Der Antriebe. V8 Reloaded.
Nach dem fundamentalen Konzeptwechsel von V10- auf V8-Motoren zur Saison 2006
geht es jetzt um clevere Detaillösungen für die Formel-1-Motoren der Zukunft.
2006 wurde beschlossen, weite Teile der Motorenentwicklung einzufrieren bis nach
der Saison 2010. Die Homologation der 2,4-Liter-V8-Motoren verlangt technische
Überwachung und wurde in mehreren Schritten vollzogen.
Der P86 V8-Motor (Foto aus dem Jahr 2006)
Gegen Ende der Saison 2006 sammelten sich in der FIA-Dependance im britischen
Chessington nach und nach die Formel-1-Motoren der Teams an. Jeder Hersteller
musste ein Triebwerk abgeben, das zwei GP-Wochenenden durchgestanden hatte. Um
auf Nummer Sicher zu gehen, ließ BMW den ersten P86 Motor bereits in Monza
versiegeln. Parallel wurde unter Hochdruck weiterentwickelt. Die erledigte
Pflicht bot noch etwas Spielraum für die Kür. Die beiden Motoren in den
Fahrzeugen von Nick Heidfeld und Robert Kubica absolvierten die Abschlussrennen
in Japan und Brasilien klaglos. Jener aus Kubicas Auto wurde der FIA
nachgereicht. Deadline war der 22. Oktober – aber noch kein Grund für die
Ingenieure, in Winterschlaf zu gehen.
Bis zum 15. Dezember 2006 konnte bei der FIA eine Liste von Änderungen
eingebracht werden, die man am im Kern festgeschriebenen Motor bis zum 1. März
2007 ausführen möchte, um diesen an die Drehzahlbegrenzung von 19 000 U/min
anzupassen. Vereinfacht ausgedrückt, mussten Block und Kurbelwelle unangetastet
bleiben. Am Zylinderkopf und Komponenten im Umfeld durfte weiter getüftelt
werden. Lösungen für den Ansaug- und Abgastrakt, Schmier- und
Kraftstoffversorgung, Kolben, Ventile und Lager konnten noch verfeinert werden.
Außerdem waren Änderungen zulässig, die dem Zweck des Einbaus in die neuen
Fahrzeuge dienen.
An die Stelle der bisherigen Motorelektronik tritt eine neue zentrale
Steuerungseinheit für Motor, Getriebe und Chassis – die Neuentwicklung mit dem
Kürzel RCC steht für Race Car Controller.
Die Tatsache, dass das Konzept des Motors unverändert bleiben muss, trägt der
BMW Motor im Namen: Er heißt BMW P86/7 – und eben nicht P87.
Fixe Parameter für alle.
Bereits mit Einführung der V8-Motoren zur Saison 2006 waren wesentliche
Konstruktionsparameter reglementiert worden: Neben dem Hubraum von 2.400 ccm
wurde für die V8-Motoren auch der Bankwinkel von 90 Grad vorgeschrieben. 95
Kilogramm Mindestgewicht wurden festgelegt – inklusive Ansaugtrakt
einschließlich Luftfilter, Kraftstoffleitungen und Einspritzsystem, Zündspule,
Sensoren und Kabelbaum, Lichtmaschine, Kühlmittel- und Ölpumpen. Aber ohne
Befüllung, Auspuffkrümmer, Hitzeschilder, Öltanks, Batterien, Wärmetauscher und
Hydraulikpumpe.
Die Schwerpunktlage des Triebwerks ist ebenfalls verbindlich vorgeschrieben:
In der Höhe mindestens 165 Millimeter, gemessen wird von der Unterkante der
Ölwanne. Auf der Längs- und Querachse des V8 muss der Schwerpunkt bis auf eine
Abweichung von +/– 50 Millimeter in der geometrischen Mitte des Motors liegen.
