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

20/11/2013 17 comentarios →

por JMJ en Destacados, Formula 1, Técnica

En la Fórmula 1 existen (o existían) varios factores determinantes que deciden la posición de un equipo en la tabla de resultados y, en gran medida, el espectáculo: piloto, chasis (suspensión), aerodinámica, estrategia (equipo), etc. La relevancia de cada uno de estos factores depende en gran medida del reglamento vigente cada año y, por otra parte, el coste de desarrollo de cada uno de ellos puede diferir considerablemente.

La FIA, en su afán reductor de costes, ha dejado en la cuneta varios de estos activos, en concreto los más costosos económicamente, con la consiguiente pérdida para el espectáculo. El caso más representativo ha sido el factor motor.

Yo soy de los que considera que sin motor no hay competición, que es el verdadero corazón del automovilismo, el buque insignia de cada fabricante y estandarte de poderío tecnológico. Su desarrollo supone un elevado coste económico para los constructores, el clima de elevada competitividad de la Fórmula 1 obliga a gastar grandes sumas de dinero. Por ello, la FIA impone limitaciones cada vez más restrictivas a su diseño; pero la pericia y creatividad de los ingenieros siempre ha ido por delante de las restricciones, consiguiendo minimizar los efectos negativos de las restricciones. Y esto ha pasado a lo largo de la historia de la Fórmula 1 al menos en dos ocasiones con un paralelismo importante: en ambas ocasiones se superaron los 1.000 cv de potencia cuando en las oficinas de la FIA saltó la voz de alarma. Estamos hablando, por supuesto, de la era turbo de los años ’80 y de la era de los atmosféricos a partir del año 2000, en otras palabras, se puede hablar de la carrera por la presión de los turbos (hasta 5,5 bares en clasificación) y la carrera por el régimen de giro del motor (se superaron las 20.000 rpm). En el momento álgido de la fiesta llegaron las restricciones: en 1987 la presión de admisión (soplado de turbo) se limitó a 4 bares y en 1988 fue de 2,5 bares, además de imponerse limitaciones al consumo; por su parte, las revoluciones se limitaron a 19.000 rpm en 2007 y a 18.000 rpm 2009, además de incluirse requisitos de durabilidad más allá de una carrera.

BMW estuvo presente en ambas historias, la turbo y la atmosférica, y de forma brillante. Tanto es así que llegó a convertirse en el fabricante de motores de referencia en ambos casos. Merece la pena rescatar un artículo que Mario Theissen escribe junto a otros colegas de BMW sobre la historia de los motores BMW entre los años 2000 y 2009 para el Internationales Wiener Motorensymposium 2010. La historia no está contada desde cualquier punto de vista, el Prof. Dr.-Ing. Mario Theissen (Alemania, 1952) era director de BMW Motorsport y posteriormente jefe del equipo BMW Sauber F1 durante esos años.

Nosotros lo hemos disfrutado y traducido para vosotros, disfrutadlo. Lo iremos exponiendo a lo largo de varios artículos.

Mario Theissen.

Definiciones de interés:

Caballo de potencia (hp, horsepower). Es una magnitud de potencia definida sobre unidades del sistema anglosajón de unidades. Su equivalencia con la potencia expresada en unidades del sistema internacional de unidades (caballo de vapor, cv) es la siguiente: 1 hp = 1,01387 cv ó 1 cv = 0,98632 hp.

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

Resumen

Los motores BMW brindaron presencia a la compañía en Fórmula 1 desde el año 2000 al 2009. La totalidad del proyecto puede dividirse en una primera fase preparatoria, los años en los que figuró como proveedor oficial de motores del equipo Williams, y una segunda fase en la que la compañía compitió con su propio equipo, BMW Sauber F1 Team. Concepción, diseño y despliegue de los motores estaban regulados por la normativa de Fórmula 1, que era objeto de modificaciones prácticamente todos los años. La reducción de costes era el objetivo principal de estas revisiones. Los costes de desarrollo fueron reduciéndose gradualmente como resultado de las restricciones técnicas impuestas sobre los equipos y, finalmente, por medio de la homologación y la congelación en el desarrollo. Los costes de fabricación de los motores se vieron limitados por el aumento de kilometraje requerido a cada motor y por las restricciones impuestas a las pruebas. Por tanto, se requirió un menor número de motores a lo largo de cada temporada. Un segundo objetivo, reducir la potencia de los motores, fue alcanzado al pasar de motores V10 de 3,0 litros de cilindrada a motores V8 de 2,4 litros de cilindrada en la temporada 2006.

