BUGATTI VEYRON W16 Sabir Sabir, Abdoelhamid Via Khay, Saúl Motores Alternativos Curso 2019/20 Índice 1. Introduction 3 2. Historia del motor W 3 3. Tipo de motor 6 4. Datos técnicos 8 5. Sistema de distribución variable 10 6. Sobrealimentación 15 7. Sistema de lubricación 19 8. Evolución del motor 21 9. Comparación con otros motores 25 10.Bibliografía 32 2 1. Introduction A la hora de escoger un motor a estudiar, barajábamos varias opciones, entre ellas el estudio un motor clásico de aviación empleado en la segunda guerra mundial o el de un motor con una disposición exótica de cilindros. Ambos enfoques nos gustaban dado que en el primero se están tratando motores de gran relevancia histórica, y cuyas innovaciones marcaron un hito en la ingeniería de la época, mientras que el segundo implicaba indagar en máquinas singulares las cuales se salen del groso de motores que son ampliamente conocidos y usados hoy en día. Así, finalmente, escogimos este último enfoque por que buscábamos un motor extravagante, pero que a la vez sea contemporáneo. La primera idea que nos surgió fue el motor del Bugatti Chiron, último modelo lanzado al mercado por la firma. Este motor cumplía con nuestros criterios, dado que se trata de un motor de 16 cilindros en disposición W, además de ser contemporáneo y extravagante. Sin embargo, no encontramos suficiente información, así que decidimos escoger el primer modelo en W desarrollado por Bugatti desde que la empresa fuera absorbida por el Grupo Volkswagen. Se trata del icónico Bugatti Veyron, el cual fue confeccionado, según palabras del propio CEO de la empresa, con el ambicioso propósito de llevar al mercado un coche capaz de sobrepasar los 1.000 CV de potencia máxima y la marca de 400 Km/h de velocidad punta. Con ello, mediante este trabajo hemos buscado entender por qué marcó tanto la diferencia en esa época, indagando de este modo en aquellos desarrollos tecnológicos y retos que los ingenieros han tenido que afrontar con el fin de alcanzar el ambicioso objetivo de ser el coche de venta al público más rápido del mundo. Finalmente, cabe destacar que la búsqueda de información técnica acerca de este motor nos ha supuesto un gran reto debido a la poca información disponible. 2. Historia del motor W Las disposiciones más habituales que los fabricantes emplean en sus motores de producción hoy en día son dos principalmente, los motores en línea y en V. Sin embargo, ello no implica que aún algunos fabricantes se aventuren en emplear otras configuraciones más exóticas, como en este caso, la que presentan los motores en W. 3 Mientras que los lineales son literalmente disposición en línea, y los V son dos filas diagonales de cilindros, los motores en W no son más que una configuración que simula la de dos bloques motor en forma de V colocados uno junto al otro. Este tipo de motor nació a principios del siglo XX a manos de una empresa aeronáutica llamada Allison, la cual los empezó a equipar en sus aeronaves. Sin embargo, estos vehículos cada vez requerían de mayor potencia específica, razón por la que progresivamente se empezó a optar por motores de configuración radial, y en posteriores décadas por motores de reacción. Esto relegó los motores W a aplicaciones de índole industrial, y automoción, destacando en este último al fabricante alemán Volkswagen. Estos adoptaron esta configuración con el fin de poder competir con sus homólogos europeos en el sector ‘Premium’ del mercado, persiguiendo con esto aumentar su prestigio como fabricante de automóviles de renombre. Así, inicialmente la empresa comenzó por el desarrollo de los motores VR, los cuales consisten en la disposición de seis cilindros en un ángulo más estrecho del habitual, figura 2.b. La elección de seis cilindros reside en que, ya sea con configuración en V o en línea, las fuerzas que se desarrollan en este motor están más equilibradas que las que tendría un motor de cuatro cilindros. Sin embargo, por razones de gestión del espacio, la mayoría de pequeños coches emplean la opción de menor cilindrada, pues no es tarea sencilla encajar seis cilindros, y especialmente si están en línea. De esta forma, en 1991, se lanzó al mercado la primera generación de motores VR6, los cuales, tenían una longitud no muy superior a la de un motor de cuatro cilindros en línea. Otra de las características de esta peculiar configuración es la asimetría en la disposición de los cilindros, lo cual da lugar a una disposición espacial asimétrica de los conductos de admisión y evacuación de gases a la encontrada en motores simétricos como los V6. Mientras que, en estos motores, la admisión tiene lugar en el centro de la V y el escape a ambos lados, en un motor VR6 la entrada de aire se encuentra situada en un flanco, y el escape en el otro, de ahí la asimetría. La principal consecuencia de esto es el claro ahorro en espacio que se obtiene, pues los colectores de escape requieren de espacio deshabitado en sus proximidades debido a que las altas temperaturas que se alcanzan en ellos pueden dañar a los componentes de alrededor. De este modo, concentrar todos los conductos de escape reduce espacio en comparación con un diseño simétrico propio de los motores en V. 4 Otra de las ventajas que