10 años de motores BMW en Fórmula 1 (parte 3)

05/02/2014 18 comentarios →

por JMJ en Competición, Formula 1, Técnica

Tras la primera parte y la segunda parte de la traducción de este interesante artículo sobre los motores BMW de Fórmula 1 durante la primera década del Siglo XXI, os presento la tercera y última parte del artículo.

Si en los dos artículos precedentes se describe una época de grandes avances técnicos en el motor basados en el estímulo inigualable de la competitividad, en esta parte Mario Theissen se ocupará de desgranar el frenazo en seco que sufrió esta actividad.

BMW World Final 2008, Ciudad de Méjico.

A partir del año 2003, la FIA impuso un calendario de limitaciones, siendo estas cada año eran más numerosas y restrictivas; entre ellas destacaron la ampliación de la vida útil del motor y la limitación de régimen de giro. Todo ello unido al corto espacio temporal entre revisiones de dicho reglamento provocó efectos inversos a los deseados. Los equipos trabajaron bajo un gran estrés para adaptarse al reglamento vigente, lo que incrementó los costes, y la mayoría de los desarrollos técnicos importantes fueron quedándose en el tintero por ir quedando fuera del reglamento vigente. Estos efectos quedaron plasmados en el desarrollo del motor BMW P85, canto del cisne de la arquitectura V10 de 3.000 cc que nunca llegó a la competición.

En ese momento, BMW gozaba de un prestigio, diría yo, inigualable como fabricante de motores para la Fórmula 1 por varias razones. Fueron los primeros en tocar con la punta de los dedos la barrera psicológica de los 1.000 cv (obtenidos de un motor atmosférico) y las 20.000 rpm.

La escalada de limitaciones acabó derivando en una congelación de los motores y la implantación del motor V8 de 2.400 cc en el año 2006. En ese momento, el motor había dejado de suponer un factor estratégico y decisivo en la competición para ser relegado a un discreto segundo plano en favor de la aerodinámica, con la pérdida de protagonismo para los fabricantes de motores que este hecho motivó. Por ese año, 2006, y vistos los acontecimientos, BMW se haría con su propio equipo, BMW Sauber F1 Team, para intentar mantener el protagonismo que había perdido como todos los fabricantes de motores.

Motor BMW P86.

Tras cuatro años, a finales de la temporada 2009, BMW se retira oficialmente de la Fórmula 1 con sabor agridulce, es decir, habiendo obtenido buenos resultados pero sin haber ganado un campeonato de pilotos o de constructores.

Todo lo anterior y muchas más, a continuación.

Definiciones de interés:

Bomba de pistones axiales (axial piston pump). Se trata de una clase de bomba hidráulica de desplazamiento positivo en la que la energía procedente del eje de entrada es transferida a través de un plato inclinado a unos émbolos cuyos ejes están dispuestos paralelamente al eje de entrada. Dichos émbolos están acompañados de cilindro y válvulas y se encargan de accionar y aumentar la presión del fluido hidráulico.

Sistema de recuperación de energía cinética, KERS (kinetic energy recovery system).
Aluminiuro de Titanio, TiAl (titanium aluminide). Es una compuesto intermetálico compuesto por Aluminio y Titanio, es ligero, posee una elevada resistencia a la temperatura y a la oxidación y su fragilidad también es alta. Se ha comenzado a usar recientemente en la industria de propulsión aeronáutica, concretamente en los álabes de los motores a reacción.
Material compuesto de matriz metálica, MMC (metal matrix composite). Es un material compuesto en el que la matriz metálica está reforzada con fibras de otro material, metálico o no. Se emplea como material de altas prestaciones en aplicaciones estructurales en las que la resistencia mecánica y el bajo peso son imprescindibles.
Cigüeñal plano (flat plane crankshaft). Se trata de un tipo de cigüeñal para motores de arquitectura V8 en el que los muñones sobre los que se montan las bielas junto con los apoyos del cigüeñal forman un plano. El este cigüeñal de motor V8 tiene la misma apariencia que el de un motor de cuatro cilindros y cuatro tiempos. No necesita contrapesos para su equilibrado, por lo que es más ligero y tiene menos inercia que con cigüeñal cross plane y, por tanto, se suele emplear en motores de altas prestaciones.

