Tout sur le nouveau 4 cylindres 2.0l turbo: le moteur N20.

Eh oui, les plus grands fan de BMW ont pleuré quand ils ont appris la nouvelle: un L4 turbo pour remplacer le L6…pour les moteurs « entrée de gamme »…ouf, notre bon vieux 6 cylindres est toujours vivant!

Alors, ce L4 turbo, qu’est-ce qu’il a dans le ventre? pourquoi BMW se lance dans des moteurs essence turbo? est-il aussi bien qu’un L6? On va voir tout cela de suite!

 

L’histoire…

A ses débuts, notre entreprise Bavaroise préférée fabriquait déjà des 4 cylindres, équipant la plupart de leurs modèles (moteur M10). Parallèlement, début 70′, des 6 cylindres ont vu le jour dans les Neue Klasse (BMW E9) ainsi qu’un turbo dans le 4 cylindres de la 2002 Turbo, 2 moteurs très performants à l’époque.

Dix années plus tard, la Formule 1 connait un gros tournant avec l’emploi du turbo. D’ailleurs, une version modifié du M12 (un M10 revisité) turbo-compressé, a été capable de cracher 1500ch! Ce qui a donné le titre de champion du monde à Nelson Piquet.

Ce concept de L4 atmosphérique, fort de son succès, a été amélioré pour finalement arriver dans une voiture aujourd’hui mythique: la M3 E30 (moteur S14).

Maintenant, pourquoi BMW nous remet un 4 cylindre au goût du jour alors qu’ils sont connus pour leurs 6 cylindres onctueux? Quelques réponses simples:
– répondre aux nouvelles normes anti-pollution
– diminuer la consommation de carburant
– créer un moteur « moderne », voir plus performant que N52 qu’il remplace (puissance, masse)

Pour résumer, ils font comme tout le monde, du downsizing…mais attention, ça envoie du lourd!

Spécificités

Ce N20 est sorti en 2011, dans le Z4 sDrive28i, proposant 245ch et 350Nm de couple. Avec 120ch par litre, cela nous fait un joli moteur!

Ses spécificités sont du typique BMW: VANOS et VALVETRONIC, injection directe, bloc moteur aluminium, turbo unique en mode « TwinScroll« .

Parlons aussi du mode « Eco pro », qui, en le sélectionnant, va modifier les paramètres du véhicule (moteur, changement de vitesse avec une boite auto, climatisation et chauffage des sièges) pour une conduite écologique, pouvant réduire la consommation de 20%.

Specifications BMW TwinPower L4
Moteur
Type 4 cylindres en ligne
Soupapes / cylindre 4
Technologie BMW TwinPower Turbo technology with twin-scroll charging, High Precision Injection direct petrol injection, VALVETRONIC, double-VANOS
Turbo Single Turbo – Twinscroll
Pression du turbo 1.2 bar
Cylindrée 1997
Alésage (mm) 84.0
Course (mm) 90.1
Compression 10.0
Régime max (tr/min) 7000
Type essence min RON 91
Puissance (ch) 245 à 5000tr/min
Couple (Nm) 350 dès 1250tr/min
Performance
Rapport poids puissance (kg/kw) 8.8
Puissance par litre (kw/l) 90.1
0-100 km/h (s) 6.1
0-1000m 26.4
80-120 kmh (4e/5e) 6.0 / 7.1
Consommation (l/100km)
Combiné (l/100km) 7.9
Ville (l/100km) 9.9
Extra-Urbain (l/100km) 6.7
CO2 183

Moins de frictions, plus de puissance! C’est l’heure de la dissection!

Le downsizing nous apporte plusieurs avantages: friction des pièces réduites (moins de piston/cylindre, moins de frottements), réduction de poids et couple élevé disponible dès les bas régimes, mais pas seulement…

 

L’architecture de ce N20 est similaire aux autres moteurs de la compagnie, mais avec quelques différences majeures. Par exemple, il n’utilise plus de traditionnels chapeaux de palier mais un carter-semelle, technique issue du sport automobile qui a pour effet d’augmenter la rigidité et de diminuer les vibrations. La résistance offerte par cette construction permet donc des taux de compression élevés, idéal pour un moteur turbo (elle varie d’ailleurs de 10:1 à 11:1).

 

A la différence de son cousin le 6 cylindres, le bloc moteur est entièrement en aluminium. Les chemises des cylindres ne sont pas insérées dans le bloc, une autre technique est employée: le volume de la chambre de combustion est traité avec une fine couche de métal, appliquée par projection thermique. BMW a en fait « copié » ce malin procédé à AMG, qu’ils utilisaient avec leurs moteurs turbo-compressés. Cette méthode consiste à asperger du métal à haute température sur toute la surface du cylindre. Les avantages sont significatifs: réduction de poids et une amélioration du refroidissement, gage de fiabilité des moteurs turbo soumis à autant de « stress mécanique ».
Le point noir de cette méthode: si un cylindre est rayé, il est impossible d’effectuer un alésage, il faut changer tout le bloc!