proporciona los VR frente a la configuración en V es el peso, pues gracias al pequeño ángulo entre bancadas de los VR, se ha podido fusionar ambas culatas en una. Y, por otra parte, como consecuencia del empleo de una sola culata, únicamente se emplea dos árboles de levas para los seis cilindros, en lugar de las dos culatas y cuatro árboles de levas empleados en los V. Sin embargo, el paso de motores de dos a cuatro válvulas supuso un grave problema para los VR, pues precisamente por el hecho de tener una sola culata, no había mucho espacio disponible para los árboles de levas. Este contratiempo llevo a que Volkswagen tardara más de ocho años en desarrollar su motor VR6 de cuatro válvulas. En una primera instancia, este problema fue solventado por el fabricante nipón Honda con el empleo de un solo árbol de levas, el cual controlaba las cuatro válvulas. Sin embargo, esta solución implicaba numerosas desventajas. En primer lugar, la posición ideal de las levas es justo encima de la válvula que controla, pues de otro modo, el movimiento de las levas puede generar un momento lateral que implica pérdidas de potencia, así como pérdidas de fricción, y la inevitable bajada de revoluciones. Y en segundo lugar y más importante, el empleo de un único árbol de levas imposibilita el empleo de una distribución variable, esto es, adelantar o retrasar la apertura de estas, lo cual encarece el rendimiento del motor. Así, Volkswagen desecho esta idea, y opto por otra solución más ingeniosa. Esta se fundamentaba en el empleo de un árbol de levas para todas las válvulas de admisión y otro para las de escape, tal y como se puede observar en la figura 1. Figura 1: Sistema de distribución de Volkswagen para motores VR Esto es posible gracias a la configuración asimétrica anteriormente mencionada, pues esta permite que las válvulas de escape de ambas bancadas estén a una distancia accesible por un árbol de levas común. Además, tam5 bién se solventa el problema de la instalación de sistemas de distribución variables, mediante el cual ajustar el ‘’timing” de apertura de las válvulas. Una vez confeccionado el motor VR, la evolución natural de Volkswagen fue desarrollar el motor W, pues este no era en principio más que la combinación de dos motores VR. Y con ello, salió al mercado el primer motor de producción en línea de configuración en W. Estamos hablando del W8 del Volkswagen Passat W8 de 2001. Este motor sentó las bases de los futuros motores W de mayor cilindrada como el W12 y el W16 del Bugatti Veyron 3. Tipo de motor El motor W16 de Bugatti se trata de un motor de encendido provocado (MEP) de cuatro tiempo con inyección de gasolina directamente en el cilindro. La refrigeración del motor se realiza exclusivamente por agua. Dispone de 16 cilindros de 500 cm3 cada uno. Los cilindros disponen de 4 válvulas cada uno, dos para la admisión y dos para el escape, para un total de 64 válvulas en total. El motor dispone de un sistema de distribución variable que controla el adelanto o retraso de la apertura de las válvulas de admisión y escape. El motor esta sobrealimentado, en concreto, esta compuesto de cuatro turbocompresores en paralelo. Cada colector de admisión esta alimentado por dos turbocompresores, que introducen el aire al cilindro pasando previamente por un intercooler con el objetivo de bajar la temperatura de los gases de admisión. La disposición del motor es en W, ver figura 2.c, siendo esta configuración la fusión entre una disposición en V, ver figura 2.a, y en VR, ver figura 2.b. En concreto, Los dos bloques VR8 tienen un ángulo de 15o entre las dos filas de cilindros, y estan unidos entre ellos formando un ángulo de 90o . El concepto de los motores en W parte del objetivo de diseñar un motor lo más compacto posible, ya que al disponer de 16 cilindros, el tamaño del motor se vería incrementado con cualquier otra disposición, como se puede ver en la figura 3, donde se compara el cigueñal de un motor en V y en W. 6 a) Motor en V b) Motor VR c) Motor W Figura 2: Conceptos de motor Figura 3: Comparación de tamaño del cigueñal de un motor de 8 cilindros en disposición V y W 7 4. Datos técnicos En la tabla 1, se pueden encontrar diferentes parámetros geométricos del motor W16, del que destacan la relación carrera diámetro, donde se puede observar que nos encontramos con un mootor cuadrado, donde se tiene un buen compromiso entre las pérdidas de calor, el espacio para las válvulas y el régimen de giro máximo al que se podrá hacer girar el motor. La cilindrada unitaria es 500 cm3 , sin embargo, hay que recordar que es un motor sobrealimentado, y la relación de compresión volumétrica es de 8,3, limitada por el autoencendido de la gasolina en el cilindro. Lo más destacable son las dimensiones del propio motor, donde debido a la disposición en W y el uso de sobrealimentación, el motor no alcanza el metro de largo o ancho. Parámetros geométricos Longitud x Anchura x Altura 710 Diámetro del pistón D Carrera del pistón S Relación carrera/diametro S/D Sección del pistón Ap Volumen desplazado Vd Volumen desplazado total Vt Volumen cámara de combustión Vc Relación de compresión volumétrica r x 767 x 532 86 86 1 5808,8 499,56 7993 68,43 8,3 mm mm mm mm cm3 cm3 cm3 - Cuadro 