Comparación entre cigüeñal cruzado y plano (cross plane vs. flat plane crankshaft).

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

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 y conclusiones.
Pronóstico, el futuro.

8. Motor P85

A comienzos del año 2005 BMW perseguía incrementar la potencia de su motor a la vez que intentaba avanzar en la reducción de peso y la bajada del centro de gravedad. Una de las opciones investigadas fue el aumento del ángulo entre bancadas hasta 100° y 110°. Cuanto mayor sea este ángulo, más bajo se encontrará el centro de gravedad del motor; no obstante, este efecto irá ligado a una pérdida de rigidez longitudinal y a un incremento de la anchura total de motor, lo que afectaba a los límites en cuanto a espacio vertical para su instalación porque no se podía conseguir un flujo eficiente en los gases del sistema de escape. Por todo ello finalmente se mantuvo la arquitectura en V a 90°.

Ángulo entre bancadas [°]	90	100	110
Altura (culata/árbol de levas) [mm]	303/320	287/304	270/287
Anchura (culata/árbol de levas) [mm]	488/535	514/561	537/583
Altura del centro de gravedad [mm]	122	117	112

Ilustración 15. Influencia del ángulo entre bancadas.

El concepto del motor P85 fue revolucionario: la separación entre ejes de cilindro fue reducida a 102 mm y el diámetro de los cilindros se aumentó hasta 98 mm, resultando todo ello en un espesor de la pared entre cilindros de solo 4 mm. La culata y los cilindros formaban parte de una única pieza de fundición, lo que permitía prescindir de la problemática junta de culata, siempre sometida a exigentes condiciones de trabajo. El cárter se fabricaba por mecanizado a partir del metal macizo. El cigüeñal, que disponía de un embrague de 99 mm de diámetro, se situó a tan solo 52 mm sobre la superficie más baja del motor. El cárter y el conjunto culata/cilindros estaban unidos por largos tirantes atornillados. La altura total del motor P85 era 30 mm inferior a la de su predecesor.

El motor P85 también marcó un gran avance en términos termodinámicos. En paralelo con la convencional inyección indirecta, BMW también desarrolló un sistema de inyección directa de combustible junto con su proceso de combustión. No obstante, el desarrollo de este sistema fue abandonado cuando el reglamento limitó la presión de inyección a 100 bares.

El motor había sido diseñado y optimizado para una vida de 800 km, pero un cambio repentino en el reglamento tiró todo el trabajo por tierra. Ahora, el mismo motor debía usarse durante dos fines de semana de competición, tenía que ser capaz de cubrir 1.600 km, lo que era demasiado arriesgado para un motor de concepto innovador y extremo. Así pues, el proyecto del motor P85 se detuvo en favor del existente modelo P84, que fue revisado para cumplir con los nuevos requisitos de resistencia.

**Ilustración 7.** Especificaciones del motor BMW P85.
Arquitectura	V10 a 90°
Cilindrada [cc]	2.998,5
Diámetro [mm]	98,00
Carrera [mm]	39,75
Distancia entre ejes de cilindro [mm]	102,0
Desfase entre bancadas [mm]	18,0
Longitud total [mm]	575,0
Anchura total [mm]	517,0
Altura total [mm]	290,0
Peso [kg]	82
Altura del c. de gravedad [mm]	110,0
Potencia máxima [hp]	>950
Par máximo [Nm]	360
Régimen máximo [rpm]	19.800
Nº de válvulas	40
Válvulas de admisión, titanio [mm]	41,50
Válvulas de escape, titanio [mm]	34,40

9. El reglamento de la arquitectura V8

El reglamento para la temporada del año 2006 supuso un giro radical, ya que impuso el cambio de los motores V10 a los V8 y limitó la cilindrada a 2.400 cc. Esto obligó a todos los fabricantes de motores a volver a la mesa de diseño. También se introdujeron severas restricciones en lo referente a materiales y construcción con el objetivo de evitar el uso de los materiales más costosos y exóticos.

