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.

Quelle: BMW Presse-Information vom 16.01.2007

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