1: Parametros geométricos del W16 En la tabla 2 se pueden encontrar el valor de la velocidad media del pistón máxima, cuyo valor se corresponde con lo esperado para MEP. Tamnién se consiguió obtener el gasto de aire y combustible a máxima potencia. Parámetros de funcionamiento Velocidad media del pistón máxima cm 18,06 Gasto combustible (max. Potencia) mf 0,0925 Gasto de aire (max. Potencia) ma 1,35 m/s kg/s kg/s Cuadro 2: Parametros de funcionamiento del W16 En la tabla 3 se recogen los datos de potencia y par máximo del motor, cuya distribución con respecto al régimen de giro y con máximo grado de carga se visualiza en la figura 4, a demás de la presión media efectiva máxima proporcionada por el motor, que se corresponde con el valor esperado para MEP de cuatro tiempos sobrealimentado modernos, sin embargo, y como se verá en el apartadao de comparación es un valor relativamente alto para la época en la que se diseñó el motor. El comportamiento con el régimen 8 de giro de la presión media efectiva se muestra en la figura 5. También se ha cálculado el consumo específico y el rendimiento efectivo para máxima potencia. En cuanto al consumo específico, se puede observar que el valor obtenido es bastante alto, razón por la cual a este régimen el motor consume todo su depósito en tan sólo 12 minutos. El rendimiento efectivo en este caso, y como es obvio, es bastante bajo debido a la gran cantidad de pérdidas mecánicas que se producen cuando el régimen de giro es tan alto. Parámetros efectivos Potencia efectiva máxima (6000 rpm) Ne Par efectivo máximo (2200-5500 rpm) Me Presión media efectiva máxima (3000 rpm) pme Consumo específico (max. Potencia) gef Rendimiento efectivo (max. Potencia) ηe 736 1250 20,02 452,45 18,94 % Cuadro 3: Parametros efectivos del W16 Figura 4: Curva par/potencia 9 kW Nm bar g/kWh - Figura 5: presión media efectiva con respecto al régimen de giro En cuanto a los materiales usados en el motor, destaca el uso de titanio en algunos elementos como las bielas, algunos componentes del sistema de escape, incluso en los rotores del compresor y la turbina del turbogrupo, donde al reducir la masa de los mismos, se consiguió bajar su inercia y con ello reducir los efectos del lag del turbocompresor. También se usa aluminio para el bloque motor y la culata y diversas piezas como los pistones. En general, se puede observar que los materiales usados tienen el objetivo de disminuir al máximo el peso del motor, obteniendose un peso final de 490 kg. El ensamblaje del motor se realiza al completo de forma artesanal por un grupo de 8 especialistas en una planta de producción de Volkswagen situada en Salzgitter, Alemania. 5. Sistema de distribución variable La instalación de un sistema de distribución variable radica en adaptar el funcionamiento del motor a las condiciones de grado de carga y régimen exigido para cada momento. En el caso del motor W16, el sistema de distribución variable consiste en un mecanismo electro-hidráulico, que decala el ángulo de giro de las levas con respecto al del cigüeñal, sin embargo, no presenta un sistema que modifique el levantamiento de las válvulas. 10 Funcionamiento del mecanismo En la figura 6, se puede observar las distintas partes que componen el mecanismo de la distribución variable para el motor W8, las partes más importantes son los variadores celulares de aletas y las electroválvulas, denominadas N205 y N318 en la figura 6, el funcionamiento de estas partes se desarrollará a continuación. Figura 6: Mecanismo de distribución variable del motor W8 El funcionamiento del sistema básicamente consiste en dos rotores, el rotor exterior gira solidario con el cigüeñal y el rotor interior gira solidario al eje del árbol de levas. Como se puede ver en la Figura 7, y debido a la forma de los rotores, existe un cierto ángulo relativo de giro entre estos dos componentes. Este ángulo de giro depende de la geometría de los rotores, para el caso de los motores W8 y W12, este ángulo máximo es de 52 para admisión y 22 para escape, ambos referidos al ángulo del cigüeñal. 11 Figura 7: Rotor interior y exterior del sistema de distribución variable del motor W8 Para fijar la posición del rotor exterior con respecto a la del rotor interior, se inundan y vacían las cavidades adyacentes con aceite. En el caso de los motores W8 y W12 el aceite utilizado corresponde al propio aceite de lubricación del motor, sin embargo, al utilizarse otro tipo de sistema de lubricación para el W16 (cárter seco), no se puede asegurar que no se use un sistema hidráulico secundario. Para el llenado y vaciado de las cavidades el rotor interior dispone de conductos por donde introducir o extraer el aceite. Para controlar la cantidad de aceite que pasa a cada cavidad, se hace uso de una electroválvula capaz de abrir o cerrar las dos cavidades en función de la posición a la que se desea decalar el rotor interior. 12 Figura 8: Funcionamiento del sistema hidráulico Diagramas de distribución estándar 1. Ralentí Se retrasa el cierre de la admisión y se adelanta el cierre del escape, por lo que no existe cruce de válvulas, ver figura 10.a. Con esta configuración se consigue una marcha al ralentí más estable debido al bajo contenido de gases residuales en los cilindros después de la combustión. Se admite menos cantidad de aire al cilindro, por lo que la cantidad de combustible inyectado también disminuye y la potencia obtenida se reduce a la vez que se limita el consumo de combustible. 