min gaat geleidelijk de schoepenverstelling van de eerste hogedruktrap werken. Boven dat toerental opent een klep in de uitlaat en gaat de tweede hogedruktrap meedraaien, de eerste hogedruktrap zit aan zijn maximum capaciteit. Tot 4.000 t/min worden ook de schoepen van de tweede VNT-hogedruktrap geregeld, en daarmee de turbodruk. Boven 4.000 t/min staan de schoepen van beide hogedruktrappen helemaal open, nu treedt een wastegate op de lagedruktrappen in werking. Zo worden de lagedruktrappen geregeld, en dus ook de druk uit de hogedruktrappen.

Dubbele tussenkoeling en EGR

De maximale laaddruk van zowel hoge- als lagedruktrappen ligt nog wat hoger dan bij de N57 Super, op 1,75 en 3,05 bar bij de nieuwe B57 Super. Bij zulke compressie in de Super-motoren moet de tussenkoeling opgewaardeerd worden. Daarvoor was de N57 al overgeschakeld op compacter en effectiever lucht-vloeistofkoeling, in plaats van lucht-lucht bij de dubbelturbo diesel. Of het nog niet ingewikkeld genoeg is; de B57 Super heeft een kleine koeler naast de lagedruktrappen, een grote na de hogedruktrappen ligt op de motor.

De twee lucht-vloeistof inlaatluchtkoelers hebben hun eigen lagetemperatuur koelcircuit met 4,1 liter koelvloeistof. Dat staat niet in verbinding met het motorkoelcircuit en heeft dus een eigen elektrische pomp, expansietankje en radiateur.
1 Laadlucht-koelmiddel-warmtewisselaar
2 Elektrische koelvloeistofpomp
3 Koelvloeistoftemperatuursensor
4 Lagetemperatuur-expansiereservoir
5 Radiateur, lagetemperatuurkoelcircuit
6 Laadlucht-koelmiddel-tussenwarmtewisselaar

Hierbij is sprake van een lagetemperatuur vloeistofkoeling, gescheiden van de motorkoeling, met een eigen radiateur. Een elektrische pomp verzorgt deze circulatie, die ook nog de compressorzijde van de lagedruktrappen koelt. Zelfs de EGR werd verdubbeld, zowel lage- als hogedrukrecirculatie om nog beter over het hele lastbereik van de motor NOx te bestrijden. Voor de duidelijkheid: uitlaatgas gaat eerst door de hogedruktrappen, dan door de lagedruktrappen, en verder door de katalysator. Voor de hogedruktrappen zit de (gekoelde) hogedruk EGR-aansluiting en achterop de katalysator de lagedruk aansluiting. Die laatste heeft een eigen vloeistofkoelertje tegen de katalysator.

Alleen het inlaatspruitstuk met EGR-toevoer vóór (hogedruk) en na (lagedruk) de hele turbo-installatie is al geen simpel ding. Dankzij die lagedruk-EGR kan ook bij hogere motorbelasting uitlaatgas worden teruggevoerd, zodat ook dan de uitstoot van NOx wordt gereduceerd.
1 Huis bypass lagedruktrappen
2 Slang tussen lagedruk-uitlaatgasrecirculatieklep en huis bypass
lagedruktrap
3 Lagedruk-uitlaatgasrecirculatieklep
4 Slang tussen lagedruk-EGR-koeler en lagedruk-EGR-klep
5 Lagedruk-EGR-koeler
6 Koelmiddelaansluitingen lagedruk-EGR-koeler
7 Inlaatspruitstuk
8 Elektrische gasklep met standterugmelding
9 Uitlaatgastemperatuursensor na hogedruk-uitlaatgasrecirculatie
10 Hogedruk-uitlaatgasrecirculatie

BMW houdt wel van dubbel werk. De katalysator aan de lagedruktrappen bevat een roetfilter en een NOx-opslagkatalysator. Verderop in de uitlaat volgt nog een SCR-katalysator om NOx op te ruimen. De digitale dieselelektronica (DDE) heeft het er maar druk mee: kleppen, schoepen en wastegate van de vier turbo’s regelen, de elektrische koelpomp regelen, EGR en SCR regelen, en dan natuurlijk nog de dieselinjectie. Daarin is de maximale druk verhoogd naar 2.500 bar. Dat betreft dan de nieuwe 3.0 diesels, de oudere N57 Super deed het met 2.200 bar.

HIP gieten en trekankers

Om gewicht te sparen, maakt BMW zowel motorblok als kop van de zescilinder diesel uit aluminium, met opgespoten looplaag in de cilinders. Bij zeer hoge motorbelasting wordt de sterkte van het aluminium echter wel kritisch. De verbrandingsdruk loopt op tot 210 bar in de B57 Super.

