Bugatti Chiron: O desenvolvimento do motor (Parte IV)

Modernos 04 Fev 2019

Bugatti Chiron: O desenvolvimento do motor (Parte IV)

Por Hélio Valente de Oliveira

Medidas secundárias no motor e periféricos

 

Para assegurar a segurança a um nível de potência mais elevado, em todas as situações, foram feitas algumas alterações em diferentes secções do motor.

 

Aumento de robustez do motor

 

Os componentes do motor estão sujeitos a cargas particularmente elevadas, devido ao aumento da pressão de ignição, que subiu para 160 bar. Reforços específicos foram feitos, com recurso a cálculos FEM.

 

O aumento de carga, no pistão forjado, foi levado em conta com uma mudança de contornos na zona da coroa. A tensão nos encaixes dos segmentos foi reduzida com entalhes assimétricos e a saia do pistão foi revestida com EvoGlide, um novo revestimento para redução de fricção. Em conjunto com o segmento de compressão, que é agora revestido com PVD, os pinos dos pistões foram também revestidos com DLC.

 

Devido ao aumento de compressão axial, ou flambagem, derivada da alta pressão de ignição, as bielas de titânio foram reconfiguradas. O novo design tem uma secção aumentada na haste. Com um peso total de 336 gramas, para um comprimento total de 170,6 mm, o aumento de peso de 16 gramas foi considerado aceitável.

 

Outras modificações incluíram a reconfiguração do amortecimento de oscilação torsional da cambota e dos rolamentos e folga da biela.

 

Circuito de óleo

 

O sistema de lubrificação do W16 para o Chiron foi concebido com um cárter seco para permitir um baixo centro de gravidade.

 

A base do sistema é a bomba de óleo, concebida com funcionamento multi-estágio e com dentes exteriores. Está montada num túnel cilíndrico, perto da cambota, com a entrada e saída de óleo paralelos ao eixo desta e é accionada pela mesma através de uma corrente.

 

 

Esta bomba de óleo consiste em quatro estágios separados de sucção para extração de óleo da área da cambota, cabeças de cilindros, assim como dois estágios para extrair o óleo dos quatro turbo-compressores.

 

O estágio de pressão, para fornecimento ao motor é feito por três arranjos de rodas, especialmente posicionados. Desta forma, os pulsos de pressão e a cavitação são reduzidos consideravelmente.

 

A pressão de óleo está limitada a seis bar, através de uma válvula, a regimes altos do motor, ou em toda a gama de rotações quando este não atingiu a temperatura normal de funcionamento.

 

O óleo do motor é enviado, através da bomba, para um reservatório, que está fixo ao veículo. Depois passa pelo radiador, se os termóstatos estiverem abertos, dependendo da temperatura deste, e pelo filtro, antes de ser enviado de novo para o motor.

 

 

Circuito de refrigeração

 

Todos os componentes do motor precisam de ser mantidos a uma temperatura ideal de funcionamento para desempenharem a sua função com o máximo de fiabilidade. Devido aos requisitos térmicos extremos, particular atenção foi dada à configuração do sistema de refrigeração.

 

A bomba de água, posicionada centralmente no compartimento da cambota, com uma capacidade máxima de 770L/min, assegura o caudal necessário para o circuito. O fluido de arrefecimento entra em ambas as cabeças do motor e, através de aberturas calibradas nas juntas, é distribuído. Dentro das cabeças, guias asseguram uma distribuição uniforme. Além disso o dimensionamento interno dos canais foi optimizado para assegurar uma dissipação de calor óptima, especialmente em áreas sujeitas a temperaturas mais altas.

 

O circuito dentro do motor é regulado pelo termóstato, colocado no centro do “V”, e é caracterizado pela baixa perda de pressão, quando em posição aberto.

 

Um volume de 39.2L de fluido é arrefecido por três radiadores, localizados na frente do Chiron, com uma área total de 4,600 cm2. O radiador central está posicionado em ângulo.

 

 

O favo do radiador foi desenhado tendo em conta os requisitos especiais em modo de condução “handling” e “Vmax”. A performance deste foi optimizada de acordo com o máximo de fluidez de volume de refrigerante e massa de ar. Tubos extrudidos com paredes de 0,25 mm são utilizados devido às pressões elevadas no circuito.