2. Potencia Se adelanta la apertura de la admisión y se retrasa el cierre de escape, ver figura 10.b. Se obtiene un cruce de válvulas nulo. Se consigue más potencia ya que, al abrir más tarde el escape, se aprovecha la totalidad de la expansión provocada por la combustión. El cierre de la admisión se realiza tarde para aprovechar la inercia de los gases de escape y conseguir llenar más el cilindro de aire renovado, es decir, aumentar la densidad del aire dentro de los cilindros. 13 3. Par Se adelanta la apertura de la admisión y se retrasa el cierre del escape, ver figura 10.c. Se consigue el efecto de cruce de válvulas que ayuda a renovar la carga en el cilindro, suponiendo siempre que la presión en la culata de admisión es siempre mayor que en el cilindro y en la culata de escape durante el cruce de válvulas. Esto se realiza con el objetivo de conseguir un alto grado de llenado en los cilindros, consiguiéndose mayor presión media efectiva y por consiguiente mayor par. En la figura 9, se puede observar el beneficio del avance de la apertura de admisión con el incremento del régimen de giro, ya que le damos más tiempo al sistema para realizar la renovación de carga. Figura 9: Relación del trabajo neto en función del avance de la apertura de admisión y el régimen de giro 4. Recirculación de gases interna (EGR) Se adelanta lo máximo posible la apertura de la admisión y se retrasa el cierre de los gases de escape, ver figura 10.d. Se obtiene un cruce de válvulas grande y se consigue que parte de los gases de escape se cuelen por la admisión, para ser reintroducidos al cilindro en la próxima apertura de la admisión, consiguiéndose bajar las temperaturas de combustión y por consiguiente bajando la producción de los compuestos contaminantes NOx. 14 a) Ralentí b) Potencia c) Par d) EGR Figura 10: Diagramas de distribución para diferentes condiciones de funcionamiento del motor 6. Sobrealimentación El motor del Bugatti Veyron cuenta con 4 turbocompresores que alimentan de aire comprimido a los 16 cilindros que dispone el motor. El objetivo de la instalación de los turbocompresores es aumentar la densidad del aire en el cilindro a través de un aumento de la presión del fluido, que se consigue gracias a un compresor. Esto permite aumentar la masa de aire que entra al cilindro y, por consiguiente, aumentar la potencia para la misma cilindrada. Sin embargo, en el W16, el objetivo primordial de la instalación de los turbocompresores era la reducción del tamaño que se consigue manteniendo la misma potencia efectiva (downsizing). 15 El objetivo por el que se instalaron 4 turbocompresores fue el de reducir el efecto de lag del turbocompresor. Este efecto se caracteriza por un retraso en la aceleración del compresor cuando se le demanda un cambio brusco de carga, ya que el compresor esta arrastrado por la turbina accionada por los propios gases de escape del motor, por lo tanto, si por la turbina no pasa el suficiente gasto másico, este no podrá ganar velocidad de giro lo suficientemente rápido. En Bugatti se dieron cuenta de que la instalación de 4 turbocompresores solucionaba en gran medida este problema en comparación con un concepto de motor biturbo, ya que los turbocompresores podrían ser más pequeños y, por lo tanto, su inercia mecanica sería menor, lo que conllevaría mayor torque durante toda la fase de aceleración. En la figura 11, se puede observar el efecto comentado con datos experimentales, pero para el caso de un motor monoturbo y uno biturbo. Figura 11: Comparación del trasitorio de carga de un motor con doble etapa de sobrealimentación frente al mismo motor con una sola etapa La instalación de los cuatro turbocompresores se realiza de forma paralela, siendo alimentada cada culata por dos turbocompresores. Antes de entrar en el colector de admisión, se hace pasar el aire comprimido por un intercooler con el objetivo de reducir la temperatura de los gases y aumentar aun más la densidad del mismo. Todo el sistema se puede visualizar en la figura 12, donde se representa el aire de admisión en color azul y los gases de escape en color rojo. Se puede observar como el aire entra a través de dos turbocompresores que comprimen el aire hasta desembocar ambos conductos en uno de los itercooler. Una vez producido el ciclo termodinámico dentro de los cilindros, los gases de escape salen del cilindro con una alta energía y se hacen pasar por una turbina que será la encargada de mover el compresor. El mismo proceso se lleva a cabo para los otros dos turbocompresores que alimentarán a su correspondiente colector de admisión. 16 Figura 12: Se ha calculado la relación de compresión de los turbogrupos para el régimen de máxima potencia del motor. Para el cálculo de la relación de compresión se debió de asumir ciertas hipótesis debido a la falta de datos en la bibliografía. Las hipótesis asumidas se muestran a continuación: ηv = 100 % Pérdidas de carga en el intercooler despreciables A través de la ecuación 1, se consigue calcular la densidad de refencia en el colector de admisión. pme = ηe · ηv · Fe · Fr · ρref (1) Una vez obtenida la densidad de referencia se pueden ir planteando ecuaciónes para el cálculo de la relación de compresión. Estas ecuaciones seguirán la nomenclatura de la figura 13. 