En sus primeros años en Fórmula 1, BMW desarrolló y construyó un nuevo motor por temporada como respuesta a un entorno de alta competitividad. Esta elevada actividad generó en el motor de BMW rápidas mejoras en entrega de potencia y peso, lo que le llevó en poco tiempo a ser la referencia dentro de la Fórmula 1. En años posteriores, los trabajos de desarrollo se centraron en incrementar durabilidad (kilometraje) y fiabilidad sin modificar el concepto y esencia del diseño. El motor P86/9 de la temporada 2009 alcanzaba la misma potencia que el motor E41/4 introducido al principio de la temporada 2000 pero con una disminución del 20% en la cilindrada mientras que su durabilidad se multiplicó por cinco hasta más allá de los 2.000 km. Las distintas generaciones de motores y sus características clave de diseño serán descritas, así como el equipo y la experiencia acumulada en el proyecto.

Índice

Resumen del proyecto.
Fase de preparación.
Criterios de diseño de un motor de Fórmula 1.
Estreno en la temporada del año 2000.
Diseño conceptual para el año 2001.
Motor P80 para la temporada del año 2001.
Motor P82 para la temporada del año 2002 y diseños posteriores.
Motor P85.
El reglamento de la arquitectura V8.
Resumen final.
Conclusiones.

1. Resumen del proyecto

La implicación de BMW en la Fórmula 1 desde el año 2000 puede dividirse en tres fases: periodo de preparación, seis años como proveedor de motores del equipo Williams y cuatro años con su propio equipo BMW Sauber F1 Team. Aunque el enfoque y el alcance del proyecto cambiaron significativamente a lo largo de su vida, un principio básico se mantuvo imperturbable: el motor era desarrollado, construido y desplegado desde Múnich.

Ilustración 1. Fases del proyecto de BMW en Fórmula 1.

2. Fase de preparación

La decisión de participar en la Fórmula 1 fue anunciada en Septiembre de 1997, en una época en la que los grandes fabricantes de automóviles comenzaban estar más implicados en esta competición. Ferrari comenzó a recibir mayor apoyo por parte de Fiat, Mercedes-Benz iba a participar como integrante del equipo McLaren, Renault había comprado el equipo Benetton, Jaguar -a través de Ford- tomó el control de Stewart, Honda había convertido su apoyo a BAR en una compra en curso, Toyota irrumpió con su propio equipo oficial y Peugeot figuraba como proveedor de motores. Un total de once equipos usaban un total de diez motores distintos en el año 2000 ya que Ferrari, Honda y Ford suministraban a los equipos no oficiales versiones antiguas de sus motores. Esta fue una etapa de desarrollo incesante.

Fabricante	Modelo	Arquitectura	Equipo
BMW	E41/4	V10 a 72°	Williams
Ferrari	049 B-C	V10 a 90°	Ferrari
Ferrari	048/04 A	V10 a 80°	Sauber
Ford Cosworth	CR2	V10 a 72°	Jaguar
Ford Cosworth	Zetec-R	V10 a 72°	Minardi
Honda	RA 000 E	V10 a 80°	BAR
Honda Mugen	MF-301	V10 a 72°	Jordan
Mercedes Ilmor	F 110J	V10 a 72°	McLaren
Peugeot	A20 Evo4	V10 a 72°	Prost
Supertec	FB 02	V10 a 71°	Benetton Arrows

Ilustración 2. Motores y equipos en la temporada del año 2000.

BMW también decidió iniciar su camino como proveedor para acceder a la Fórmula 1. La compañía ya contaba con una considerable experiencia en su haber, por lo que se forjó una prometedora alianza con el equipo por excelencia de la década de 1990, Williams F1. Esta experiencia radicaba en un pequeño equipo dirigido por Paul Rosche, que había continuado trabajando en tecnología y conceptos aplicables a un futuro motor de Fórmula 1 después del final de la era turbo. Durante este periodo se estudiaron arquitecturas de 8, 10 y 12 cilindros así como culatas de 4 e incluso 5 válvulas por cilindro y algunos de ellos fueron construidos para su estudio.

Ilustración 3. Motores V12 experimentales de BMW.

La luz verde en 1997 para el proyecto de entrada en la Fórmula 1 desató una carrera contra reloj en varias áreas. El equipo tuvo que ser ampliado de 25 empleados a más de 200 y se construyó una nueva planta para la Fórmula 1, todo para comenzar el desarrollo del motor para la temporada del año 2000. En esta fase se mantuvo una transferencia intensiva de tecnología entre la Fórmula 1 y la producción en serie:

El hardware y el software de la gestión del motor fue desarrollado y fabricado en un departamento de electrónica de la casa, que contaba incluso con medios para construir prototipos. El KERS también fue creado en estas dependencias. Actualmente este departamento se centra en el desarrollo de tecnologías híbridas para vehículos de producción en serie.
Se construyó una fundición para el proyecto de Fórmula 1 con el objetivo de aplicar los últimos avances en fundición de aleaciones ligeras con la máxima precisión y libertad de diseño. La culata de aluminio desarrollada mediante esta tecnología precisó un molde con 86 piezas individuales con un espesor mínimo de pared de 2,5 mm. Esta fundición se ha convertido con el paso de los años en el Centro de Innovación y Tecnología de BMW para Aleaciones Ligeras.

