Facultatea de Transporturi – Universitatea Politehnica Bucuresti

Ianuarie 2011

Fizica si automobilul viitorului

Student:Sandu Cosmin-Ionut

Grupa:8106

Cuprins

Introducere...............................................................................................3

Varianta BMW pentru viitor......................................................................6

Principiu de functionare...........................................................................7

Aplicatii tehnologice inovative si imbunatatiri din perspectiva

aerodinamicii............................................................................................9

Sasiu si directie......................................................................................10

Design,comfort si siguranta....................................................................11

Viitorul BMW Efficient Dynamics............................................................12

Concluzii.................................................................................................13

Bibliografie..............................................................................................14

2

Introducere

In contextul actual,cu explozia pretului carburantilor,marii producatori de automobile

incearca sa gaseasca noi solutii ecologice pentru propulsarea creatiilor lor.

BMW,poate cel mai renumit producator.a facut,prin lansarea lui ActiveHydrid 7,un

pas important in dezvoltarea masinilor hidride,prin compromisul ideal dintre consum si

performanta.

De-a lungul deceniilor, BMW a facut din reducerea emisiilor si a consumului de

carburant un element-cheie in strategia de dezvoltare a produselor, la fel cum imbunatatirea

aerodinamicii cu fiecare nou model BMW reprezinta o valoare sustinuta de brand. Filozofia

abordata in constructia de automobile de catre corporatia bavareza vizeaza un stil de condus

sportiv, o reducere a consumului si a emisiilor simultan, filozofie ce se concretizeaza prin cea

mai mare scadere a consumului inregistrata de catre un fabricant de autoturisme in perioada

1990 – 2005, conform datelor furnizate de studiul „Automakers Corporate Carbon Burdens”

realizat de organizatia Evironemental Defense.

In prezent,peste un milion de masini echipate cu Efficient Dynamics,programul de

reducere a consumului si a emisiilor,ruleaza pe soselele din toata lumea

3

Varianta BMW pentru viitor

Impunatoare,luxoasa,puternica,supertehnologizata,noul BMW ActiveHybrid 7 este o

limuzina de top ce poate atinge o viteza maxima de 250km\h(viteza limitata electronic).

v = 2πrω/Ggk, unde:

v=viteza(m\s)

r=diametrul exterior al cauciucului(m)

ω=turatia motorului

G=raportul diferentialulul(fara unitate de masura)

gk=treapta k de viteza

Viteza maxima avand un raport ideal al treptelor de viteza:

Γ(ω)Ggk 1

------------ = -- cdAρv2

r 2

cd = Coeficientul de rezistenta la inaintare (fara unitate de masura)

A = Aria suprafetei frontale a automobilului (m2)

ρ = Densitatea aerului (kgm-3)

v = Viteza automobilului (ms-1)

Γ(ω) = Cuplul generat de motor la turatia ω a motorului (Nm)

Inmultim ambii membri cu v, unde v = 2πrω/Ggk :

Γ(ω)Ggk 2πrω 1

------------- × ------- = -- cdAρv2

r Ggk 2

2πΓ(ω)ω = 0.5cdAρv3

4

Puterea P = 2πΓ(ω)ω, avem deci

P = 0.5cdAρv3

( 2P ) ^(1/3)

v = ( ------- )

( cdAρ )

Alaturi de motorul twin-turbo in 8 cilindri, masina dispune si de un motor electric, al

carui putere este de 20CP.Cele doua propulsoare dezvolta, pentru un interval scurt (spre

exemplu la depasire), 465 CP si un cuplu de 700 Newton-metri (Nm).

P = 2πΓ(ω)ω,

P = Puterea generata de motor (Js-1)

Γ(ω) = Cuplul generat de motor la turatia ω a motorului (Nm)

ω = Turatia motorului(s-1)

Cele doua motoare sunt cuplate la o transmisie complet noua,cu opt rapoarte.Pentru

a reduce si mai mult consumul de carburant,Seria 7 Hybrid a fost echipat cu sisteme start-

stop si de regenerare e energiei la franare.Toti acesti parametrii ai trenului de rulare pot fi

tinuti sub control de sofer prin intermediul unui instrumentar,special creat de BMW.