Die Zylinderbohrung wurde auf maximal 98 Millimeter limitiert, der
Zylinderabstand auf 106,5 Millimeter (+/– 0,2 mm) fixiert. Die zentrale Achse
der Kurbelwelle darf nicht weniger als 58 Millimeter über der Referenzlinie
liegen. Variable Ansaugsysteme zur Optimierung des Drehmomentverlaufs sind
ebenfalls bereits seit 2006 verboten. Die Spannungsversorgung der Motorelektrik
und -elektronik ist auf maximal 17 Volt festgelegt. Die Kraftstoffpumpe muss
mechanisch betrieben werden. Zur Betätigung des Drosselklappensystems darf nur
ein Aktuator dienen.
Mit Ausnahme der elektrischen Hilfspumpen im Benzintank müssen alle
Nebenaggregate mechanisch und direkt über den Motor angetrieben werden. Zudem
wurde eine lange Liste exotischer Materialien ausgeschlossen. Seither beschränkt
man sich auf konventionelle, im Reglement festgeschriebene Titan- und
Aluminiumlegierungen. Eine neue Einschränkung für die Jahre ab 2007 ist die
Drehzahlbegrenzung auf maximal 19.000 U/min.
V8-Entwicklung von November 2004 bis Februar 2007.
Die Konzeption des BMW V8-Motors reicht auf den November 2004 zurück. Im Mai
2005 knallten im Münchner Anton-Ditt-Bogen, in der BMW Formel-1-Motorenfabrik,
die Sektkorken: Die erste Spezifikation des V8 hatte ihren ersten Prüfstandslauf
absolviert. Am 13. Juli 2005 war eine weitere Spezifikation erstmals im
Fahreinsatz. Mit einer wiederum weiterentwickelten Version waren die am 28.
November 2005 die Wintertestfahrten in Barcelona aufgenommen worden. Die nächste
Entwicklungsstufe wurde beim Roll-out des neuen Fahrzeugs am 17. Januar 2006
gezündet. Zum Saisonauftakt folgte der nächste Schritt, im Saisonverlauf weitere
neue Spezifikationen.
Die letzten mit Hinblick auf die anstehende Homologation.
Theissen fasst zusammen: „Ein Formel-1-Motor ist niemals fertig. Das ist etwa
vergleichbar mit einem Gemälde, das dem Betrachter bereits vollendet erscheint.
Aber der Künstler kann es noch im Detail verfeinern, weil er präzise weiß, wo er
den Pinsel ansetzen muss. Ein einzelner Strich kann die gesamte Wirkung
verändern. Darüber hinaus bedeutet die gestiegene Anzahl der Vorgaben keinen
Stillstand der Entwicklungsarbeit, sondern eine Verlagerung. Die Formel 1 muss
und wird Spitzentechnologie bleiben.“
Power auf die Dauer.
Die Anforderung an die Laufleistung der Formel-1-Motoren hat sich in der
jüngeren Vergangenheit dramatisch verändert. 2002 war die letzte Saison, in der
vor jedem Rennen frische Triebwerke in die Fahrzeuge eingebaut werden durften
und im Qualifying auch mal besonders hochgezüchtete Motoren zum Einsatz kamen,
mit denen man sich nicht auf die Renndistanz gewagt hätte.
2003 musste bereits das Qualifying mit dem Rennmotor bestritten werden. 2004
folgte die Ein-Wochenend-Regel und damit die Verdoppelung der Laufleistung. Seit
2005 müssen die Motoren – damals noch Dreiliter-V10 – zwei komplette
GP-Wochenenden überstehen. Eine unerwünschte Nebenwirkung dieser Regelung war,
dass die GP-Piloten ihre Triebwerke in den Freitagstrainings schonten und
möglichst in der Garage blieben.
Um dem Publikum wieder mehr Freude am Fahren zu bieten, wurde der Freitag für
die Saison 2007 von der Motorenregelung ausgenommen.
So kann in den beiden jetzt 90 Minuten langen Sessions mehr gefahren werden.
Erst ab Samstag müssen jene Motoren in den Autos arbeiten, die unter Überwachung
der FIA zwei GP zu absolvieren haben.
Gestiegener Volllastanteil.