Ilustración 4. Molde para la culata.

Se desarrolló una planta para la fabricación de componentes mecánicos que era capaz de ofrecer la máxima precisión y abordar varios tratamientos superficiales. Su programa de producción abarcaba culatas, cárter, cigüeñal, árboles de levas, bielas y otros componentes. El desarrollo de la tecnología de recubrimiento de carbono DLC –Diamond-Like Carbon– permitió a BMW desvincularse de un proveedor monopolista. Esta experiencia se usa también ahora en el resto de la red de producción de BMW.

Los amplios avances conseguidos dentro de la casa proporcionaron un impulso sostenido a la tecnología de fabricación de motores en general y una ventaja clave para el proyecto de Fórmula 1 en concreto:

Los ingenieros de desarrollo y los especialistas en producción dentro del equipo trabajaron conjuntamente para apurar al máximo los límites de diseño.
El análisis del proceso completo de producción y la eliminación de los requisitos logísticos entre etapas individuales de producción permitió mejorar los niveles de calidad y reducir tiempos muertos y costes.

3. Criterios de diseño de un motor de Fórmula 1

El reglamento de Fórmula 1 proporciona las limitaciones a tener en cuenta en el desarrollo del motor. Dicho reglamento fue modificado y ajustado de manera significativa en varias ocasiones a partir del año 2000. Los cambios fueron motivados principalmente por la intención de reducir la potencia y los costes de desarrollo, fabricación y operación de los motores.

Año	Modificación
2000	Motor de 3,0 litros atmosférico con 12 cilindros como máximo.No existe restricción de uso (duración estimada: 400 km).
2001	Solo se permiten motores con arquitectura V10.
2002	–
2003	Uso de un motor para calificación y carrera (500 km).
2004	Uso de un motor para todo el fin de semana (800 km).
2005	Uso de un motor para dos fines de semana (1.600 km).
2006	Motor de 2,4 litros con arquitectura V8 con un peso mínimo de 95 kg.Especificaciones técnicas minuciosamente detalladas por reglamento.
2007	Régimen máximo de giro: 19.000 rpm.Homologación para 3 años.Modificaciones permitidas por la FIA solo en caso de defectos.
2008	Uso de un motor para dos fines de semana (sábado y domingo, 1.200 km).Prohibición de materiales exóticos.Electrónica unificada para todos los equipos.
2009	Régimen máximo de giro: 18.000 rpm.Número máximo de motores por temporada y piloto: 8 (2.000 km).

Ilustración 5. Evolución del reglamento de motores.

A diferencia de lo que ocurre en el caso de cualquier motor de producción en serie usado en cualquier coche alrededor del mundo, los requisitos exigidos a un motor de Fórmula 1 son muy concisos y críticos: potencia, peso, compacidad y fiabilidad. La principal área de progreso en estos 10 años ha sido la fiabilidad. A pesar de cubrir 5 veces el kilometraje y generar una mayor potencia específica, la tasa de fallo es ahora -2009- menor que en el año 2000. Esto se ha conseguido mejorando el proceso de fabricación y aplicando tolerancias de fabricación muy reducidas, materiales y superficies más duraderos y garantizando un control de calidad pormenorizado para cada pieza individual. En el caso de las bielas, por ejemplo, la menor fluctuación de la aleación o la mínima desviación de las tolerancias pueden suponer la diferencia entre el fallo prematuro y el motor que cubre el kilometraje esperado en diseño sin ningún contratiempo.

La migración en 2006 a motores de 2,4 litros de cilindrada, arquitectura V8 y un peso mínimo de 95 kg fue un momento clave en el desarrollo del motor en términos de potencia y peso.

Ilustración 6. Curva de rigidez torsional global del coche.

Además de estos criterios de diseño, la colocación de un motor de Fórmula 1 también ha de ser tenida en cuenta. El motor es el único nexo de unión entre el chasis monocasco y la parte trasera del coche y, por lo tanto, es un elemento con una elevada solicitación estructural. Las primeras reticencias por la falta de rigidez del motor cuando se adoptó esta solución estructural resultaron ser erróneas puesto que el motor es uno de los elementos con mayor rigidez relativa del conjunto.

Hasta aquí, la primera entrega de este artículo. Seguirán más y más interesantes.

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