10 años de motores BMW en Fórmula 1 (parte 2)

Continuamos con la andadura de los motores de BMW en la Fórmula 1 durante la primera década del siglo XXI narrada por un actor y espectador privilegiado, Mario Theissen, director de BMW Motorsport y posterior jefe del equipo BMW Sauber F1, y traducida al castellano por 8000vueltas.com.

Si no has leído la primera parte, por favor, hazlo, es una historia escrita de principio a final en varios artículos sucesivos.

En aquella primera parte se abordaba todo lo relacionado con los datos preliminares del proyecto de la vuelta de BMW a la Fórmula 1 como suministrador de motores y posteriormente como escudería, es decir, la situación interna del propio fabricante en cuanto a actividad de desarrllo y competición y los detalles del desarrollo de dicho proyecto, así como el análisis de sus principales competidores, la normativa existente en el año 2000 y su evolución a lo largo de los sucesivos años, posibles conceptos y opciones de diseño para el motor, etc.

En esta parte, el artículo ya se centra en los detalles del desarrollo del primer motor para la temporada del año 2000 y de las distintas evoluciones que sufre dicho propulsor a lo largo de todas las temporadas de la época 3 litros V10 y cómo se va adaptando las limitaciones impuestas por el reglamento.

Motor BMW P82.

Definiciones de interés:

  • Deep skirt. Traducido literalmente, falda profunda. Se trata de una arquitectura del bloque motor en la que las paredes inferiores se extienden por debajo del cigüeñal hasta la tapa del cárter, que será  plana. Los cojinetes de dicho cigüeñal se fijan con cierres independientes.

Despiece del bloque de un motor V8 con arquitectura deep skirt.

  • Moldeado en arena (sand casting). Es un tipo de fundición en el que se usa un patrón de la pieza que se desea fabricar para generar un molde de arena de dicha pieza. Posteriormente el patrón se retira y se vierte el metal fundido en el molde de arena. Una vez solidificado el metal, el molde se retira o se rompe para liberar la pieza terminada.
  • Moldeado por inmersión (investment casting). Es un tipo de moldeado en arena para piezas complejas en el que los patrones son fabricados en cera. Una vez que se ha aplicado la arena a estos patrones para obtener el molde, estos patrones se someten a temperatura para eliminarlos. De este modo ya está preparado el molde para recibir el metal fundido para fabricar la pieza final. Es más caro y complejo que el moldeado en arena.

Sin más dilación, la segunda entrega.

 


Prof. Dr.-Ing. Mario Theissen, Dipl.-Ing. Markus Duesmann, Dipl.-Ing. Jan Hartmann, Dipl.-Ing. Matthias Klietz, Dipl.-Ing. Ulrich Schulz
BMW Group, Munich

10 años de motores BMW en Fórmula 1

Índice
  1. Resumen del proyecto.
  2. Fase de preparación.
  3. Criterios de diseño de un motor de Fórmula 1.
  4. Estreno en la temporada del año 2000.
  5. Diseño conceptual para el año 2001.
  6. Motor P80 para la temporada del año 2001.
  7. Motor P82 para la temporada del año 2002 y diseños posteriores.
  8. Motor P85.
  9. El reglamento del motor V8.
  10. Resumen final y conclusiones.
  11. Pronóstico, el futuro.
4. Estreno en la temporada del año 2000

Arquitectura V10 a 72°
Cilindrada [cc] 2.998,0
Diámetro [mm] 94,00
Carrera [mm] 42,30
Distancia entre ejes de cilindro [mm] 107,0
Desfase entre bancadas [mm] 20,5
Longitud total [mm] 620,0
Anchura total [mm] 524,0
Altura total [mm] 395,0
Peso [kg] 117
Altura del c. de gravedad [mm] 167,0
Potencia máxima [hp] 810
Par máximo [Nm] 350
Régimen máximo [rpm] 17.500
Nº de válvulas 40
Válvulas de admisión, titanio [mm] 40,50
Válvulas de escape, titanio [mm] 31,20
Ilustración 7. Especificaciones del motor BMW E41/4.