Daarom wordt in de Super-motoren het aluminium extra verdicht. Bij het gieten ontstaan altijd minuscule gietblaasjes, die plaatselijk de sterkte benadelen. Kop en blok worden geHIPt om die blaasjes weg te krijgen, HIP staat voor Heet Isostatisch Persen. De nog onbewerkte gietdelen worden tot 500 °C verwarmd, om het aluminium weer wat zacht te maken. Er komt een constante druk van 1.000 bar op, die eventuele gietblaasjes dicht perst.

Daarnaast is al in de N57 Super een speciale koppakking niet genoeg om te garanderen dat de cilinderkop op het motorblok blijft afsluiten. De kop moet heel stevig worden vastgehouden, maar aluminium is te zwak om dat met ingeschroefde bouten te realiseren. Daar moeten trekankers aan te pas komen, die hoofdlagerkappen en cilinderkop verbinden. In het motorblok worden voor deze verbinding trekankers gekrompen, waarin aan de ene kant de bouten van de hoofdlagerkappen en aan de andere kant cilinderkopbouten worden geschroefd.

De trekankers zien eruit als schijfjes, met een schroefdraadgat erdoor. De enorme cilinderdruk tegen de kop, en de andere kant op via de zuigers tegen de krukaslagers, werkt nu aan twee kanten op de trekankers en niet op het aluminium motorblok. Het motorblok is anders niet bestand tegen de hoge trekbelasting van de bouten die veroorzaakt wordt door de verbranding.

Zowel de N57 als de B57 Super-motor hebben een aluminium motorblok, dat niet bestand is
tegen zeer hoge trekbelastingen. Daarom past BMW trekankerbouten toe. Die zijn niet direct aan het motorblok bevestigd, maar aan trekankers. De trekankers zijn met een krimppassing bij – 170 °C tot – 200 °C in het blok geperst. Afsluitpluggen sluiten de boringen naar buiten toe af. BMW merkt op dat die afsluitpluggen niet los hoeven, daarom niet los mogen en dus niet als
reserveonderdeel geleverd worden.
A Afsluitplug trekanker achter primaire thermostaat (riemzijde)
B Trekanker op motorblok achter (versnellingsbakzijde)
C Afsluitdeksel
D Trekankerbout

Smering en vacuüm op elektromotor

Zoals altijd bij turboproblemen naar voren komt, dringt BMW erop aan vooral te controleren of de olieleidingen naar de glijlagers van de turbo’s niet verstopt zijn. Vloeistofkoeling van de compressorhuizen bij de lagedruktrappen moet voorkomen dat verbrande smering zou leiden tot kool in de olieleidingen. En er zijn nogal wat olieleidingen. De hogedruktrappen worden gesmeerd vanuit de cilinderkop, de lagedruktrappen vanuit het motorcarter.

De turbo’s hebben gezamenlijke toe- en afvoerbuizen, je kunt ze dus alleen per paar vervangen. De smering loopt van de ene naar de andere turbo in elk paar. Grote kans dus bij verstopte leidingen dat sowieso beide turbo’s in een paar stuklopen. De reparatiekosten zullen zelfs welgestelden even wit doen wegtrekken. En het wordt almaar ingewikkelder: bij hoge motorlast wordt zuigerkoeling door oliesproeiers ingeschakeld. Kort en goed: het smeersysteem werkt op een elektrische pomp met kenveldsturing om de oliestroom te regelen.

Erg belangrijk is daarnaast de vacuümvoorziening, die heel veel regelkleppen moet bedienen. Onder meer in het turbosysteem, alleen de VNT-verstelling werkt elektrisch. Ook het vacuüm wordt door een elektrische pomp geleverd. Omdat er zoveel vacuümslangen zijn, doet BMW daar een kleurcode op, die helpt je ze op de juiste uitgang aan te sluiten. Maar vervangende slangen zijn niet gecodeerd, daar moet je zelf de passende kleur op zetten.

