Active Grill Shutter design criteria

Abstract

El objetivo principal del Proyecto “EfficientDynamics” del Grupo BMW es reducir el consumo de energía. Se centra en el desarrollo de motores híbridos y eléctricos y en la mejora de los actuales motores de combustión, así como en la reducción de la masa de los vehículos y la mejora de la aerodinámica. El Active Grill Shutter es un mecanismo cuya finalidad es reducir la resistencia aerodinámica, sin empeorar las características del coche. El objetivo de este Proyecto de Fin de Carrera es realizar un análisis profundo de este dispositivo y de las diferentes variables que rigen su comportamiento, principalmente seguridad, funcionalidad y diseño y que afectan directamente al consumo y las emisiones. Éstas se estudian para conocer cómo contribuye individualmente cada una al sistema para a continuación valorar cómo influye la variación de una de ellas sobre el resto. Para concluir el trabajo, se busca la combinación preferible de esas variables y, con ello, la integración óptima del mecanismo en el coche. El Active Grill Shutter está situado en las tomas de aire frontales, en el frontal del coche, por lo que la seguridad es una de las variables más importantes a considerar. Está dividida en dos categorías: protección de peatones y colisiones a baja velocidad. Es fundamental que el sistema en caso de atropello ofrezca la mayor seguridad posible a los viandantes, así como una correcta disipación de la energía en casos de choque durante maniobras por debajo de quince kilómetros por hora. En cualquiera de los casos, las tecnologías de asistencia a la conducción, están reduciendo en el desarrollo del dispositivo la dependencia de estos requisitos de seguridad. La funcionalidad es también uno de los pilares a tener en cuenta, ya que sin ella se perdería el significado de invertir en esta tecnología. El Active Grill Shutter debe principalmente cumplir el compromiso entre la disminución de la resistencia al aire y refrigeración. Aporta una gran mejora aerodinámica, reduciendo el consumo de combustible y con ello las emisiones. Al mismo tiempo debe de ser capaz de dejar pasar las corrientes de aire que refrigeran adecuadamente el motor y los componentes que lo precisen, evitando que los mismos se sobrecalienten o averíen. Un mecanismo que elevase el consumo o hiciese funcionar al vehículo fuera de su temperatura de rendimiento óptima no sería aceptable. Una de las características que diferencia los vehículos del grupo BMW es su diseño y estilo propio. Es por eso que esta variable es muy importante, principalmente las tolerancias y la estética del mecanismo, que deben cumplir con el criterio de diseño de la compañía. Las variables de estudio deben ser valoradas dependiendo del tipo de vehículo, ya que afectan de manera distinta según las propias características del mismo. Así mismo, por la posición del Active Grill Shutter, cumplir las tolerancias establecidas por el departamento de diseño supone un gran reto. Además de estas tres características base, se han de observar temas como el ruido o el actuador que acciona el mecanismo. Un diseño aero-acústicamente adecuado mejora notablemente la experiencia de conducción y un planteamiento adecuado de la cinemática de los flaps que regulan la entrada de aire puede hacer el sistema más eficiente. Todos estos análisis y las conclusiones obtenidas se proponen como base para el diseño de futuros Active Grill Shutter.

The EfficientDynamics project aims to lower the energy consumption. This project is making a huge effort in developing hybrid and e-motors and optimizing the existing ones, as well as on the lightweight concept simultaneously to improving the aerodynamic. The Active Grill Shutter is a mechanism which objective is to improve aerodynamics without risking other characteristics of the vehicle. The main goal of this Master Thesis is to make a deep analysis on this system and the different variables that rule its behavior, mainly security, functionality and design that overall help to lower this consumption and emissions rate. A research on each of these variables is made in order to know exactly how each one affects the system by itself. Then, a further analysis of how the variation of each variable affects the other ones is made to find the relationship between them. Having analyzed all the possible combinations of these variables, the last step consists on finding both the optimal combination of these variables and finally the optimal integration of the resulting Active Grill Shutter system in the car. The Active Grill Shutter system is placed in the front of the car and that is the main reason why security becomes such a huge variable for this analysis. In fact, this security issue can be divided into two different categories: pedestrian protection and low speed crash risk. The development of the system must ensure the security of pedestrians that could eventually be run over as well as a correct energy dissipation process at low speed crashing. However, new technologies like the autonomous driving are slowly helping to reduce the dependence on security requirements for the Active Grill Shutter system’s design and development. On the other hand, the device must show a strong functionality, otherwise it won’t make sense to design and develop a system that does not fulfill its main purpose in the first place. Thus the Active Grill Shutter system has to deal with aerodynamics as well as with refrigeration. The mechanism or more specifically its aerodynamic plays a really important role in making the fuel consumption and for instance emissions lower and also in letting the properly amount of fresh air flow into the car to refrigerate the different components that otherwise can end up overheating. It is not an option to have an Active Grill Shutter system that either raises costs due to higher fuel consumption or lets the motor working out of its ideal temperature. The design is also an important variable of the Active Grill Shutter system and principally the aesthetics and the tolerance requirements. It is well known that BMW has its own and unique style and the mechanism has to deal with it in order to meet a final design that fits into the company’s aesthetic criteria. The car model has to be also taken into account because every variable can have a different impact depending on the type of car that has to be deal with. Furthermore, the department of design has to make sure that the tolerance requirements are fulfilled. The desired position of the Active Grill Shutter system in the car front generates a lot of tolerance issues that have to be taken care of. However, the variables described above are not the only ones that should be taken into account for the system’s design and development. Further analysis should take a deeper look into other issues like noise or the actuator. A proper design of the Active Grill Shutter system’s aeroacoustics can lead to a lower noise rate and consequently to a more comfortable driving experience. Also the active grill system’s actuator is an interesting issue to deepen. A better design of the inlet flaps could reduce the mechanical demand on the whole system, lowering consumption rate and making the system more efficient. All these analysis and the conclusions obtained are proposed for further projects of Active Grill Shutter systems.