17 Figura 13: Diagrama h-s de la evolución del fluido en el compresor del turbogrupo En primer lugar, se puede plantear la ecuación de los gases ideales. ρ2 = pf R · T2 (2) Se define un rendimiento del compresor en función de las temperaturas estáticas, ya que no son conocidas las velocidades de entrada y salida de la turbomáquina. T20 − T1 ηc = (3) T2s − T1 Se plantea la ecuación del proceso isentrópico. T2s = T1 · ( p1 1−γ ) γ p2 (4) Debido a que se fuerza al aire a pasar por un intercooler antes de llegar al colector de admisión, hay que tener en cuenta la disminución de la temperatura producida. T2 = ∆T ( %) · T20 (5) Llegados a este punto, se obtiene un sistema de ecuaciones de 4 ecuaciones y 8 incógnitas, por lo que necesariamente se deben realizar una serie de hipótesis adicionales. 18 Las condiciones de entrada al compresor son atmosféricas. Se asume un rango del rendimiento del compresor [80 %-85 %]. Se asume un rango del porcentaje de disminución de temperatura en el colector [85 %-90 %]. Asumiendo estas hipótesis, y realizando un proceso iterativo, se llega a la conclusión de que los turbocompresores tienen una relación de compresor a máxima potencia del motor de: rc = [2, 8 − 3]. 7. Sistema de lubricación Como ocurre con la mayoría de los vehículos de altas prestaciones y competición, el Bugatti Veyron es un coche que confía en un sistema de cárter seco para su sistema de lubricación. Mientras que la mayoría de los utilitarios de carretera emplean un sistema de mixto que combina lubricación a presión aplicando barboteo e inyección de aceite en algunos puntos del motor, los deportivos de altas prestaciones no pueden depender de este sistema debido a las elevadas fuerzas laterales y de aceleración deceleración que experimentan y que propician un desnivel de aceite en el tanque. Esto tiene como consecuencia un aumento de las pérdidas de fricción, así como una ralentización del cigüeñal que encarece en gran el rendimiento del motor. En un sistema de cárter seco, el aceite precipita a la base del motor, desde donde es conducido a un pequeño sumidero. Este posee uno ó más bombas de barrido que empujan el aceite a un tanque externo, lugar en el que el aceite es refrigerado y desgasificado antes de ser recirculado por una bomba de presión de vuelta al motor. Los diseños de cárter seco habitualmente montan la bomba de barrido y la de presión a un cigüeñal común de forma que una única polea pueda gestionar ambos sistemas. Por otra parte, es común el empleo de una bomba de barrido por cada bancada que tenga el motor. Sin embargo, no son las únicas que posee el sistema, pues para asegurar que todo el aceite ha sido extraído del cárter, son necesarias varias etapas de bombas de barrido. El propósito principal de sistema de cárter seco es mantener todo el aceite que no se esté empleando en un depósito separado. Esto ofrece numerosas ventajas, como el aumento de la fiabilidad del motor debido al suministro a presión e ininterrumpido de aceite, el aumento del volumen de aceite disponible, lo cual permite una mayor disipación de calor. Por otro lado, el hecho de tener un depósito externo, se puede modificar el centro de gravedad del vehículo colocándolo lejos del motor, así como la posibilidad de incluir sistemas de refrigeración entre las bombas de barrido y el propio depósito. 19 Añadiendo a ello, la facilidad en el mantenimiento, pues estos sistemas son más accesibles. Otra de las ventajas es la mejora de la eficiencia del bombeo en la extracción del aceite, pues al encontrarse las bombas en el punto más bajo del motor, el lubricante fluye a la entrada de estas por fuerza de gravedad mientras que, en los convencionales, se aspira el aceita hasta llegar a la bomba. Además, como la bomba de presión normalmente se coloca a un nivel inferior al del tanque, siempre se tiene un gradiente de presiones a favor de la succión. Finalmente, una de las ventajas más importantes es el aumento de la potencia del motor debido a la reducción de las pérdidas por viscosidad y por fricción del aire que sufre el cigüeñal en relación con el sistema de lubricación mixta. Esto es debido a que en estos últimos durante cada revolución se produce una pérdida de potencia como consecuencia de la resistencia del aire y del aceite presentes alrededor del cigüeñal. Sin embargo, al igual que posee grandes ventajas, también presenta inconvenientes frente al sistema mixto. En primer lugar, estos sistemas añaden coste, complejidad y peso, pues por ejemplo el uso de múltiples bombas de barrido no solo implica lo anteriormente mencionado, sino que además requieren de lubricación y mantenimiento. En segundo lugar, pese a que este sistema presenta buenas prestaciones en vehículos de competición, no se desenvuelve tan bien en el manejo del día a día. La razón radica en que el aceite no alcanza su temperatura de operación debido a que el sistema de refrigeración es muy eficiente disipando calor. La solución a este inconveniente pasa por controlar la refrigeración del lubricante, no empleando este sistema hasta que sea necesario. En conclusión, es necesario el empleo de un sistema de lubricación de cárter seco en el Bugatti Veyron, pues se trata de un coche de altas prestaciones, así como de gran complejidad. Además siendo este coche un estandar de prestigio y maestría ingenieril, el empleo de este sistema está justificado. Sin embargo, hay que tener en cuenta que se trata de un coche no destinado a circuitos y sometido a las limitaciones de las normas de circulación vial, con lo cual para la mayor parte del tiempo, un sistema de carter mixto sería suficiente. 