Aufgrund der geringeren Leistung der V8- gegenüber den früheren V10-Motoren
wird mehr mit Vollgas gefahren. Der in den gefahrenen Rennen von BMW ermittelte
durchschnittliche Volllastanteil betrug 2005 noch 56,67 Prozent, 2006 waren es
63,53 Prozent.
Training hinter verschlossenen Türen.
Ehe eine neue Spezifikation die Rennreife erhält, muss sie einen Dauerlauf
auf den dynamischen Prüfständen absolvieren. Im Herbst 2005 hat BMW bei diesen
Prüfanlagen, die sich mit ihrer gesamten Versorgung jeweils über mehrere Etagen
erstrecken und ganze Hallen füllen, die jüngste Generation in Betrieb genommen.
Geblieben ist die ultimative Anforderung für die Renntauglichkeit: 1500
Kilometer mit dem programmierten Streckenprofil von Monza. Kein GP-Kurs weist
einen höheren Volllastanteil auf. Motoren, die für den Transport zum
Austragungsort bestimmt sind, absolvieren auf den Prüfständen einen schonenderen
Funktionscheck. Danach findet noch eine Qualitätskontrolle inklusive
Ölprobenuntersuchung auf etwaige Metallrückstände im Spektrometer statt. Dann
ist Dienstantritt.
Schneller Schalten.
Ein Teil des neuen Prüffeldes im Anton-Ditt-Bogen dient der mittlerweile in
München angesiedelten Getriebeentwicklung und -erprobung. Die Anforderungen an
ein Formel-1-Renngetriebe sind: maximale Steifigkeit bei geringem Gewicht und
niedriger Schwerpunktlage, kompakte Bauweise und minimale Schaltzeiten. Der BMW
Sauber F1.07 verfügt über ein Siebengang-Getriebe. Hierbei sind Haupt und
Nebenwelle des Getriebes längs in Fahrzeugrichtung angeordnet. Das Schalten in
den nächsthöheren Gang erfolgt ohne Zugkraftunterbrechung an der Hinterachse.
Während des Schaltvorgangs eines herkömmlichen Formel-1-Getriebes wird die
Zugkraft per Kupplung für ca. 50 Millisekunden unterbrochen. In anderen Worten:
Das Fahrzeug besitzt in dieser Zeitspanne keinen Vortrieb, sondern es rollt. Und
zwar vor allem bei hohen Geschwindigkeiten gegen einen hohen Luftwiderstand.
Praktisch wird es dadurch während einer Zugkraftunterbrechung mit einer
Verzögerung von rund 1g abgebremst. Dies wiederum entspricht bei einem Pkw einem
kräftigen Bremsvorgang. Diese Zugkraftunterbrechungen bei jedem Hochschalten –
beim Großen Preis von Monaco passiert dies über die Renndistanz rund 2000 Mal –
summieren sich zu einem erheblichen Zeitnachteil bzw. zu mehreren hundert Metern
bis Rennende. Mit dem neuen Schnellschaltgetriebe, kurz SSG, des BMW Sauber
F1.07 entfallen die Zugkraftunterbrechungen komplett.
Ein ausgeklügeltes Zusammenspiel aus elektronischen und mechanischen
Komponenten macht es möglich.Neben der Entwicklung findet auch der Bau des SSG
in München statt. Die in diesem Getriebe extrem hoch belasteten Zahnräder werden
zum Teil im BMW Werk Dingolfing gefertigt. Sie bestehen aus hochfestem Stahl.
Das Getriebe-Gehäuse besteht aus Titan-Guss.
Drehmoment und Drehzahl des Motors zu wandeln, ist dabei nur eine Aufgabe des
Getriebes. Außerdem muss es in der Lage sein, die Kräfte des Fahrwerks über den
Motor an das Chassis weiterzugeben.
Auf der Rennstrecke für die Straße.