La friction des pistons est réduite grâce leur jupe courte et une géométrie modifiée: le centre du vilebrequin (équipé d’ailleurs de seulement 4 contre-poids au lieu de 8 habituellement) et l’axe du piston sont désaxés de 14mm entre eux, ainsi que par rapport au centre du cylindre. Ce choix technique permet de réduire le bruit occasionné par le changement de face des pistons.

D’autres améliorations sont l’utilisation d’une pompe à eau électrique et une pompe à huile à débit variable.

La pompe à eau électrique a été utilisé sur de nombreux moteurs récents et offre de nombreux avantages. Elle permet une circulation de liquide en fonction de l’état du moteur (il chauffe donc plus vite quand il est froid et refroidit mieux quand il est chaud). La pompe à huile, quant à elle, est pilotée par les arbres d’équilibrage, accouplée à une valve qui module la pression en fonction des efforts demandés.

 

Du côté admission, ce nouveau moteur reprend toutes les technologies BMW: double VANOS (de 3e génération, avec l’électrovanne au niveau central, qui réduit le nombre de passages d’huile dans la tête de cylindres) pour un couple monstrueux, VALVETRONIC associé à un boitier papillon qui réduisent l’effet de pompe. Chaque chambre de combustion est transpercée par 2 valves d’admission, 2 valves d’échappement, une bougie et un injecteur vertical à jet direct.

 

La star, quant à elle, est ce ce fameux TwinScroll Turbo. Plutôt que de compter sur une paire de petits (et onéreux) turbo, un unique et légèrement plus gros est mis en place. Afin de réduire la contre-pression et favoriser une rapide montée en régime (plus de couple et de répondant), 2 conduits séparés aspirent à son entrée. L’échappement des cylindres 1 et 4 nourrissent une entrée pendant que les 2 et 3 gavent l’autre. Le collecteur, en fonte, est doublé d’une tôle laissant passer de l’air et ainsi l’isoler au niveau thermique. De l’autre côté, l’air compressée est ensuite refroidit par un intercooler frontal.

Quelques mots sur l’injection: il s’agit ici d’une injection haute pression Bosch (HDEV), qui diffère de l’injection haute précision (HPI). L’électrovanne HDEV, issue d’une technologie récente, avec son nez composé de plusieurs têtes (sprays),  permet une pression de plus de 200 bar et donc une meilleure introduction de l’essence dans la chambre de combustion. La HPI, quant à elle, est un injecteur piezzo électrique qui permet d’injecter le carburant en plusieurs jets (d’ailleurs, cette technique permet de fortement diminuer le bruit des moteurs diesel).

Alors que les technologies employées sur ce N20 offrent plusieurs degrés de performance et d’efficacité, leur combinaison fait naître un moteur très avancé, qui fait passer les anciens 4 cylindres BMW pour des dinosaures. Il est d’ailleurs le meilleur 4 cylindre du marché actuel!

Fonctionnement de ce N20 en vidéo.

En comparaison avec le N52…

Ci-dessous les performances pures du N20 par rapport au N52, pas besoin d’en dire plus (4 cylindres versus 6 cylindres).

Et ci-dessous les perfs de ces 2 moteurs, dans la 528i, on se rend compte qu’elles sont plus ou moins égales.

Les évolutions possibles du N20

Ce que certains tuners proposeraient:
– stage 1: modification de la ligne complète d’échappement et reprogrammation de l’ECU, pour obtenir entre 275-300 ch
– stage 2: modification du turbo pour le faire fonctionner à ses limites (avec l’ajout d’injecteurs plus gourmands). On tâtonnerait alors les 400 ch.
– stage 3: là, se serait un démontage complet du moteur, en ne gardant seulement le bloc moteur avec sa tête, + construction d’une nouvelle ligne d’échappement + nouveau système d’admission + gros turbo pour un boost élevé. Estimation: entre 700 et 1 000 petits poneys…oui, on peut rêver 😉

Un peu de méditation…

Les moteurs BMW sont connus pour être linéaires. Sur ce N20, on garde justement cet atout majeur. Mais alors, pourquoi ne pas avoir carrément configuré ce couple moteur/turbo en fonctionnement « pur turbo » c’est à dire en « kick-ass » vers les 3000tr/min?

J’aurai quelques idées de réponses: rester dans le standard « linéarité »? moteur souple accessible par tout le monde? ne pas changer les habitudes?

