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.