 

Sistema de controlo do motor

 

A aplicação do sistema descrito abaixo requer circuitos de controlo altamente complexos devido à quantidade extensiva de informação. Para descrever as curvas de binário no Chiron, tiveram de ser feitas adaptações na aplicação e alterações no sistema. Um exemplo pode ser o modelo de cálculo da contra-pressão no sistema de escape, que calcula a dita contra-pressão e distribuição de massa através de equações de fluxo e quantidade de massa, assim como a modelagem da válvula bypass e a secção do flap no escape.

 

Sensores do motor

 

Um total de 71 sensores são usados na admissão, escape e sistemas de combustível, assim como no sistema de refrigeração para controlar e monitorizar o W16.

 

No sistema de escape, oito sondas lambda monitorizam a composição dos gases de escape. Quatro sensores de temperatura estão colocados junto destas, com quatro sondas lambda e dois sensores de temperatura por cada banco de cilindros. Além disto, dois sensores secundários de pressão de ar devem ser mencionados, embora não pertençam directamente ao circuito de escape.

 

Como pode ver na figura que se segue, as sondas lambda LSU estão posicionadas antes dos catalisadores e as sondas LSF depois destes. Sondas LSF precisaram de ser utilizadas para determinar a capacidade de armazenamento de oxigénio dos catalisadores quando se pretende determinar o envelhecimento destes.

 

 

 

A partir da localização das sondas LSU, os sensores de temperatura estão colocados ainda mais a nascente, em frente das turbinas. São usadas pelo modelo de temperatura de gases de escape, fornecido pelo software, para uma mais precisa medição. Isto ajuda o motor a funcionar numa gama de temperaturas mais próxima dos limites dos componentes, o que resulta num rendimento mais elevado.

 

Um total de três sensores de pressão e dois de temperatura, por cada bancada do motor, estão localizados no sistema de admissão e são usados para medir a massa de ar. Depois do filtro de ar, outro sensor é utilizado para medir a temperatura do ar e a pressão na frente do compressor. A pressão da carga é controlada e o rácio de pressão do compressor é determinado com a ajuda de um sensor de pressão na frente da borboleta de admissão. A velocidade do turbo-compressor é regulada de maneira a evitar excesso, com base nos valores medidos e através de sensores de velocidade.

 

Dois sensores de posição são utilizados para determinar a abertura da borboleta de admissão por questões de segurança. Outro sensor de posição é utilizado para ajuste da árvore de cames de admissão.

 

O sistema de combustível é dotado de dois sensores de pressão e um de temperatura, por bancada. Um sensor de temperatura e outro de pressão estão colocados na régua de injectores mais próxima do motor. A régua colocada no colector de admissão só tem um sensor de pressão.

 

Dois outros sensores de temperatura estão colocados no circuito de líquido refrigerante do motor. Os dados recolhidos por estes dão usados em vez dos métodos normais de aferição. Além destes, outros sensores são utilizados fora das categorias mencionadas anteriormente.

 

Primeiro, existe um sensor de pressão no reservatório de vácuo que é usado para controlo de válvulas, o sistema de ar secundário e diagnóstico de eventuais fugas no reservatório. Em segundo lugar, um sensor de temperatura de óleo, um interruptor de pressão de óleo e dois sensores de velocidade da cambota, em que um é usado exclusivamente pelo sistema BIS ion. Neste contexto, deve ser mencionado que as bobinas de ignição são utilizadas como sensores, para o sistema BIS ion, porque medem os sinais de corrente para este.

 

Medição de carga e modelo de contrapressão do sistema de escape

 

Uma potência de 1500 cv requer uma massa de ar de mais de 4400 Kg/h. Níveis de fluxo de até 70m/s são atingidos no sistema de admissão. Isto faz aumentar as perdas na admissão do turbo-compressor, reduzindo as pressões na admissão antes do compressor, que depois têm de ser compensadas aumentando o rácio de compressão, e consequentemente, com um aumento na velocidade do compressor. Além do aumento de carga nos componentes, a eficiência do compressor pode ser comprometida como também o nível de temperatura da carga.

 

Pelas razões acima descritas, é claro que as perdas na admissão têm de ser minimizadas. O circuito de admissão, com trajectos dos tubos optimizados, sem medidores de massa de ar convencionais, foi adoptado. Isto permitiu o uso de sensores de pressão para medir a carga do motor.

