MeM 019: Diseño del Motor Porsche-TAG, ícono en la F1

Si bien la Fórmula 1 se caracteriza por traer adelantos tecnológicos relacionados con el diseño del motor como la tecnología híbrida, los motores turbo-alimentados no son algo nuevo. Esta tecnología ya se utilizó durante la década de los 80. Una época de oro donde la competencia entre motores aspirados y turbo-alimentados dejó un legado cargado de experiencia y know-how.

Motor en Marcha estuvo presente en la conferencia que brindó el ingeniero Hans Mezger, de sus experiencias en aquellos años como jefe del departamento de competición de Porsche AG.

En el otoño de 1981 McLaren hizo un pedido formal a Porsche para desarrollar un motor turbo-alimentado para su vehículo de F1. Por aquellos años Porsche era el claro dominador del mundo deportivo con su Porsche 935.

El diseño de Porsche fue financiado por Mansour Ojjehs TAG (Techniques d´Avant Garde), de allí el nombre final del motor TAG Turbo V6 1,5l.

8000hs de trabajo de ingeniería

Desde octubre de 1981 hasta junio de 1982 fueron necesarias un total de 8000hs de trabajo de ingeniería durante la fase 1 del TAG Turbo V6 1,5l. Consistieron en estudios de concepción, cálculo y realización de un prototipo. El grupo de Hans Mezger contaba con la ventaja de tener un motor de base Porsche en producción capaz de ser modificado para cumplir las expectativas de McLaren.

Diseño del Motor: La tarea no será nada fácil

Una gran dificultad surgió con el diseño del auto en sí, ya que la parte inferior del vehículo (underbody) no estaba aún definida. El diseño original para el cual el motor fue diseñado fue modificado a fines de 1982. Esto requirió serios cambios en todo lo relacionado a la admisión y al escape una vez comenzado el proyecto.

Diseño de motor

Diseño 1982 con un espacioso compartimento motor.

Diseño de 1983 con compartimento motor reducido.

Una cuestión importante a definir fue el ángulo formado por los dos bancos de cilindros (motor en V). Todos los ingenieros motoristas buscan tener motores confiables al mismo tiempo que livianos. Para ello es necesario balancear el motor ya que en su interior hay piezas móviles. Balancear un motor significa poner masa adicional para equilibrar ciertas fuerzas de inercia. Masa adicional significa entonces peso, algo que nadie quiere agregar en sus diseños.

La mayoría de los motores deportivos se diseñan con una V a 90° ya que su momento de inercia de 1er orden es 0. Por ende hay que balancear los momentos de inercia de 2do orden únicamente. Sin embargo Hans Mezger decidió diseñar su motor con una V a 80°.

Si bien a 90° habría que balancear sólo los momentos de inercia de 2do orden, estos serían casi de la misma magnitud que la suma de los de 1ro y 2do orden utilizando una V a 80°. Ahí había potencial para sacar una diferencia a nuestro favor sin tener muchos gramos de peso adicional, afirmó sin titubear.”

¿Qué se ganaba con esto? Tener una V a 80° nos permitía tener un motor más compacto y liviano con un espacio entre los dos bancos de cilindros que permitiría tener buenos conductos de admisión. Un motor liviano, compacto y con un buen llenado era la prioridad para ser competitivo y tener buena potencia”, sentenció Hans con una sonrisa.

El llenado de los cilindros era otro tema al cual había que prestar mucha atención.

El hecho de tener una presión de admisión superior a la atmosférica no significaba que se podía descuidar el diseño en cuanto al llenado de los cilindros”, aseguraba Hans Mezger.

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Árbol de levas cónico para cumplir con un diseño de la cámara de combustión esférico

Un árbol de leva cónico tuvo que ser diseñado para asegurar un llenado óptimo independientemente del número de revoluciones a las que girara el motor. Se descartó la utilización del motor a bajas vueltas, por lo que habría que focalizarse en el rango de rpm medio y alto.