Seul BMW pourrait nous répondre…

Pour aller plus loin dans le downsizing du moteur essence.

Un bon donwsizing consiste à:
– un couple présent dès les plus bas régime
– un temps de réponse optimal (réduire le LAG)
– l’optimisation de l’explosion pour les grosses charges d’air/essence afin d’obtenir un haut ratio de compression et une meilleure combustion
– la réduction de l’effet de pompe à l’admission
– avoir la plus petite quantité de surplus d’essence pendant les grosses charges et hautes vitesses (protection de l’échappement)

Quelques éléments techniques pour y arriver:
– injection directe et optimisation de la chambre de combustion
– modification de l’ouverture des soupapes (en temps et en décalage de temps)
– chargement de plus d’air (le turbo)
– refroidissement des gaz d’échappement et recirculation (EGR)

Le mot de Tonton Greg…

En résumé, nous avons plus de puissance, un couple de malade, une réduction de la consommation de carburant et d’émission de gaz, plus de légèreté…mais en pratique, est-il vraiment meilleur? je vous en dis un peu plus lors du test de la nouvelle 328i!

Quelques photos supplémentaires

12 Comments

      • Bonsoir,
        Les pistons en fonte d’acier est le « nec plus ultra » en Diesel actuellement
        Initialisé sur les moteurs de camion (cfr 11 et 13Lt de chez Volvo)
        Cette nouvelle technologie apparaît « enfin » sur le nouvel OM654 qui équipera les Diesel 2Lt sur les berlines Mercedes (d’abord le « E »)
        Oubliez la fonte « poussive », c’est du High Tech !!!
        En fait, un piston Diesel actuel ressemble à un piston de F1 des années ’80.
        Soit mini-jupe, zone de « squish » réduite, périmètre de segmentation réduite, patins latéraux réduits, gros axe de piston, piston décalé par rapport à l’axe du moteur, e.a.
        De l’autre côté, le cylindre non chemisé en Alu + traitement de surface (technique de la fusion laser) Tout cela pour réduire les frottements et améliorer la conso.
        Donc, pour revenir à ma question primitive, est ce que les BMW Diesel 2&3Lt bénéficient-ils de cette même technologie?
        LeZap

        • Je n’ai pas toutes les infos mais en voici qq unes:
          – sur le N47, le bloc-cylindres est en aluminium avec chemises sèches en fonte grise assemblées par thermosoudure et les pistons, en alliage aluminium-silicium, sont à jupe pleine (pourvue d’un revêtement graphité – procédé Graphal)
          – sur le L6 diesel du m550d, les pistons « DuraBowl » sont pré-usinés, puis l’alliage Al-Si de la couronne de leur bol est refondu par un procédé utilisant une forme de soudage à l’arc TIG. Ils sont ensuite soumis à un processus de refroidissement 1000 fois plus rapide qu’après la coulée initiale.
          Bref, chaque nouveau modèle de moteur apporte sa nouveauté 🙂

          • Merci pour la recherche TontonGreg !
            Je pensai BMW plus à l’avant garde en technologie
            Les pistons « pleins » et les chemises sèches en fonte, c’est le néolithique du point de vue mécanique. Mais bon, c’est du « sûr » et bien éprouvé
            LeZap

  • bonjour comparer un 6 cylindres et et un quatre cylindres et une aberation car sinon on met un turbo sur le 6 avec les meme modifie du 4 cylindre le bon vieux 6 cylindre revu c est plus une voiture c un missile et le 4 cynlindres hytech passe pour un solex lol

  • Bonjour
    Sympa l’article
    Savez vous si les 428I ( ou 328I) remplacées maintenant par les 430i ( ou 330i) utilisent le même moteur ?
    Je sais qu’il y a de petites différence de couple et de puissance mais est ce le même bloc?
    Je suis un peu perdu dans les info glanées sur Internet entre le N20 et le B48 .

    • Bonjour,
      Le B48 ressemble au N20 mais il a quand même changé pour répondre à la nouvelle architecture BMW avec leur fameux « cylindre parfait » décliné en blocs 3, 4 et 6 cylindres.
      Le B48 est légèrement plus puissant mais a surtout plus de couple, c’est le commencement de la fin des hauts régimes 😉

      • Merci et bonne année

        Donc en fait je suppose que je recevrai le B48 ( arrivée de ma 430I en mars) mais comme me l’ont prédit un bon nombre de personnes , je risque de regretter l’onctuosité et le son de mon L6 actuel (325I touring) .. mais bon 10 ans de bons et loyaux services il faut penser à changer
        je gagnerai en couple :-))

  • Bonjour,

    Les 6 cylindres BMW sont réputés pour leurs fiabilités et longévités + 300000km
    quand n’est il du 4 cylindres

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