 

Para obter a precisão máxima do sistema, vários sensores de temperatura e de pressão foram utilizados. Os sensores de pressão medem a pressão estática nas paredes dos tubos e não influenciam o fluxo. Os sensores de temperatura estão localizados no fluxo, mas devido ao tamanho mínimo a perda de pressão é negligenciável. Além dos sensores no sistema de admissão, existem também sensores de pressão para medir a pressão atmosférica em ambas as unidades de controlo do motor.

 

Um desafio muito particular é a medição da carga em operações transitórias do motor. Gradientes de massa de ar de até 6600 Kg/h/s são atingidos devido às dinâmicas de velocidade e carga. O cálculo e entrega da massa de combustível necessária leva algum tempo, no qual a pressão e temperatura, na frente da válvula de admissão pode variar muito. Neste caso a massa de combustível injectada na admissão poderia não ser suficiente, com os desvios indesejados na relação ar/combustível. Mais sensores foram utilizados para contrariar este efeito. Por exemplo, mudanças no pedal do acelerador, válvula de admissão e ângulos das árvores de cames são levados em conta, assim como a velocidade dos turbo-compressores. Através de modelos de cálculo, a carga de ar estimada pode ser especificada e a necessária carga de combustível ajustada à necessidade da operação transitória.

 

Em contraste com os sistemas convencionais que medem a massa de ar, a contrapressão do escape precisa de ser levada em conta no sistema usado no Chiron, para calcular a carga. A contra-pressão influencia o conteúdo de gases residuais e, portanto, a quantidade da carga nova nos cilindros. Esta é calculada pela unidade de controlo do motor a partir dos seguintes parâmetros: pressão ambiente, temperatura de gases de escape, factor de activação dos flaps dos turbos secundários e o fluxo de massa de ar, calculado a partir de um novo modelo desenvolvido para esta aplicação.

 

Uma fase de testes extensiva, tanto em banco como no próprio veículo, foi necessária para assegurar que todos os modelos de cálculo funcionam enquanto o Chiron é conduzido. Variáveis essenciais como o ângulo das árvores de cames e o ângulo de abertura dos flaps necessitaram de uma cartografia completamente nova na unidade de comando, o que tornou o âmbito da aplicação consideravelmente maior. No entanto, o setup idealizado em bancada também tem influência na contrapressão do escape e, consequentemente, na carga dos cilindros. Devido à montagem do motor numa bancada, parte do sistema de escape é substituído por um tubo e uma ventoinha de extracção, o que implica que as leituras de contra-pressão não sejam iguais ás obtidas quando o motor está montado no veículo. Para obter resultados mais consistentes, foi montado um flap no sistema de extracção. O ângulo do flap foi regulado de acordo com as dimensões e o sistema real do Chiron. Uma ferramenta de medição foi desenvolvida, para avaliar a contra-pressão e é usada tanto em banco como no próprio veículo. Para a avaliação final da medição da carga, a câmara de testes foi exposta à pressão e temperatura ambiente, e o sistema de escape do veículo acoplado ao motor. Isto permitiu criar as mesmas condições de pressão como no próprio automóvel e um controlo de resultados mais fiável.

 

Controlo de pressão da carga

 

As variáveis calculadas no sistema de controlo do motor para medição de carga também são usadas para controlo de pressão. A solicitação do condutor, através do ângulo de abertura do pedal de acelerador, é usada para calcular uma pressão de carga alvo, que é comparada com o modelo de carga, activando diversos actuadores. Os actuadores seguintes são usados para o sistema de sobrealimentação sequencial: quatro válvulas proporcionais para controlar a válvula bypass, quatro para a válvula de re-circulação, dois motores para operarem os flaps do escape, duas válvulas de spool-up e duas válvulas de admissão.

 

 

Controlo Lambda

 

Conforme descrito, o novo colector de escape do Chiron desempenha um papel fundamental no sistema de sobrealimentação sequencial. Cada um liga todos os oito cilindros de uma bancada e separa o caudal de gases em dois canais, um para cada turbo-compressor. Um sensor Lambda de banda larga está instalado em cada canal para ajuste de mistura. O flap de regulação de fluxo está instalado num destes canais de escape. Isto permite a distribuição da massa de gases entre as turbinas a serem controladas.