Performantele hibridului sunt si ele impresionante,acceleratia de la 0-100km\h realizandu-se

in doar 4.8 secunde.Cu toate acestea,ActiveHybrid 7 poate oferi un consum mediu de numai

9,4l/100 km si o rata a emisiilor de numai 219 g/km. BMW AativeHybrid 7 este capabil sa

ruleze numai cu energie electrica, doar cu puterea motorului twin turbo pe benzina sau printr-

o combinatie infinita a celor doua surse de energie.

Dezvoltata pe baza tehnologiilor preluate din Formula 1, caroseria acestei limuzine

unice foloseste materiale ultrausoare si elemente ce micsoreaza greutatea si coboara centrul

de greutate,pentru o mai mare stabilitate. In designul interiorului, accentul s-a pus atat pe o

experienta placuta de condus cat si , in mod special, pe o tehnologie usor de utilizat,sistemul

de navigatie cu HDD incorporat,head-up-display-ul si asistentul pentru schimbarea benzii de

rulare fiind doar cateva din tehnologiile incorporate.

5

Principiul de functionare

 Motorul V8 pe benzina are tehnologie BMW TwinPower Turbo si High Precision

Injection, alaturi de un motor electric trifazic. Ansamblul dezvolta 465 Cai Putere (CP) / 342

kW si un cuplu maxim de 700 Newton-metru.Motorul cu opt cilindri disponibil la BMW Seria 7

ActiveHybrid dezvolta o putere maxima de 330 kW/445 CP intre 5.500 si 6.000 rpm. In

acelasi timp, motorul are un varf al curbei de cuplu de 700 Newton-metru ce se mentine

constant pe o plaja a turatiilor cuprinsa intre 2.000 si 4.500 rpm.

Motorul electric porneste si sustine propulsorul V8 si are trei faze sincronizate.

Propulsorul electric este pozitionat intre propulsorul cu combustie si convertorul transmisiei

automate, fiind conectat direct la arborele cotit. De forma unui disc, motorul electric are o

masa de 23 kg, designul compact asigurand integrarea completa in carcasa

transmisiei.Motorul electric genereaza putere suplimentara de transmisie de 20 CP.Cuplul

oferit este de 210 Newton-metri.Motorul electric porneste si sustine propulsorul V8 si are trei

faze sincronizate. Propulsorul electric este pozitionat intre propulsorul cu combustie si

convertorul transmisiei automate, fiind conectat direct la arborele cotit. De forma unui disc,

motorul electric are o masa de 23 kg, designul compact asigurand integrarea completa in

carcasa transmisiei.Motorul electric genereaza putere suplimentara de transmisie de 20CP.

Cuplul oferit este de 210 Newton-metri.

Combustibilul este furnizat de cea mai noua generatie a injectiei directe common-rail,

iar turbocompresorul dispune de o geometrie varibila a admisiei pentru mai multa eficienta.

Puterea maxima dezvoltata este de 445 CP, cu un maxim al cuplului de 490 Newton-metri.

Coeficientul de putere per litru atins la acest motor este de 101 CP, un rezultat foarte

apropiat de cel al supersportivei M3.

Printr-o configuratie specifica a sistemului, ca un hibrid avansat ideal pentru utilizarea

pe sosea, conducatorul beneficiaza de plusul de eficienta al motorului electric pe o plaja mult

mai larga a turatiilor decat la o masina hibrid conventionala.

La frana de motor sau la franare, motorul electric actioneaza ca generator de energie

electrica pentru acumulatorul litiu-polimer din masina. Energia dezvoltata in acest mod este

generata fara vreun consum suplimentar de combustibil, folosind la maximum principiul

sistemului de recuperare a energiei la franare (Brake Energy Regeneration), disponibil la

actuala gama de modele BMW.Energia consumata la franare in cazul unui automobil

conventional este astfel economisita.

.