A pesar de ser libre la elección del número de cilindros, desde el año 1998 todos los fabricantes optaron por el uso de motores con arquitectura V10; Ferrari había utilizado previamente motores V12 y Ford competía con motores V8. El motor de carreras BMW E41/4 destinado a la temporada del año 2000 fue igualmente un V10 consistente en una evolución de los motores experimentales ya construidos por BMW hasta la fecha. Su desarrollo estuvo rodeado de dificultades; el tiempo disponible para ello fue muy escaso, el equipo aún estaba en proceso de cohesión, no había procedimientos establecidos, la normativa de calidad estaba incompleta y la improvisación fue una constante en la logística de las piezas. En el inicio de la temporada del año 2000 el motor E41/4 aún no estaba completamente listo y la tasa de fallo fue consecuentemente elevada. El motor rendía aproximadamente 750 hp a un régimen máximo de 17.000 rpm. Conforme avanzaba la temporada, se produjeron avances significativos en términos de ingeniería y procesos que permitieron que el motor llegase a entregar 810 hp a un régimen máximo de 17.500 rpm. BMW se había establecido en la Fórmula 1 con el E41/4.

En cuanto a su diseño, el motor E41/4 era un V10 de dimensiones conservadoras: un espaciado entre ejes de cilindro de 107 mm y un diámetro de cilindro de 94 mm permitían una refrigeración generosa de las cavidades entre cilindros y un ángulo entre bancadas de 72° daba lugar a intervalos de encendido uniformes y equilibrados. En este motor las dimensiones externas y peso del motor eran superiores que en el caso de los motores desarrollados por los principales rivales. Al final de la temporada, el motor E41/4 era una propuesta competitiva en términos de rendimiento y fiabilidad.

Ilustración 8. Parte inferior del cárter del motor BMW E41/4.

Una característica especial del diseño de este motor fue la integración de las bombas y componentes auxiliares en unos montantes tubulares en la mitad inferior del cárter. Esta configuración supuso un aspecto crucial para conseguir una extremada rigidez torsional (92 kNm/°) en la construcción del E41/4, pero su ensamblaje y su mantenimiento era extremadamente complejo. En el flanco derecho se alojan siete bombas de retorno equipadas con rotores de plástico –una para cavidad de cárter, una para cada culata y una para la transmisión-. Además, el aire era separado del aceite mediante un centrifugador. En el flanco izquierdo, tras el filtro de aceite de fácil acceso, se encontraba la bomba principal de aceite y a continuación se alojó el alternador y la bomba hidráulica. Entre la bomba principal de aceite y el alternador la velocidad de giro del árbol de accionamiento se multiplicaba por medio de pequeño grupo planetario. En ambos flancos se encontraban integradas además sendas bombas de agua por delante del resto de componentes citados.

5. Diseño conceptual para el año 2001

Desde la puesta en escena del motor E41/4 estaba claro que era esencial desarrollar un nuevo diseño conceptual para dar el salto de calidad necesario para estar delante de los mejores. La primera característica sometida a examen fue el número de cilindros; un V8 sería más corto y ligero y ofrecería ventajas en circuitos muy virados, como el de Mónaco, mientras que un V12 generaría un mayor pico de potencia gracias a una mayor velocidad de giro del motor y sería superior en circuitos con velocidades altas, como el de Monza. Se sabía que Toyota estaba desarrollando su propio V12 y en consecuencia se confeccionaron planes de negocio para varios desarrollos en paralelo de elevado coste. Consecuentemente fue en este momento cuando la FIA intervino y estipuló el uso único de la arquitectura V10 en el reglamento desde 2001.

Por otra parte, para el diseño del motor E41/4 se habían estudiado distintos ángulos entre bancadas. La solución más estándar era la de un ángulo entre bancadas de 72°, que aseguraba intervalos de encendido uniformes y permitía el diseño de un motor estrecho –un aspecto muy positivo para la aerodinámica del coche–. No obstante, esta arquitectura no era óptima en términos de vibraciones y altura del centro de gravedad. Se consideró que la mejor solución valorada en su conjunto era la de un ángulo entre bancadas de 90° para el motor BMW P80. Y no fue este el único punto distintivo del P80 respecto al E41/4 sino que fue un diseño completamente nuevo.

6. Motor BMW P80 para la temporada del año 2001

Arquitectura V10 a 90°
Cilindrada [cc] 2.998,0
Diámetro [mm] 95,00
Carrera [mm] 42,30
Distancia entre ejes de cilindro [mm] 103,5
Desfase entre bancadas [mm] 19,0
Longitud total [mm] 598,0
Anchura total [mm] 556,0
Altura total [mm] 340,5
Peso [kg] 105
Altura del c. de gravedad [mm] 145,0
Potencia máxima [hp] 880
Par máximo [Nm] 350
Régimen máximo [rpm] 18.000
Nº de válvulas 40
Válvulas de admisión, titanio [mm] 41,00
Válvulas de escape, titanio [mm] 32,65
Ilustración 9. Especificaciones del motor BMW  P80.