La cámara de combustión se diseñó de forma tal que fuera lo más esférica posible, lo que también trajo algunas dificultades técnicas. El layout de la cámara de combustión sería de 4 válvulas por cilindro con una bujía ubicada en el centro. Las válvulas no podrían ser montadas de forma “standard” sino que tendrían que tener un ángulo de inclinación lo más grande posible.

¡Esto fue un dolor de cabeza!”, afirmó una y otra vez el ingeniero Mezger.

Este ángulo estaba muy limitado por el espacio que había disponible –packaging– y porque habría que utilizar rodamientos especiales en los árboles de leva para contener una fuerza creada en la dirección axial”

Evitar problemas de golpeteo frecuente en motores turbo-alimentados

El sistema de enfriamiento se basó en el motor del Porsche 911. De forma tal que la tapa de cilindros sería enfriada por medio de agua, mientras que el block motor por aire. Las solicitaciones térmicas serían importantes al mismo tiempo que no se podía permitir grandes deformaciones térmicas debido a la posición inclinada de las válvulas.

Las válvulas de escape tuvieron que ser enfriadas por agua, de manera que tuvo que diseñarse un canal adicional en la tapa de cilindros que llegara a escasos mm del anillo de contacto entre la válvula y su asiento.

Créanme que eso fue un trabajo de ingeniería gigantesco. Esto me desveló durante mucho tiempo, porque un error en este punto pondría en la basura a todo el motor”

El sistema de enfriamiento llevaba dos bombas de agua, una para la tapa de cilindros y otra de 3000l/h para el asiento de válvulas únicamente.

La carga térmica sería también un gran desafío para el pistón. Por ello se desarrolló en conjunto con una empresa de experiencia y gran trayectoria como Mahle.

El cielo del pistón se enfriaría por medio de inyección de aceite. El cigüeñal se diseñó también para que pudiera transportar el aceite que sería inyectado hacia el pistón.

La geometría de todo el sistema era compleja, las tolerancias constructivas mínimas y la energía calórica introducida en todo el sistema ponía dificultades continuamente. Resultaba muy difícil asegurar una buena lubricación a alta velocidad.

El cilindro tuvo que rediseñarse porque el motor tendría una alta compresión y una presión muy elevada durante la combustión. Tuvieron que agregarse bulones, espárragos y elementos de fijación adicionales entre el block motor y la tapa de cilindros para asegurarse que la tapa no se soplara.

dinamicavehiculo

Resultados acorde al diseño del motor

¡El resultado que dio este motor fue increíble!

El contrato firmado con TAG especificaba una potencia máxima de 560hp a 11000rpm (diciembre de 1981). Sin embargo, en septiembre de 1983 la potencia llegaba a 710hp un poco por arriba de las 11000rpm.

Nunca pensamos que llegaríamos a ese valor de potencia”, aseguró Hans.

Había una especificación por parte de McLaren donde pedían que la potencia fuera superior durante la clasificación. Esto les permitía posicionarse en las primeras plazas a la hora de largar la carrera.

Durante la misma con un solo un reaprovisionamiento de combustible sería posible mantenerse a la cabeza de la tabla. La estrategia de carrera para toda la temporada ya tenía aquí en los papeles de diseño del motor un requerimiento importante.

Los sucesivos incrementos de potencia requirieron nuevos cambios, todos ellos rápidamente como lo exige la F1.

Aquí no hay tiempo para descansar ni relajarse”, aclara Hans.

En sólo 7 meses tuvieron que hacer cambios importantes para poder seguir en punta. Esta fase de rediseño significaba aumentar la relación de compresión y las rpm. Para lograr estas modificaciones, habría que volver a trabajar en muchos de los componentes y sistemas sobre todo considerando que el motor estaba ya en su límite térmico.

Si bien este motor se utilizó en la Fórmula 1, también tuvo otras aplicaciones en el mundo del deporte motor de Porsche.

El 6 de mayo de 1983 en Weissach construyeron un coche Typ 956 para el Grupo C basado en este motor TAG. La diferencia consistía en utilizar un sistema de inyección electrónico que trabajara con una presión de 5bar en lugar de los 50-60bar utilizados por la inyección mecánica de nuestro F1.