Synergien zwischen F1- und Serienentwicklung herzustellen, war für BMW die
Grundvoraussetzung für den Wiedereinstieg zum Jahr 2000. Konsequent wurde die
Entwicklung des Formel-1-Antriebsstrangs und der Elektronik am Standort München
integriert. Dabei spielt das BMW Forschungs- und Innovationszentrum (FIZ) eine
Schlüsselrolle. Die F1-Fabrik wurde in weniger als einem Kilometer Entfernung
von dieser Denkwerkstatt errichtet und mit ihr vernetzt. „Das FIZ repräsentiert
die Zukunft von BMW“, erklärt Theissen, „dort arbeiten die fähigsten Ingenieure
in modernsten Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen. Das FIZ verfügt über
enorme Ressourcen, von denen wir unmittelbar profitieren. Umgekehrt stellt das
F1-Engagement durch die extremen technischen Anforderungen und das geforderte
Entwicklungstempo ein einzigartiges Versuchsfeld für unsere Techniker dar.“
BMW hat für den Antriebsstrang eine lückenlose Prozesskette im eigenen Haus
realisiert – von der Konzeption über die Konstruktion, den Guss, die
Teilefertigung, Aufbau und Versuchsphase bis hin zum Renneinsatz. Transportwege
werden eingespart, Qualitätsrisiken minimiert. Das erworbene Know-how bleibt im
Unternehmen, wo es der Serienentwicklung zugute kommt.
Gusstechnologien für die Formel 1 und für die Serie.
Die Leistungsfähigkeit und Standfestigkeit von Motorblock, Zylinderkopf und
Getriebe hängt entscheidend von der Gussqualität ab. Fortschrittliche
Gusstechnologien mit höchst genauer Prozessführung ermöglichen leichte Bauteile
von hoher Steifigkeit. Um dies für Serienfahrzeuge zu gewährleisten, unterhält
BMW eine Gießerei in Landshut. Bereits 2001 wurde ihr eine eigene F1-Gießerei
angegliedert. Beide Abteilungen arbeiten unter einer gemeinsamen Führung. Das
garantiert den permanenten Austausch.
Mit dem gleichen Sandgussverfahren, mit dem der Formel-1-V8 entsteht, werden
Ölwannen für die M-Modelle, die Sauganlage für den Achtzylinder-Dieselmotor
sowie die Prototypen künftiger Motorgenerationen gegossen. Fast zeitgleich mit
der Inbetriebnahme der F1-Gießerei wurde nach demselben Modell eine
F1-Teilefertigung an jene für Serienkomponenten angeschlossen. Dort fertigt das
F1-Team unter anderem die Nockenwellen und die Kurbelwellen für die Formel 1.
Elektronik für den Rennsonntag und für den Alltag.
Mit der Rückendeckung der Elektronik-Experten des FIZ traute sich BMW schon
zum F1-Comeback im Jahr 2000 auch die Entwicklung einer eigenen
Formel-1-Motorsteuerung zu. Auf externe Rennsportspezialisten zurückzugreifen,
wäre zwar einfacher gewesen, hätte aber das Wissen in München kaum gemehrt.
Ingenieure, die sich sonst mit der Bordelektronik für die M-Modelle befassen,
schufen auch das Motor-Management für die F1-Triebwerke. Ihr dabei erworbenes
Wissen fließt zurück in die Serie. Längst verfügen Spitzenmodelle von BMW wie
der 7er und die M-Serien über Mikroprozessor-Typen, die BMW in der Formel 1
eingesetzt und erprobt hat. Für den Internetzugang und das Navigationssystem der
BMW 7er Reihe wurde Speichertechnologie verwendet, die sich zuvor in der F1
bewährt hatte.