Arquitectura	V8 a 90º
Cilindrada [cc]	2.400,0
Diámetro de cilindro, máximo [mm]	98,00
Altura del cigüeñal, mínimo [mm]	58,0
Altura del centro de gravedad, mínimo [mm]	165,0
Peso, mínimo [mm]	95
Presión de inyección de combustible, máximo [bar]	100
Prohibición de materiales exóticos como TiAl ó MMC

Ilustración 15. Reglamento referente a las limitaciones del motor en la temporada del año 2006.

Aparte de los plazos de entrega, el mayor desafío al que se enfrentaron los ingenieros con el nuevo reglamento fue la vibración torsional del motor V8 a alto régimen de giro. Los motores con arquitectura V10 presentan un rango de revoluciones crítico en cuanto a dicha vibración entre las 12.500 rpm y las 13.500 rpm, pero este régimen de giro siempre es transitorio mientras que en el caso de los motores con arquitectura V8 el rango de revoluciones crítico se sitúa justamente en el rango de trabajo del motor, es decir, por encima de 17.000 rpm. Resolver el problema de las vibraciones era complicado por el hecho de que los motores de carreras con arquitectura V8 siempre montan un cigüeñal con muñones dispuestos en un solo plano –flat plane– por requisitos del intercambio de gases y las fuerzas inerciales son mucho mayores que en el caso de los motores V10. Este fenómeno se vio amplificado por el hecho de que, al tener el V8 una potencia inferior, el porcentaje de tiempo de trabajo a plena carga se incrementó en un 7%.

Ilustración 16. Motor BMW P86.

Las dimensiones establecidas y el peso mínimo de 95 kg sentaron las bases de un concepto de diseño robusto, pero también implicó que el motor P86 se diseñara y desarrollara desde cero. De no ser por dichas restricciones al diseño, habría sido posible desarrollar un motor con arquitectura V8 y 2.400 cc de cilindrada derivado de la última evolución de la anterior arquitectura V10 que hubiera pesado tan solo 69 kg.

Los alojamientos de los dispositivos auxiliares, que hasta ahora eran muy elaborados y fabricados por mecanizado, se simplificaron significativamente en este momento y, además, las fundiciones con delgadas e intrincadas paredes y sus complejos moldes fueron descartados. Los dispositivos auxiliares, ahora más pesados, fueron posicionados en lugares del motor más elevados con el objetivo de conseguir la mínima altura del centro de gravedad exigida. A ello también contribuyó que los puntos de anclaje de las culatas tuvieron que ser reforzados debido al aumento de las fuerzas inerciales y vibraciones antes citadas. Por otra parte, debido al aumento de la separación entre ejes de cilindro y a los requisitos mínimos de peso, el cárter tuvo que ser ligeramente alargado en la zona del embrague.

La limitación impuesta a la presión de inyección del combustible supuso un paso atrás. El desarrollo del sistema de combustión ya había permitido aumentar la presión en la inyección de combustible hasta 180 bar, existiendo ya sistemas de inyección en fase de prototipo trabajando a 230 bar. No obstante, la bomba de alta presión operada hidráulicamente fue prohibida en este nuevo reglamento y fue necesario volver a la bomba mecánica; se empleó una bomba de pistones axiales en su lugar.

Incluso después de la introducción del motor V8, el reglamento continuó modificándose anualmente. En el año 2007, todos los motores debían ser homologados y fue impuesta una congelación de tres años en cuanto a diseño. Con efecto a partir del año 2008, se definió una electrónica estándar para todos los equipos. Finalmente, en el año 2.009, la vida del motor tuvo que ser aumentada hasta los 2.000 km, aunque con una reducción simultánea del régimen máximo de giro a 18.000 rpm.

A pesar del reglamento, se permitían las siguientes operaciones:

Medidas de mejora para resolver puntos débiles y riesgos de fallo, todo ello sujeto a la aprobación de la FIA.
Adaptación del ciclo de intercambio de gases a la variación del régimen de giro.
Modificaciones en los periféricos del motor; por ejemplo, en los sistemas de admisión, escape y combustible.