De todas formas, el corazón de este motor seguía latiendo al ritmo de la F1, la potencia se incrementaba año tras año hasta llegar a 1987. Ese fue el pico máximo de potencia.

Siempre se buscaba aumentar el límite al que podía llegar el motor. Se subieron una y otra vez la relación de compresión (que ya estaba en 8,7:1) y la presión de admisión que finalmente se llevó de 3,20bar a 3,60bar. Cada incremento de potencia requería muchas modificaciones, mucha ingeniería y más profesionales. El pico de presión en la cámara de combustión de acuerdo a la presión de sobrealimentación imponía solicitaciones mecánicas muy elevadas como puede apreciarse en el siguiente diagrama.

La sobrealimentación actúa como si se tuviera una relación de compresión variable.

Un detalle interesante era el consumo específico de combustible. Este era menor en la medida que la potencia aumentara. Era necesario tener un buen consumo a alta potencia, porque ese sería el rango de mayor tiempo de funcionamiento del motor.

La estrategia era sencilla, hacer sólo una parada para reaprovisionarse de combustible.

Esto sólo se podía lograr si el motor funcionaba eficazmente a alta potencia. Por eso fue que el llenado de cilindros, la cámara de combustión y la sobrealimentación se pusieron a punto para tener el mejor consumo a alta potencia. Se sabía que el motor iba a tener un mal comportamiento a bajas rpm, es por eso que el piloto tenía prohibido conducir por debajo de un mínimo valor de rpm.

El enfriamiento de la tapa de cilindros por medio de agua fue fundamental. Al ser un motor sobrealimentado tendríamos problemas de golpeteo motor o ‘knock’.

Para reducir esto, la estrategia principal era reducir la temperatura del motor para así evitar algunos puntos calientes que pudieran dar inicio a un punto de autoencendido. Por otra parte el combustible era el otro punto importante para evitar problemas de este tipo ‘knock’.

Shell suministraba el combustible que era de 102 octanos, pero para el caso de los motores sobrealimentados se hacia una mezcla con combustible de aviación para así alcanzar los 110 octanos. Todos los coches utilizaban el mismo combustible, los atmosféricos de 102 octanos y los turbos de 110 octanos.

Los motores estaban realmente al límite de su diseño. Lo que es más, difícilmente un motor duraba más de una carrera, y si eso sucedía, nadie quería re utilizar un motor que ya estuviera usado porque sabíamos que los riesgos de alguna rotura eran grandes. Esto era lógicamente un costo enorme, no era sencillo solventarlo en aquellos tiempos. Por aquellos años habían 9 constructores de motores, mientras que hoy son menos de 5. Eso habla a claras del nivel de desarrollo que había y las posibilidades de que mucha gente se incorporara a la actividad de motores en la F1.

Sin ir más lejos, Hans necesitó de un equipo de 6 constructores, 3 ingenieros de prueba y 25 mecánicos para llevar adelante el proyecto. Un puñado de gente altamente capacitada y absolutamente focalizada en su tarea.

Sin este equipo de profesionales hubiera sido imposible diseñar el motor, ponerlo en el auto y ganar los títulos en la F1 de la mano de Niki Lauda (1984) y Alain Prost (1985 y 1986).

Al poco tiempo los motores turbo fueron dejados de lado y ese fue el ocaso para el TAG. De todas formas, su diseño y performance dejaron una impronta para este tipo de tecnología en la F1.

Lo que tienes que saber si tu sueño es trabajar en diseño del motor y  F1  

Hoy se vuelve al camino de la sobrealimentación, con sistemas de recuperación de energía que hacen de los motores maquinas muy eficientes. Los profesionales que deseen trabajar en esta actividad deberán dar muestra de sus aptitudes y conocimientos. La formación, la preparación y elegir los caminos correctos pueden hacer de este sueño una realidad para cualquiera que se lo proponga.

Fotografía: Motor en Marcha, Lothar Spurzem, Porsche Cars History y Primotipo.

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