6

Inovatia la partea electrica

Energia electrica este livrata in cele doua retele interne ale automobilului: BMW Seria

7 ActiveHybrid dispune atat de o retea conventionala, cu tensiunea de 12V, alimentata de o

baterie conventionala (de tip AGM), cat si de un acumulator de mare tensiune, cu tehnologie

litiu-ion, ce opereaza la 120V. Aceasta din urma furnizeaza energie motorului electric sau sa

contribuie la pornirea motorului cu combustie.Compresorul de aer conditionat de la BMW

Seria 7 ActiveHybrid este si el integrat in reteaua de 120V, in timp ce restul functiilor operate

electric sunt alimentate de la reteaua de 12 V. Cele doua retele interne sunt conectate intre

ele printr-un convertor de tensiune, care ofera o gestiune flexibila a energiei, dar care are si

rolul de a coordona toate functiile electrice ale automobilului.

Sistemul dezvoltat pentru BMW Seria 7 ActiveHybrid este bazat pe cea mai avansata

tehnologie litiu-ion care indeplineste cele mai mari solicitari in ceea ce priveste sarcinile de

putere si durata de operare. Bateriile litiu-ion au dovedit deja ca au o mare capacitate de

stocare si o durata mare de functionare in mai multe aplicatii cum ar fi telefoanele mobile sau

laptopurile.Energia utila oferita de acest acumulator este de 400 W/h, bateria in sine fiind

compusa din 35 de celule si o unitate de control integrata care analizeaza in permanenta

nivelul de incarcare si asigura o functionare potrivita in orice situatie si pe un interval larg de

temperaturi.In ciuda nivelului ridicat de performanta, bateria litiu-ion masoara numai 37 cm x

22 cm x 23 cm si cantareste aproximativ 27 kg. Mai mare decat bateria conventionala a unui

automobil, este montata in compartimentul de bagaje, intre pasajele rotilor de la BMW Seria

7 ActiveHybrid, acoperita pentru siguranta de o carcasa speciala. Aceasta asigura protectia

a bateriei si, in acelasi timp, confera masinii o distributie echilibrata a maselor.

7

Prin folosirea afisajului iDrive, conducatorul poate urmari o interpretare si mai

detaliata a interactiunii motorului cu combustie si a celui electric. Pe langa nivelul de

incarcare al acumulatorului litiu-ion, aceasta functie de afisare prezinta si fluxul actual de

energie – stocarea energiei la actionarea franelor sau la frana de motor, schimbarea

punctului de sarcina cand se ruleaza la viteza constanta, descarcarea de energie la

accelerare. Ca alternativa a acestui afisaj grafic, sistemul este capabil, la simpla apasare a

unui buton, si sa analizeze procentual nivelul curent de eficienta. in acest caz, o diagrama cu

bare, care se actualizeaza la fiecare minut, indica nivelul la care a fost utilizat potentialul de

eficienta al componentelor hibrid in ultimele 15 minute.

8

Aplicatii tehnologice inovative si imbunatatiri din

perspectiva aerodinamicii

Cu o inaltime de numai 1,48 metri,linie arcuita a acoperisului,cu anvelopele cu frecare

redusa.o lumuzina de peste 5 metri lungime reuseste sa aiba un coeficient aerodinamic de

o,28,o valoare caracteristica supersportivelor. Aerodinamica este influentata de fantele active

ale radiatorului, care se pot inchide complet atunci cand nu este nevoie de o putere mare de

racire.

Aceasta functie eficienta are la baza controlul activ al flapsurilor grilei radiatorului,

parte a strategiei BMW EfficientDynamics utilizata la multe din modelele ale actualei game

de masini BMW.

Partea de dedesubt a masinii este complet acoperita. Se mentine astfel o suprafata

lina care evita realizarea oricarui curent turbionar ce poate creste consumul de combustibil.

Fantele subtiri din spoilerul fata ghideaza curentul prin doua galerii inchise catre pasajele

rotilor, unde aerul iese printr-o fanta foarte subtire, chiar langa flancurile exterioare ale

pneurilor. Acest jet de aer ramane pe rotile fata precum o cortina, ca o perdea de aer cu un

pronuntat efect stabilizator.