Schema van het complete in- en uitlaatsysteem, waarin duidelijk blijkt hoeveel sensors en regelkleppen eraan te pas komen:
1 Regeleenheid digitale dieselelektronica
2 Stelmechanisme wervelklep
3 Laaddruksensor
4 Hogedruk-uitlaatgasrecirculatiekoeler
5 Gasklep
6 Laadluchttemperatuursensor
7 Uitlaatgastemperatuursensor na hogedruk-
EGR- koeler
8 Laadlucht-koelmiddel-warmtewisselaar
9 Bypassklep hogedruk-uitlaatgasrecirculatie
10 Hogedruk-uitlaatgasrecirculatieklep
11 Uitlaatgasdruksensor vóór uitlaatgasturbo
12 Regelklep turbo
13 Compressor inschakelklep hogedruktrap 2
14 Inlaatluchttemperatuursensor compressoringang hogedruktrap 2
15 Hogedruktrap 2
16 Hogedruktrap 1
17 Bypassklep lagedruktrap
18 Laaddruksensor tussen hoge- en lagedruktrap
19 Uitlaatgastemperatuursensor na lagedruk-EGR
20 Luchtfilterhuis
21 Hittefilm-luchtmassameter
22 Lagedruk-uitlaatgasrecirculatieklep
23 Laadlucht-koelmiddel-tussenwarmtewisselaar
24 Wastegateklep
25 Lagedruktrap 1
26 Lagedruktrap 2
27 Verschildruksensor lagedruk-uitlaatgasrecirculatie
28 Uitlaatgastemperatuursensor vóór katalysator
29 Verschildruksensor dieselroetfilter
30 Breedband‐lambdasonde vóór katalysator
31 Lagedruk-uitlaatgasrecirculatiekoeler
32 Uitlaatgastemperatuursensor vóór dieselroetfilter
33 Breedband‐lambdasonde na dieselroetfilter
34 Stikstofoxidesensor vóór SCR-katalysator
35 SCR-doseermodule
36 SCR-menger
37 Uitlaatgastemperatuursensor vóór SCR-katalysator
38 SCR-katalysator
39 Stikstofoxidesensor na SCR-katalysator
40 Uitlaatgasstuwklep
41 Uitlaatdemper

Zuiger en zuigerveren onder druk

De maximale verbrandingsdruk in de B57 Super-motor is 210 bar, tegen 200 bar voor de N57. Om de enorme thermische en mechanische belasting te kunnen weerstaan, kregen de zuigers een aantal bijzondere kenmerken. Let op de C-groef. Wat is de functie van die groef op de zuiger?
1 Zuigermantel
2 Zuigerringzone
3 Zuigerdrukring (topland)
4 Trogrand
5 Verbrandingskom
6 Ringdrager
7 1e zuigerveer (rechthoekige veer)
8 C-groef
9 2e zuigerveer
10 3e zuigerveer (dakfaseslangveerring)
11 Zuigerpengat met bronzen bus
12 Olieafvoer Omdat zuigerveren nooit 100 procent afsluiten, komen er altijd kleine hoeveelheden blow-by-gassen in het motorblok. Maar blow-by houdt ook blow-by-gas tegen, het drukt de compressiezuigerveren sterker tegen de cilinderwand. De hoeveelheid blow-by die voor aandrukkracht op de tweede zuigerveer kan zorgen, is afhankelijk van het smoorvenster van de bovenste zuigerveer (bepaald door slotspeling X en halve zuigerspeling Y) . Door de neerwaartse beweging van de zuiger daalt de verbrandingsdruk in de loop van de arbeidsslag. Omdat de verbrandingsdruk in de B57 Super-motor zo hoog is, zou bij een normale slotspeling op de 2e zuigerveer de zuigerveertussendruk (tussen 1e en 2e zuigerveer) tijdens de arbeidsslag snel dalen. Zo snel dat de 2e zuigerveer zijn aandrukkracht verliest. Daardoor neemt de hoeveelheid blow-by-gas in het motorblok sterk toe. Dat is zeer ongewenst. Om het probleem op te lossen, koos BMW voor een minimale slotspeling op de 2e compressieveer. Die kleinere slotspeling creëert wel weer een nieuw probleem: tijdens de arbeidsslag is nu onder bepaalde bedrijfsomstandigheden de zuigerveertussendruk hoger dan de verbrandingsdruk. Het gevolg: blow-by-gas stroomt terug naar de verbrandingskamer. Die reverse blow-by verhoogt het olieverbruik en is dus ook ongewenst. Vandaar de groef in de zuiger tussen beide compressieveren. Die C-groef vergroot het volume tussen beide compressieveren. Dat extra volume voorkomt dat de zuigerveertussendruk hoger oploopt dan de verbrandingsdruk, en lost daarmee het probleem van de reverse blow-by op. 


Natuurlijk steekt niet elke hoogbelaste downsizemotor zo ingewikkeld in elkaar als deze BMW Super-diesel. Maar het geeft aan dat hoge motorlast de constructeur een boel hoofdbrekens oplevert, die speciale maatregelen eisen. Wie als autotechnicus in dat doolhof een storing op wil lossen, moet daarop bedacht zijn.

Reageer op dit artikel

Gerelateerde tags

Lees voordat u gaat reageren de spelregels