 

Um circuito fechado de controlo lambda convencional não é possível com este sistema uma vez que não é possível identificar valores, em ambos os canais, para cada cilindro. O sensor fornece informação de todos os oito cilindros combinados. Um sistema próprio teve de ser desenvolvido para levar esta situação em conta. Assim cada banco de cilindros foi dividido em dois quads, cada um com quatro cilindros. Cada quad forma um circuito de regulação com um sensor lambda (cilindros 1-4 com o sensor 1 e cilindros 5-8 com o sensor 2). Como os dois circuitos se influenciam mutuamente devido à interferência dos gases de escape entre canais, um software, na unidade de controlo do motor, calcula esta influência a partir de variáveis como a carga e velocidade do motor e a posição do flap de regulação de gases, permitindo que sejam separados.

 

Sistema de corrente Ion para detecção de pré-detonação e falhas de ignição

 

O sistema de medição de corrente Ion, ou BIS (Bugatti Ion Sensing) é usado para detectar falhas de ignição ou pré-detonação, que contribuem significativamente para um decréscimo de fiabilidade num motor nesta categoria de performances.

 

No evento de uma falha de ignição, a mistura ar/combustível não é queimada, ou não o é completamente. Esta situação leva a uma perda de potência, danos no conversor catalítico e um aumento de emissões de escape.

 

A pré-detonação é causada pela auto-ignição da mistura antes do tempo. É bastante mais rápida do que a combustão normal e induzem altas temperaturas e pressões que podem causar danos irreversíveis ao motor, devendo, portanto, ser evitadas.

 

O princípio do BIS é baseado nos componentes da mistura ar/combustível serem divididos em pequenos fragmentos (íons) durante a combustão e depois formarem novas substâncias durante a libertação de energia, por exemplo na forma de calor e luz. Os íons formados brevemente durante a combustão são carregados electricamente e podem conduzir electricidade.

 

Uma voltagem directa é aplicada aos electrodos de cada vela, controlada pela bobina, para gerar corrente entre os ciclos de ignição. Como resultado, a corrente ion flui entre os contactos da vela durante a combustão. Esta corrente é uma medição de pressão, temperatura e a densidade de íons na câmara e permite que a combustão seja monitorizada. A forma da corrente ion é característica para certos processos de combustão e permite que condições indesejadas e prejudiciais sejam detectadas.

 

 

O sistema de medição recolhe dados a partir dos sinais de corrente medidos pelas bobinas para cada cilindro e, depois de uma avaliação, envia-os para a unidade de controlo do motor. Se pré-detonação ou falha de ignição forem detectadas, a unidade de controlo reage de acordo com a mensagem enviada.

 

Números

 

O motor W16 do Chiron alcança uma potência máxima de 1103 kW ou 1500 cv a uma velocidade do motor nominal de 6700 rpm.

 

 

Gera um binário máximo de 1600 Nm, que está constantemente disponível entre as 2000 e 6000 rpm, o que sublinha a sua excepcional posição. Comparado com os 1200 cv do Veyron Super Sport, a Bugatti conseguiu compensar um eventual déficit dinâmico na produção de binário, com o recurso à sobrealimentação sequencial. Além disso, o binário a baixa rotação é atingido 1000 rpm mais cedo, apesar do aumento de 1500 para 1600 Nm. Em particular, o plateau de binário, que vai das 1900 até às 6850 rpm, que atinge 95% do valor máximo deve ser destacado.

 

Sumário

 

O briefing de desenvolvimento do Chiron pode ser resumido numa frase, provavelmente a mais curta da história do automóvel: “queremos fazer o melhor…significativamente melhor!”

 

Aplicando este princípio ao motor, implicou que o já altamente complexo W16 e os seus periféricos, precisaria de melhoramentos extensivos. O resultado é o motor de produção mais potente, para o supercarro mais exclusivo, que estabelece novos standards em todos os níveis.

Com uma potência máxima de 1500 cv e uns impressionantes 1600 Nm, o motor com quatro turbo-compressores e um design compacto, graças à configuração em W, realça a sua singularidade.

 

Implementado a sobrealimentação sequencial como uma garantia para um binário bastante disponível, a Bugatti logrou criar um motor com uma resposta fenomenal, apesar do aumento considerável em potência.

 

O novo W16 para o Bugatti Chiron define números de topo para automóveis de produção, em termos de prestações e agilidade. Implementando metas ambiciosas, os requisitos no segmento de supercarros de produção foram alcançados convincentemente e performances únicas obtidas em comparação com a concorrência. 

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