Pentru a optimiza suplimentar calitatile aerodinamice ale intregului automobil, BMW

Active Hybrid este echipat cu pneuri cu frecare redusa si jante de dimensiuni mari.Pneurile

masoara 245/45 in raport latime-inaltime, in timp ce jantele au dimensiunea de 20 de toli.

Profilul lamelar integrat in jante contribuie la reducerea efectului negativ al rotilor

pivotante asupra aerodinamicii generale a masinii. Per total, aceste caracteristici care

optimizeaza calitatile aerodinamice ale automobilului ofera prototipului BMW Active Hybrid 7

un coeficient aerodinamic (Cx) foarte redus, de numai 0,28.

9

Sasiu si directie

Cu o lungime de 5,12 metri, o latime de 1,90 metri si o inaltime de 1,48 metri, masina

isi rasfata rasfata proprietarul . Prin folosirea materialelor ultrausoare, masa automobilului

este limitata la 1.850 kg, iar centrul de greutate ramane mult coborat, contrar confortului si

dinamicii oferite.

Masina este dotata cu directia asistata-Servotronic,variabila in functie de viteza,dar si

cu Dynamic Drive,care permite soferului sa opteze pentru diferite setari ale suspensiei,

raspunsul acceleratiei,asistarea directiei,dar si caracterul schimbarilor de viteza.

Cand masina se afla in inertie:

LrWr = LfWf

Lr = distanta dintre centrul de greutate si puntea spate

Wr = greutatea puntii spate

Lf = distanta dintre centrul de greutate si puntea fata

Wf = greutatea puntii fata

Stim ca

Wf + Wr = mg

m = masa

g = atractia gravitationala

Greutatea pe fiecare roata este:

Wf = mgLr / (Lf + Lr)

Wr = mgLf / (Lf + Lr)

Tabloul de bord este in mod intentionat fixat acolo unde componentele tehnice trebuie

sa fie acoperite in mod corespunzator, realizandu-se astfel o contributie importanta la

siguranta pasagerilor in cazul unei coliziuni. Acesta a jucat un rol fundamental chiar de la

10

inceputul procesului de design, servind drept punct de plecare pentru toate suprafetele

interiorului si realizand astfel o transpunere fidela a orientarii specifice BMW.

Design,comfort si siguranta

Semnale clare in exterior si luminile ambientale din interior creeaza o atmosfera

unica,ce favorizeaza sofatul in conditii maxime de confort.

Luminile LED utilizate atat in cazul semnalelor,a stopurilor,dar si a proiectoarelor de

ceata,ii ofera o combinatie inovatoare a simbolurilor marcii dar si un design simplist, ce

stabileste trenduri in domeniul tehnologic.

Aspectul unic al farurilor duble, caracteristic BMW este subliniat de tehnologia LED,

fiind integrate perfect, la fel ca si stopurile, in designul masinii.Farurile bixenon adaptive

sporesc confortul in conditii de vizibilitate redusa sau pe un drum virajat,accesul in masina

fara cheie sau telecomanda de garaj universala fac viata proprietarului mult mai usoara.

Stopurile spate care inglobeaza tehnologie LED completeaza linia superba de design

reusita de Adrian van Hooydonk,seful departamentului de design,si de echipa lui.

La capitolul confort interior,sistemul multimedia permite urmarirea posturilor de

televiziune in format HD,iar scaunele cu multiple reglaje prezinta optiunea de masaj.

Siguranta este asigurata de 12 airbag-uri,ABS,ultima generatie a deja celebrului

DSC,Night Vision,dar si de un sasiu foarte rezistent.

11

Viitorul BMW EfficientDynamics

Un inginer BMW spunea cu cateva luni in urma ca obiectivul principal al echipei de

ingineri BMW este de a reduce consumul si emisiile,iar perfromantele apar doar ca efect

secundar.

Prin BMW Connected Drive,soferul are acces in orice moment la datele telemetrice

ale masinii.