Desde el momento en que quedó demostrado que la elevada rigidez estructural proporcionada por el motor E41/4 era innecesaria, la solución de bancada integrada se desestimó en favor de un esquema de bloque motor con paredes de cárter integradas –deep skirt– en el que los soportes de cojinete van por separado pero están geométrica y estructuralmente integrados. Los elementos auxiliares se montarían periféricamente, con lo que disminuiría la rigidez estructural del motor en favor de una reducción de la tasa de fallos por fabricación.

La altura a la que iba alojado el eje del cigüeñal se redujo de 76 mm a 65 mm gracias a nuevos contrapesos atornillados y fabricados en metal pesado y a una mínima separación entre bielas y tapa inferior del cárter.

El motor P80 también estrenó unas culatas totalmente nuevas. Ahora la conexión entre el motor y el chasis del vehículo no se realizaba a través de la tapas de culata sino a través de las mismas culatas, lo que permitió reemplazar las pesadas tapas de culata por otro par de ellas mucho más ligeras. El probado y contrastado sistema de distribución neumática del motor E41/4 se mantuvo.

Estas y otras modificaciones menores hicieron del P80 un motor más ligero y compacto que el motor E41/4, además de ofrecer un centro de gravedad más bajo.

El desarrollo de una culata en la que las mariposas de admisión y las válvulas de ralentí estuvieran integradas, la revisión de los conductos de admisión y balancines y la modificación de las levas permitió incrementar el régimen de giro hasta las 18000rpm y la potencia hasta los 880 hp.

Motor BMW E41/4, temporada 2000
Motor BMW P80, temporada 2001
Motor BMW P82, temporada 2002
Peso del motor [kg]
  • E41/4: 117.
  • P80/1: 105.
  • P82: 86.

Altura del c. de gravedad [mm]

  • E41/4: 167.
  • P80/1: 145.
  • P82: 125.

Ilustración 10. Comparación en vista frontal de los motores BMW E41/4, P80 y P82.

7. Motor BMW P82 para la temporada del año 2002 y versiones posteriores

BMW se había puesto a la cabeza en términos de potencia con el motor P80, pero todavía existía un completo abanico de posibilidades de mejora en peso y dimensiones. Estas soluciones fueron implementadas sistemáticamente en el motor P82, cuyos 86 kg de peso supusieron la referencia en esta categoría.

El motor P80, al igual que el motor E41/4, hacía uso de dos bombas de agua, una para cada bancada de cilindros, con dos sistemas de refrigeración independientes. Cada bomba contaba con un caudal máximo de 250 l/min. Ahora, en el motor P82, se recurre a un sistema de refrigeración provisto de una única bomba de agua con un caudal máximo de 450 l/min. Desde dicha bomba, alojada en el costado izquierdo del motor, el líquido refrigerante fluía a través de un conducto fabricado en fibra de carbono y situado en el espacio entre las dos bancadas de cilindros, en ese momento dicho refrigerante pasa a ser distribuido a ambas bancadas a través del bloque del motor. Desde ahí el lubricante pasa a las culatas a través de los orificios antirretorno calibrados. El refrigerante de la culata izquierda fluye directamente hacia el radiador mientras que el refrigerante de la culata derecha es redirigido a la entrada de la bomba a través de un conducto integrado en la tapa de la trasmisión de la distribución, también fabricada en fibra de carbono. Es en este punto en el que dicho refrigerante se mezcla con el refrigerante enfriado procedente del radiador. Este mecanismo de refrigeración redujo a la mitad el flujo de refrigerante a través del radiador y simplificó el diseño del sistema de refrigeración.

Ilustración 11. Esquema de refrigeración del motor BMW P82.

La longitud total del motor disminuyó en más de 11 mm con la ayuda de una nueva reducción de la separación entre cilindros y del desfase entre bancadas y por una optimización de la trasmisión de la distribución y de los componentes auxiliares. El replanteamiento del sistema de refrigeración permitió el uso de culatas más compactas. Adicionalmente, se redujo más de 3 mm la altura del cigüeñal y las bielas se acortaron; estas medidas redujeron las cotas verticales del bloque motor y la altura total del motor disminuyó 15 mm (Ilustración 10).

Por otra parte, el diámetro de los cojinetes principales y de las bielas redujo a 42 mm y 36 mm respectivamente. Esta medida, junto con el taladrado de los muñones del cigüeñal, consiguió un ahorro de peso de 1 kg en el cigüeñal.

Ilustración 12. Sección del cigüeñal del motor BMW P82 con reducción de peso por medio del taladrado de los muñones del cigüeñal.