20 8. Evolución del motor En cuanto a la evolución del motor W16, en Bugatti se diseñaron dos nuevos modelos con sus respectivas mejoras técnicas en el apartado de motor. En concreto se lanzó una versión renovada del Veyron, apodada Supersport en el año 2010, y más tarde se lanzó el nuevo modelo de la marca francesa, el Chirón en el año 2016. Cabe destacar que los modelos comentados anteriormente no son los únicos lanzados, sin embargo, son los únicos en los que hubo modificaciones en el apartado técnico del motor. En las figuras 14 y 15, se puede observar las curvas de potencia, par y presión media efectiva para todo régimen de giro de funcionamiento, y para las tres versiones del motor. Se puede observar que cada una de las mejoras realizadas ha conllevado a una mejora de prestaciones para todo régimen de giro. Estas mejoras no vienen influenciadas por ningún cambio en los parámetros geométricos del motor, ya que estos se mantienen para los tres motores. Tampoco se ha añadido ningún tipo de sistema nuevo, como podría ser el control del levantamiento de la válvula en el sistema de distribución variable. En el caso de la mejora de la potencia efectiva del motor, se hará uso de la siguiente ecuación: Ne = i · n · ηe · ηv · Fr · Fe · P CI · ρref · VT (6) De la ecuación 6, se puede llegar a la conclusión de que el aumento de la potencia sólo puede ser debido al aumento de n, ηe , ηv o ρref , ya que los tres son motores de cuatro tiempos por lo que el índice de ciclos por vuelta (i) no varía, son motores gasolina, por lo que trabajan con dosado estequiométrico, por lo que tampoco varía el dosado relativo (Fr ), comparten la misma cilindrada, por lo que VT es constante en los tres casos, y para los combustibles convencionales el producto Fe · P CI es una constante. El aumento del rendimiento efectivo esta directamente asociado a la disminución de las pérdidas mecanicas, ya sea por fricción, pérdidas de bombeo o por auxiliares. También se podría aumentar el rendimiento efectivo con el aumento del rendimiento indicado, reduciendo la pérdidas transferidas por calor al refrigerante o realizando una renovación de carga más eficiente para cada régimen de giro. El aumento de la densidad de referencia esta directamente asociado a la sobrealimentación, aumentando la relación de compresión de los compresores y usando un intercooler que reduzca el aumento de la temperatura se 21 puede conseguir aumentos de la densidad del aire en la admisión. Esto es muy fácil de decir, pero difícil de llevar a la práctica, ya que hay que buscar un turbogrupo que funcione bien para todas las condiciones del motor, y no entre en ningún momento en condiciones sónicas o de bombeo. En la tabla 5, se puede observar que la relación de compresión ha ido subiendo en las distintas evoluciones del motor. Para el cálculo de las relaciones de compresión se ha usado el mismo método explicado en el apartado 6, suponiendo los mismos rendimientos tanto de compresor como de intercooler. El aumento del rendimiento volumétrico se consigue reduciendo las pérdidas de carga en todo el proceso de admisión, consiguiendo que la densidad real que llega al colector de admisión sea lo más parecida posible a la densidad de referencia, o que incluso sea mayor. El aumento del régimen de giro del motor se consigue retrasando la entrada en condiciones sónicas en la admisión, ya que, una vez entrada en condiciones sónicas, el rendimiento volumétrico empieza a disminuir de forma acusada, traduciendose en pérdidas de rendimiento del motor. El retraso de entrada en condiciones sónicas se puede conseguir diseñando un nuevo sistema de admisión (forma de las pipas, disposición de las válvulas en el cilindro, etc). Para el caso de la presión media efectiva: pme = ηe · ηv · Fr · Fe · P CI · ρref (7) Como se puede observar en la ecuación 7, la presión media efectiva sólo se puede aumentar si se mejoran los parámetros ηe , ηv y ρref , y ya se ha comentado como se han podido mejorar para obtener las mejoras en prestaciones observadas en las figuras 14 y 15. 