Una parte importante de la mejora del motor en rendimiento y fiabilidad es debida a los fluidos de trabajo. Las mejoras conseguidas en el lubricante del motor desde el comienzo del trabajo de desarrollo permitieron aumentar el rendimiento del motor un 4,5%; mientras que las mejoras en el combustible, para el que la normativa es mucho más estricta, resultaron en una mejora del 1% en rendimiento y del 2% en consumo. No obstante, el potencial de desarrollo en estos campos se encuentra totalmente agotado en la actualidad.

9. Resumen final y conclusiones

La tecnología y las características de los motores de Fórmula 1 sufrieron un desarrollo muy intenso en los últimos 10 años motivado por la presión de una dura competencia entre los fabricantes presentes y por los numerosos cambios en el reglamento que tuvieron una gran repercusión en el concepto y requisitos del motor. La Ilustración 17 muestra dicha evolución a través de distintas características del motor.

Ilustración 17. Evolución de las especificaciones del motor BMW.

Uno de los mayores cambios fue el paso del motor con arquitectura V10 y 3,0 litros de cilindrada al V8 de 2,4 litros; la potencia del motor disminuyó un 20% aproximadamente mientras que el peso y la altura del centro de gravedad aumentaron debido a la imposición de valores mínimos en estas y otras magnitudes. El efecto de las citadas restricciones puede comprobarse en la temporada del año 2006, cuando un motor V8 diseñado sin arreglo a las restricciones teóricamente podía haber tenido un peso 69 kg y una altura del centro de gravedad de 118 mm.

La construcción robusta motivada por todas estas restricciones al diseño, junto con la limitación del régimen máximo de giro a 18.000 rpm, se tradujo en mejoras en el ciclo de vida y la fiabilidad del motor; el motor con el que Robert Kubica acabó la temporada del año 2009 en Abu Dhabi había cubierto 2.000 km y había sido usado en cuatro carreras mientras que en la temporada del año 2000 se usaba un motor nuevo para cada día de un fin de semana, es decir, viernes, sábado y domingo.

La comparación entre el motor P86/9 del año 2009 y el motor E41/4 del año 2000 revela datos extraordinarios. La potencia del motor es exactamente la misma, 750 hp, en otras palabras, la reducción de la cilindrada del motor en un 20% fue neutralizada. Además, a pesar del requisito de peso mínimo, el peso se redujo en torno al 20% mientras el ciclo de vida del motor se multiplicó por cinco.

10. Pronóstico, el futuro

La temporada del año 2010 es la primera en ocho años en la que no se han implantado modificaciones en el reglamento del motor. Los requisitos de ciclo de vida extendido y congelación del desarrollo unidos a la introducción en paralelo de limitaciones a la actividad de pruebas han reducido a la mitad el presupuesto para el desarrollo del motor respecto a los años anteriores. Aun así, dicho coste ha sido alto debido al innecesario y elevado número de cambios de reglamento que se han dado poco espaciados en el tiempo. Si las condiciones realmente se mantuvieran inalteradas durante los próximos tres años, se conseguirían mayores ahorros en los costes de desarrollo.

En el año 2013 está prevista la implantación de una nueva generación de motores de Fórmula 1. Estos motores serán un reflejo de los últimos avances en inyección directa, recuperación de energía y reducción de tamaño basada en tecnología turbo. La eficiencia y el ahorro de combustible serán factores cada vez más decisivos en la competición. Se introducirán componentes de tecnología híbrida como el inicialmente poco exitoso sistema KERS. Por lo tanto, un equipo cliente no comprará únicamente el motor, sino que adquirirá un tren motriz compuesto por un motor de combustión interna, un equipo eléctrico compuesto motor y sistema de almacenamiento, una trasmisión con caja de cambios y una unidad de control.

Fin del artículo.

Mario Theissen nos ha acercado la historia de los motores BMW en la Fórmula 1 durante esta década; ahora queda por cubrir la historia de las escuderías que montaron estos motores durante estos años, eso intentaremos. Continuará…

Índice general