La implementación de un proceso optimizado para la fundición de aluminio con molde de arena en la fundición de Landshut, propiedad de BMW, en el que se empleaban moldes de arena sinterizada, permitió una mayor libertad a los ingenieros de diseño; ahora era posible fabricar componentes con un espesor de pared menor de 2 mm –aplicando técnicas de moldeado por inversión–. Las medidas anteriormente descritas, mejoras en varios detalles y el uso extensivo de componentes fabricados en fibra de carbono contribuyeron a un ahorro aún mayor de peso, reduciendo el peso del motor en más de 19 kg hasta los 86 kg de peso total.

El rendimiento del motor mejoró, entre otras cosas, debido a mejoras en la distribución y en los pistones, permitiendo al motor alcanzar un régimen máximo de giro de 19.000 rpm. Adicionalmente, a mitad de temporada se introdujeron colectores de inyección de alta presión que incrementó la potencia máxima hasta los 895 hp.

El motor BMW P83 para la temporada del año 2003 estaba basado en el motor P82, pero incorporaba mejoras en varios aspectos. Se mejoró la curva de entrega de potencia, las pérdidas por rozamiento se minimizaron gracias a numerosas mejoras individuales y el peso se redujo en más de 2 kg. Para conseguir la distribución de masas deseada en el coche, a lo largo de la temporada se incorporaron cárter y tapas de cojinetes principales de bronce para trabajar como lastre. Al final de la temporada, el motor P83 estaba produciendo 940 hp a un régimen de 19.000 rpm.

El reglamento para la temporada del año 2004, que doblaba los requisitos de kilometraje para los motores, marcó la pauta para el trabajo de desarrollo del motor P84. De nuevo, fue un caso de desarrollo continuista prestando especial atención a los componentes críticos con mayor solicitación estructural y probabilidad de fallo.

Con el objetivo de garantizar la fiabilidad de dichos componentes –principalmente pistones, cojinetes y válvulas– la potencia máxima del motor tuvo que ser reducida en aproximadamente 10 hp, aunque se recuperó rápidamente. La variante P84/5, que fue la que llegó a las parrillas de la temporada del año 2005 alcanzó una potencia de 950 hp en las últimas dos carreras.


Hasta aquí la segunda parte.

Continuará…

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12 comentarios en “10 años de motores BMW en Fórmula 1 (parte 2)”

  • crosser

    16 de enero de 2014 a las 16:53

    Se me ha vuelto a hacer corto!!
    Impresionante, sin duda.
    Digamos que es como un cursillo rápido de como diseñar un motor y ser competitivo.

  • nachetetm

    16 de enero de 2014 a las 16:57

    Lo he dicho muchas veces, y me volveré a repetir. Me gusta mucho más una F1 “de motores” que una “de alerones”. Pero todo ha ido al contrario, y no veo que esto vaya a cambiar pronto. Esta temporada habrá emoción con los motores nuevos, pero me temo que la emoción no durará más allá del segundo año de los motores turbo.

  • arribi

    16 de enero de 2014 a las 19:50

    a mí también se me ha hecho cortísimo. me encantan este tipo de artículos. cuando he leído en twitter que publicabais este artículo me habéis alegrado el día (aunque suene a topicazo es cierto).

    por cierto, cuando decís moldeado por inmersión os referías al moldeado por cera perdida ¿no?
    http://youtu.be/XzebdP1Sv_4

  • Autor Staff

    JMJ

    16 de enero de 2014 a las 23:19

    @arribi

    Así es, es el moldeado a la cera perdida. Gracias por el video, muy gráfico y muestra las posibilidades infinitas de este método.

    Saludos.

  • Marcos

    16 de enero de 2014 a las 23:23

    Enzo ferrari ya dijo que la aerodinámica era para el que no sabía hacer motores.

    Magnífico artículo muy técnico y preciso sencillamente bordado.

    Gracias por la traducción!!

  • Sr.Kiwi

    18 de enero de 2014 a las 18:55

    Gran artículo, muy didáctico para los amantes de los motores

    Una pena que la F1 actual haya acabado en lo que es, una procesión en la que gana el que más se queja, logrando moldear los elementos externos a sus necesidades… Este 2014 espero sea una excepción, porque en 2015 volverá a ser un replay del 2012 y 2013…

  • Blade

    20 de enero de 2014 a las 00:45

    En primer lugar, enhorabuena por el gran trabajo de calidad que haces con estas publicaciones, y más sabiendo por experiencia, el curro que lleva la traducción de conceptos técnicos al castellano.