22 Figura 14: Evolución de la potencia efectiva del motor Figura 15: Evolución de la presión media efectiva del motor 23 En la tabla 4, se puede observar la evolución de algunos de los parámetros ya comentados y, a demás, la evolución de la relación peso-potencia del motor, se puede observar como el Veyron Supersport mejora este parámetro debido sobre todo a la mejora en potencia efectiva obtenida, sin embargo, se puede ver que para el Chiron se consigue elevar en gran medida este parámetro, esto no es sólo debido a el incremento de potencia, también es debido al aligeramiento del motor, que pasa de pesar 490 kg a 436 kg, debido sobre todo a el uso de nuevos materiales en algunos componentes, como la instalación de conductos de admisión de fibra de carbono y conductos de escape de titanio. Motor Veyron Veyron Supersport Chiron pme (bar) 20,02 23,59 25,16 cm (m/s) 18,06 18,63 20,07 n (rpm) 6300 6500 7000 Peso/Ne (kg/hp) 2,01 2,41 3,39 Cuadro 4: Evolución de algunos parámetros de intereses del motor En la figura 15 se puede observar una gran diferencia para bajo régimen entre el motor del Chirón y los del veyron, esto es debido a una nueva estrategia en el uso de los turbocompresores que se implementó. En esta estrategia, a bajo régimen tan sólo se usan dos turbocompresores, lo que aumenta el gasto másico que pasa por ellos, haciendo que la respuesta de los mismos sea mucho más rápida y aumentando el rendiemiento de los mismos, ya que se consigue hacer que los compresores funcionen en su zona de diseño, alejandolos de la zona de bombeo. Veyron Veyron Supersport Chiron Relación de compresión 2,80 - 3,00 3,20 - 3,40 3,55 - 3,75 Cuadro 5: Evolución de la relación de compresión del turbocompresor Por último cabe destacar que el motor W16 del bugatti Chirón será el último desarollado y fabricado por la marca francesa. Esto es debido, según declaraciones del propio CEO de la marca, al crecimeinto de las limitaciones de las regulaciones anticontaminantes y a la tendencia en el sector a la electrificación de los motores. 24 9. Comparación con otros motores Para poner en perspectiva las prestaciones del motor W16 se ha decidido compararlo con diferentes motores de la misma época, en concreto se ha comparado con 5 motores diferentes que comparten con el W16 las siguientes características: Motores sobrealimentados, menos el caso del W8 del Volkswagen Passat. MEP. Misma época de fabricación, 2000-2006. Entre los motores estudiados cabe mencionar el motor W8 del Volkswagen Passat. Este es uno de los motores en los que se inspiraron los ingenieros de Bugatti para diseñar el W16. El W8 es un motor no sobrealimentado, por lo que, sobre todo a la hora de comparar la presión media efectiva, se podrá observar como de grande es la diferencia entre sobrealimentar y no hacerlo para un motor similar, y las ventajas que se consiguen. En las figuras 16 y 17, se puedes visualizar las curvas de par y potencia efectiva de todos los motores. Se puede observar claramente que los motores de coches convencionales tienden a converger sobre una misma curva, a excepción del Volkswagen Passat y el Jaguar S-Type R, pero en este caso estos motores poseen 8 cilindros. Tanto para potencia como para par, se puede ve que el Bugatti veyron consigue más del doble de prestaciones que el resto de motores, esto se explica en gran medida por la cilindrada del motor, ya que desplaza el doble de volumen que el Volkswagen y el Jaguar y ocho veces la del resto. 25 Figura 16: Curvas de potencia de distintos motores Figura 17: Curvas de par de distintos motores En la figura 18, se puede ver la comparación de la presión media efectiva de los distintos motores, y en este caso, al independizarse del volumen total, se puede realmente observar las diferencias en cuanto a lo bien diseñados que estan estos motores. Se puede apreciar todos los motores con los que 26 se esta comparando convergen en una zona entre 16 y 18 bar, a excepción del motor del Volkswagen, pero como ya se había comentado este motor es el único que no esta sobrealimentado. Se puede apreciar una ligera mejora del Bugatti Veyron en comparación con la del resto de motores, donde se consigue una presión media efectiva de 20 bar. Como se puede ver de la ecuación 7 del apartado de evolución del motor, los parámetros que permiten diferenciar la presión media efectiva de los distintos motores son ηe , ηv y ρref . Las diferencias en el rendimiento efectivo vendrán determinadas sobre todo por las pérdidas mecánicas que produce cada motor y las pérdidas de calor. El rendimiento volumétrico dependerá de lo eficiente que se consiga hacer el proceso de admisión, para grado de carga máximo, este parámetro no debería variar mucho entre los distintos motores. Por último, quedaría la densidad de referencia, siendo este el parámetro que más puede variar entre los distintos motores comparados, ya que depende de la relación de compresión del turbogrupo, por lo que podría ser el parámetro que marque las diferencias. Figura 18: Curvas de presión media efectiva de distintos motores En la tabla 6 se pueden encontrar la comparación de distintos parámetros de los motores seleccionados. Iniciando por la comparación geométrica de la relación carrera-diámetro, se ve que el W16 posee un cilindro cuadrado en comparación al resto que son ligeramente alargados. Siguiendo con el análisis, en el caso de la velocidad lineal media máxima del pistón, la del W16 es menor que la del resto, a excepción de los mercedes, lo que impli- 27 ca que las pérdidas mecánicas serán menores, ya que la presión media de rozamiento es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad lineal media del pistón, y que el rendimiento volumétrico a alto régimen de giro podría ser mayor debido