Auch F1-Entwicklungen für die Überwachung der vielfältigen Funktionen des
Fahrzeugs gewinnen an Bedeutung für Straßenfahrzeuge. Rechtzeitige Warnungen und
automatisierte elektronische Eingriffe sind auch dort sicherheitsrelevant und
bieten Schutz vor Schäden. Die Anforderungen an das Motormanagement eines hoch
drehenden Formel-1-Triebwerks, das zudem auch bei niedrigen Drehzahlen
problemlos fahrbar sein muss, sind immens. In jeder Millisekunde müssen
Zündzeitpunkt und Treibstoffzufuhr perfekt aufeinander abgestimmt sein, um
optimale Effizienz zu erreichen – maximale Leistung bei minimalem
Kraftstoffverbrauch. Verbrauchsoptimierung bringt sowohl bessere Rundenzeiten
als auch größere Flexibilität in der Rennstrategie.
Im BMW M3, M5 und M6 hat sich eine weitere Elektronik- und Getriebeinnovation
aus der Formel 1 bewährt: das „Sequenzielle M Getriebe – SMG mit DRIVELOGIC“.
Das Antriebskonzept SMG bietet F1-Getriebetechnologie für den Alltag. Dabei
werden die Gangwechsel elektrisch per Schaltwippe hinter dem Lenkrad ausgelöst.
Wie in der Formel 1 ersetzt ein elektrohydraulisches System den mechanischen
Kupplungs- und Schaltvorgang, und der SMG-Bediener darf beim Schalten ebenfalls
auf dem Gas bleiben.
Materialforschung für die Zukunft.
So leicht wie möglich, so widerstandsfähig wie nötig – das ist auch unter dem
enger gesteckten Reglement der Anspruch an F1-taugliche Materialien. Die
Materialforschung des FIZ liefert wichtige Impulse für die BMW F1-Motoren- und
Getriebeentwicklung. Häufig dient die Luft- und Raumfahrttechnik als
Ausgangsbasis. Einige viel versprechende Entwicklungen, die aus Kostengründen
noch nicht für Großserien in Betracht kommen, haben im F1-Projekt bereits
Verwendung gefunden. Diese Einsatzmöglichkeit neuer Technologien hilft den
Ingenieuren, sie zur Serienreife weiterzuentwickeln.
Rapid Prototyping – Modelle auf die Schnelle.
Eine neue Idee, die Konzeptionsphase, der Konstruktionsvorgang, die
Produktion notwendiger Werkzeuge, die Fertigung des neuen Teils, die
Erprobungsphase – das ist der kosten- und zeitintensive Vorgang für Neuerungen.
Weil in der Formel 1 extrem kurze Reaktionszeiten für Fortschritt und
Problembewältigung gefordert sind und die Anzahl der konstruktiven Veränderungen
während einer einzigen Saison bislang so hoch war wie die für die gesamte BMW
Palette an Serienmotoren, sucht man nach Abkürzungen. Hier kann die BMW
Formel-1-Mannschaft auf die FIZ-Abteilung Rapid Prototyping/Tooling Technology
zugreifen. Sobald die benötigten Teile auf einem CAD-System konstruiert wurden,
produzieren ebenfalls von Computern gesteuerte Maschinen mittels Laserstrahlen
oder dreidimensionaler Drucktechnik maßgetreue Modelle aus Harz,
Kunststoffpulver, Acrylat, Wachs oder Metall. Damit können kurzfristig
Einbausituationen und Wechselwirkungen simuliert werden, um vor dem endgültigen
Herstellungsprozess noch Modifikationen vornehmen zu können.
BMW P86/7 – technische Daten.
Bauart: |
8-Zylinder-V-Saugmotor |
Bankwinkel: |
90 Grad |
Hubraum: |
2.400 ccm |
Ventile: |
vier pro Zylinder |
Ventiltrieb: |
pneumatisch |
Motorblock: |
Aluminium |
Zylinderkopf: |
Aluminium |
Kurbelwelle: |
Stahl |
Ölsystem: |
Trockensumpfschmierung |
Motorsteuerung: |
BMW |
Zündkerzen: |
NGK |
Kolben: |
Aluminium |
Pleuelstangen: |
Titan |
Maße: |
Länge: |
518 mm |
|
Breite: |
555 mm |
|
Höhe: |
595 mm (insgesamt) |
Gewicht: |
95 kg |
Quelle: BMW Presse-Information vom
16.01.2007
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