    En segundo lugar, se que los motores de la F1 son muy puntiagudos, pero ¿cifras tan bajas de par?.

    En tercer lugar, sabía que utilizaban filtros centrífugos e imanes, para filtrar el aceite, ¿pero filtran tanto como para separar el aire del aceite?¿Para que separan el aire del aceite?

    ¿Porque 72º de bancada del motor da mayores vibraciones que uno a 90º? En los dos casos se utilizan contrapesos en el cigüeñal.

    Saludos!

  • Autor Staff

    JMJ

    22 de enero de 2014 a las 21:57

    @Blade

    Muchas gracias por valorar el trabajo que realizamos. Intentaré contestarte a las tres preguntas:

    1.- Como bien comentas, estos motores son muy puntiagudos. Durante el tiempo que duró en la Fórmula 1 la lucha por aumentar la potencia del motor atmosférico de 3 litros la única forma de avanzar era por medio del aumento de las revoluciones, lo que te lleva a pensar que con el par no se pueden hacer maravillas, al menos en los motores atmosféricos; los motores turbo y los diesel son otra historia.

    Para hacernos una idea, si el motor BMW P83 de Fórmula 1 producía 940 hp (701 kW) a 19.000 rpm, echando cuentas, el par que desarrolla en esas condiciones es de 352 Nm. Puede ser poco par, pero es que las revoluciones son altísimas y recordemos que: potencia [W] = par [Nm] x vel. giro [rad/s].

    En cuanto a motores de calle, el motor S54B32 del BMW M3 E46 ofrece una potencia máxima de 343 cv (338 hp ó 252 kW) a 7.900 rpm, lo que nos indica que el motor produce un par de 304 Nm en esas condiciones. Por su parte, un VW Golf V R32 cuenta con una pontecia máxima de 250 cv (247 hp ó 184 kW) a 6300 rpm, es decir, un par de 279 Nm. Como ves, hay poco margen de aumento del par en motores atmosféricos.

    2.- No tengo mucha idea de lubricación de motores, pero la separación por centrifugado es una tecnología muy extendida en el sector industrial y es viable siempre que exista una mínima diferencia de densidad entre los componentes a separar. Por ponerte un ejemplo, se emplea incluso en el sector nuclear para el enriquecimiento de uranio, cuando se separa en estado gasoso el U-238 (uranio natural) del U-235 (isótopo de uranio), que tienen una mínima diferencia de masa.

    Es imprescindible eliminar las burbujas de aire del lubricante, puesto que este aire origina una importante pérdida de carga en la bomba así como desgaste y fallos prematuros por fenómenos relacionados con la cavitación.

    Si te interesa, puedes leer un par de artículos interesantes sobre lubricación en motores de competicón (gracias, Ndres):

    3.- Que el cigüeñal tenga contrapesos o esté equilibrado no implica que el motor en su conjunto esté equilibrado o no tenga vibraciones, existen otros muchos factores como el ángulo entre bancadas o el orden de encendido que determinan las vibraciones. Por norma general, el motor V10 no es una arquitectura equilibrada por sí misma, como es el caso de los L6, ya que presenta vibraciones de segundo orden (con una frecuencia igual al doble del giro del cigüeñal) que solo pueden mitigarse añadiendo dos ejes contrarotatorios de equilibrado.

    Es un tema complejo. Si te interesa, puedes leer estos documentos:

    Un saludo.

  • Blade

    23 de enero de 2014 a las 12:45

    @JMJ

    Muchas gracias por la respuesta, y ya tengo lectura pal fin de semana.

    Un saludo, y enhorabuena por vuestro envidiado trabajo! XD

    Un saludo.

  • Autor Staff

    JMJ

    23 de enero de 2014 a las 16:25

    @Blade

    Tal vez me equivoqué yo al agradecerte que valorases nuestro trabajo. Realmente, no es un trabajo, es amor al arte. Sabéis que cada de nosotros tiene se trabajo fuera de 8000vueltas y esto es pura pasión por los coches, no hay más intereses.

    Un saludo.

  • Blade

    24 de enero de 2014 a las 01:06

    @JMJ

    Si en mi primer comentario te agradecí el trabajo realizado por: original, técnico y de calidad, como trabajo realizado por periodista profesional (que ya podía haber más periodismo técnico en español como el vuestro); después de que me hayas aclarado que es un hobby, solo hace aumentar más mi admiración por vuestro trabajo en el blog y por tener ganas de transmitir conocimiento después de vuestro trabajo principal.

    Me quito el sombrero. Olé!

  • Tao

    31 de enero de 2014 a las 01:16

    Gracias.

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