a que se tarda más en llegar a condiciones sónicas en la admisión. En cuanto a potencia específica, se puede observar que, tanto referenciada al volumen como al area del pistón, el W16 esta a la cabeza del resto de motores, consiguiendo mayor potencia para un mismo volumen y para una sección del pistón dada. Por último, en cuanto al régimen de giro máximo alcanzable, se puede observar como es el único apartado en el que el W16 se situa por debajo del resto. Motor S/D Bugatti Veyron W16 Volkswagen Passat W8 Mercedes Clase C Mercedes Clase E Mini Cooper S Jaguar S-Type R 1 1,07 1,04 1,04 1,16 1,05 cm (m/s) 18,06 19,54 16,43 17,00 22,17 19,57 pme (bar) 20,02 10,57 18,20 16,80 17,31 16,20 Ne/Vt (kW/l) 92,1 50,51 78,51 66,82 78,22 69,35 Ne/zAp (kW/cm2 ) 0,79 0,46 0,46 0,57 0,59 0,63 n (rpm) 6300 6500 6300 6000 7000 6500 Cuadro 6: Comparación de parámetros de distintos motores Una vez realizada la comparación con respecto a motores de coches convencionales de la época, se ha decidido realizar una pequeña comparación con el que se convirtió en la competencia directa del Bugatti Veyron por los récords de velocidad, el Koenigsseg Agera R, cabe destacar que este coche salió al mercado en el año 2011, por lo que su motor es más moderno que el W16. El motor del Agera R es un MEP V8 biturbo y desplaza un volumen de 5000 cm3 . En cuanto a la potencia conseguida, figura 19, es reseñable destacar el parecido entre ambas, tan sólo consiguiendose más potencia en el Agera R debido a que es capaz de operar a mayor régimen de giro en comparación con el W16 del Bugatti Veyron. 28 Figura 19: Comparación entre las curvas de potencia del Bugatti Veyron y el Koenigsegg Agera R En el caso de las curvas de par, figura 20, se puede observar un comportamiento muy similar entre ambas nuevamente, las mayores diferencias se obtienen a régimenes bajos, donde se puede observar que el W16 consigue mejores prestaciones. Figura 20: Comparación entre las curvas de par del Bugatti Veyron y el Koenigsegg Agera R En cuanto a la presión media efectiva, figura 21, se puede observar una gran diferencia entre los dos motores, y es lo que explica que para menor 29 cilindrada el Agera R tenga pretaciones de par y potencia muy similares. Como ya se ha ido comentando a lo largo del trabajo, para aumentar la presión media efectiva el parámetro que mayor repercusión tiene es el de la densidad de referencia, que viene determinado por lo sobrealimentado que este el motor. Para obtener la relación de compresión del Agera R, se ha seguido el mismo pocedimiento que en el apartado de sobrealimentación, aplicando las mismas hipótesis y suponiendo el mismo valor de rendimiento efectivo en estas condiciones, se ha obtenido los resultados de la tabla 7. Motor Bugatti Veyron W16 Koenigsegg Agera R 2011 rc 2,8 - 3,0 3,9 - 4,15 Cuadro 7: Relación de compresión turbogrupo del Bugatti Veyron y Koenigsegg Agera R Figura 21: Comparación entre las curvas de presión media efectiva del Bugatti Veyron y el Koenigsegg Agera R En la tabla 8, se pueden encontrar diferentes parámetros de los dos motores. Se puede observar que el Agera R tiene un cilindro ligeramente más alargado que el Veyron, pero las diferencias son mínimas. En cuanto a la velocidad lineal máxima del pistón, es evidente que el la capacidad del motor del Agera R para operar a régimenes mayores le hará obtener una velocidad 30 del pistón mayor, obteniéndose mayores pérdidas mecánicas para el régimen de máxima potencia. Debido a que el Agera es capaz de obtener la misma potencia pero con menor numero de cilindros y menor volumen total, las potencias específicas de este motor son evidentemente mayores. Motor S/D Bugatti Veyron W16 Koenigsegg Agera R V8 1 1,04 cm (m/s) 18,06 23,81 pme (bar) 20,02 29,97 Ne/Vt (kW/l) 92,1 166,53 Ne/zAp (kW/cm2 ) 0,79 1,59 n (rpm) 6300 7500 Cuadro 8: Comparación de parámetros del Bugatti Veyron y el Koenigsegg Agera R 31 10. Bibliografía Motores de combustión interna alternativos. F. Payri, J.M. Desantes. National geographic. Megafactorías: El supercoche de Bugatti. 2011 Bugatti Official Site: https://www.bugatti.com Bugatti Veyron 16.4 Data sheet. Technical Specifications. Discovery channel. How it Works: Bugatti Veyron Engine Discovery channel. How it’s Made Dream Cars: Bugatti Veyron Engine Base de datos: Automobile Catalog https: www.automobile-catalog.com/browse.php Bugatti Veyron y su motor W16. Fran Lopez. 2010: https://www.diariomotor.com/2010/01/06/bugatti-veyron-y-su-motorw16-asi-es-y-asi-se-fabrica/ The Drive. The 2017 Bugatti Chiron. 2017: https://www.thedrive.com/new-cars/8705/the-2018-bugatti-chiron-a-randomizedhyper-review-of-the-1500-hp-2-5-million-hypercar Programa autodidáctico 246. Reglaje de distribución variable. Volkswagen. Programa autodidáctico 248. El concepto de motores en W. Volkswagen. Recent Titanium Research and Development in Germany. D. Helm, O. Roder Autozine Technical School. Mark Wan. 2010: https://web.archive.org/web/20100126054913/http://www.autozine.org /technicalschool/engine/techenginepackaging.htm f1aldia.2010: https://www.f1aldia.com/10129/lubricacion-del-motor-carter-seco/ Diariomotor. Sergio Álvarez. 2017: https://www.diariomotor.com/noticia/fin-motores-vr6-volkswagen/ 32