Datele furnizate de senzorul de ploaie sau de Active Cruise Control (tempomatul

activ) cu functia Stop & Go, precum si de sistemul de navigatie, sunt analizate de unitatea

centrala de control. Prin evaluarea acestor date, computerul de bord este capabil sa prevada

stilul de condus pe urmatoarea zona de drum, aceste calcule contribuind la pregatirea

automobilului pentru cerintele viitoare si eficientizand utilizarea energiei disponibile prin

operarea optima a tuturor sistemelor.

In cazul in care computerul central superperformant stabileste ca, de exemplu,

conducatorul va intra pe o autostrada, puterea utilizata pentru sistemul de racire este redusa

din timp pentru o anumita perioada, de la premiza ca o scurta crestere a temperaturii de

racire, ce rezulta dintr-o asemenea masura de economisire a energiei, va fi eliminata rapid la

o viteza mai mare a masinii pe autostrada. Un alt exemplu al acestei preconditionari este

recuperarea energiei de la aerul conditionat, de la EPS Electronic Power Steering

(servodirectie electronica) si de la Brake Assistant (asistarea franelor).

Urmatorul pas important in evolutia sistemului Efficient Dynamics este lansarea

primului BMW cu motor de 1L si 120CP,urmand curentul de downsizing(micsorarea cilindreei

cu cresterea puterii).

Concluzii

12

Tehnologiile utilizate de catre BMW in proiectarea acestui concept-car prezinta

evolutia cunostintelor stiintifice, fizica ocupand un loc primordial in evolutia constructiei de

automobile.

Evolutia tehnologiei precum si posibilele noi descoperiri in domeniul fizicii vor putea

face realizabile proiecte ca AHS. AHS sau Smart Road este proiectul unui sistem de

transport inteligent, proiectat pentru masinile fara sofer. Scopul sau ar fi acela de a diminua

congestia traficului prin reducerea distantelor intre diverse puncte-cheie.

Un prim pas a fost facut prin lansarea sistemului Active Cruise Control,care,prin

intermediul unor senzori,este capabil sa pastreze constanta distanta fata de autovehiculul din

fata,sa accelereze si chiar sa franeze la un sens giratoriu.

Un alt element ce se va implementa automobilelor viitorului il reprezinta sistemul

precoliziune. Acesta este un sistem de siguranta ce are scopul de a reduce pagubele unui

accident. Cel mai popular tip de sistem este acela ce foloseste un radar si uneori lase pentru

a detecta o coliziune frontala iminenta. In functie de sistem poate avertiza soferul, pregati

franele ori calibra centurile de siguranta si frana partial sau total pentru a minimza

severitatea colizunii. In 2009 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration,

agentie a Guvernului SUA din Departamentul de Transporturi ) a initiat un studiu pentru a

vedea daca sistemul de avertizare in cazul colizunilor frontale trebuie sa devina o cerinta

obligatorie pe viitor.

Bibliografie

1. http://www.insa-lyon.fr/fr/Laboratoires/GEMPPM/TEP/index.htm

2. www.edf.org

3. I. G. Murgulescu, Rodica Vîlcu, Introducere în chimia fizică vol. III - Termodinamică

chimică, Editura Academiei, Bucureşti, 1982, pag. 561-564

4. http://www.path.berkeley.edu/PATH/Publications/Media/FactSheet/VPlatooning.pdf

5. http://www.accelerationwatch.com/articles/undergroundhighwaysystems.html

13

6. http://www.bmwdrives.com/bmw_cars/bmw-f01-active-hybrid.php

7. http://www.auto-iasi.ro/diverse/bmw-seria-7-activehybrid-pleaca-de-la-104720-euro-

inclusiv-tva-in-romania

8. http://www.automarket.ro/stiri/oficial-noul-bmw-active-hybrid-7-consuma-94-

litri100-de-km-23584.html

9. http://www.autoweek.com/article/20091029/carreviews/910299979

10. http://www.bmw.com/com/en/newvehicles/7series/sedan_active_hybrid/2009/

allfacts/effdyn/brake_energy_regeneration.html

14