Hayatın Virajlı Yollarında

Renault’un Energy motor ailesinin ilk üyesi olan 1.6 litrelik R9M, Fransız üreticinin Formula 1’e yaptığı yatırımlara ve burada kazandığı deneyimlere dayanıyor. R9M Renault Nissan Alliance otomobillerinin dışında Mercedes modellerinde de kullanılıyor. Güç çıkışı 100 kW’ye (136 HP) ayarlanan motor 330 Nm tork üretiyor. Motorun ayrıca 3 versiyonu daha var: 85 kW’lik (116 HP) daha düşük güçlü olan baz, ve çift turbodan güç alan 160 HP ve 180 HP’lik yüksek güçlü versiyonlar. Çift turbo ile bu 1.6 litrelik dizel motor litre başına 100 HP güç sınırının üzerine çıkıyor.

Energy motor ailesinin ortaya çıkış amacı Renault’un önceki nesil 1.9 litrelik dCi motorunun emisyonlarını ve yakıt tüketimini aşağıya çekmek, ancak bunu yaparken güç çıkışını ve performans değerlerini muhafaza etmek ve bakım maliyetlerini de kontrol edilebilir seviyelerde tutmak. Aynı zamanda karmaşık teknolojiler yerine sadelik odaklı teknikler ile üretim maliyetlerinin de düşük tutulması ve uzun motor ömrü hedeflenmiş (Örnek olarak motorda EGR kullanılmış). Gerçekten de ailenin R9M kodlu 1.6 litrelik bu ilk üyesi, yerini aldığı 1.9 litrelik F9Q motora göre %20 daha az karbondioksit (Co2) emisyonu yayan daha tasarruflu bir makine. Bu dikkate değer gelişimi sağlayan ise motora uygulanan bir dizi teknolojik yatırım.

1.6 litrelik R9M’de kullanılan teknolojiler Renault’un Formula 1’e yaptığı yatırımlara ve burada kazandığı deneyimlere dayanıyor. “Formula 1’den bir dizel motora ne aktarılabilir ki?” diye sorulabilir. Renault’un pistlerde elde ettiği ve burada ima edilen bu deneyim performanstan çok enerji kayıplarının yönetimi, verimlilik ve tasarruf odaklı tedbirleri içeriyor. Gerçekten de Renault, Energy F1 motorunda kazandığı ne kadar deneyim varsa aynı ismi verdiği bu Energy dCi motor ile pistlerden yollara aktarmış.

R9M dizelin motor özelliklerine geçmeden önce Renault’un ve Mercedes’in Formula 1’de ne yaptığını hatırlamakta fayda var. 2 büyük üreticinin buradaki motor yatırımları, aralarındaki rekabet ve elde edilen sonuçlar gerçekten kayda değer:

2006 yılına kadar Formula 1’de 3.0 litre atmosferik V10 motorlar hüküm sürdü; 2006 yılında yapılan kural değişikliği ile bu 3.0 litre motorların hacmi 2.4 litreye düşürüldü ve V8 motorlar kullanılmaya başlandı. Renault da 3.0 litrelik RS25 yerine 2.4 litrelik RS26’yı geliştirdi ve bir sonraki yıl bir update ile RS27’yi yarattı. Sadece 95 kg ağırlığındaki 750 HP’lik bu atmosferik motor 18.000 devir’lerde gezerken 2010-2014 arasında 4 yıl boyunca Red Bull-Renault’u ve Sebastian Vettel’i şampiyonlukta tuttu.

Motor hacimleri küçülmeye devam ediyordu. 2014 yılında kural değişikliği ile beraber hacim 1.6 litreye düştü, ancak hacim düşerken 1980’lerden sonra ilk kez aşırı besleme (turbo) kullanımı geri döndü, 1.6 litrelik bu motorların güç çıkışı turbo ile 750 HP’ye ulaştı. Bu 1.6 litre V6 motorlar ayrıca 2 yeni enerji geri kazanım sistemi ile donatıldı. MGU-K adı verilen birinci jeneratör (Motor Generator Unit-K) krank miline bağlanmıştı ve frenleme sırasında oluşan enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek Energy Store adı verilen bataryada topluyordu. MGU-H isimli ikinci jeneratör ise (Motor Generator Unit-Heat) egzos gazının yarattığı ancak turbo tarafından kullanılmayan fazla enerjiyi yine elektrik enerjisine çevirerek bataryada depoluyordu. Bu depolanan elektrik enerjisi ise istendiği anda MGU-H’ye gönderilerek turbo basıncını ve güç çıkışını artırıyor, ya da MGU-K’ya iletilerek doğrudan motora güç desteği sağlıyordu (Sistemin anlık olarak sağladığı ilave güç artışı 160 HP, yani birçok kompakt otomobilin gücünden daha fazla).

Başka bir deyişle Formula 1’de 2014 ile başlayan yeni dönem sadece turbo’yu geri getirmedi, artık motorlar elektrik motoru desteği ile Hybrid statüsüne sahip. Bu sistemler ile donatılan Mercedes’in PU106 motoru, Renault’un Energy F1’ine ve Ferrari’nin 059 kodlu motoruna üstün geldi.

Tüm sınırlamalara ve tasarruf tedbirlerine rağmen bu teknolojiler ile ulaşılan güç seviyesi rüya gibi, ancak bunların hepsi (şimdilik) pistlere özel ve günlük hayata uzak olan maliyetli çözümler. Bir Formula 1 takımı yıllık bütçesinin yarısını motor geliştirmelerine harcıyor. Bu yüzden Formula 1’de hem teknolojik olarak hem de mali anlamda motor çok şey anlamına geliyor.

Günlük hayatta ise durum biraz farklı. Burada tasarrufun yolu dizel motorlardan geçiyor… İlginçtir ki Formula 1’deki Renault hakimiyetini 1.6 litre motoruyla yıkan Mercedes, kompakt modellerinde kullandığı 1.5 ve 1.6 litre dizel motorları Renault’dan tedarik ediyor.

Peki tüm bunların Renault’un 1.6 litre dizeli ile ilgisi ne? Renault, Energy dCi adını verdiği bu dizel ailesinin Formula 1’de kullandığı Energy F1 motorun teknolojilerini taşıdığını vurguluyor. Ne yazık ki refere edilen bu teknolojiler yukarıda bahsettiğimiz özel Hybrid güç birimleri değil, ancak diğer taraftan motorun verimliliği için F1’de kullanılan birçok modern teknik 1.6 litre dizele de uygulanmış.

Renault, bugüne kadar Formula 1 için ürettiği motorlarda kullandığı 3 önemli tekniği 1.6 litrelik R9M dizeline aktarmış:

1. Kare motor mimarisi: Dizel motorlarda yapılan geleneksel uygulamada motorların strokları (piston yolları) uzun, silindir çapları ise stroklara oranla daha dar olarak tasarlanır. Devir çevirmek için pistonlar silindir içerisinde daha uzun mesafe kat ederler. Bu sayede pistonların krank mili üzerinde yarattığı baskı ve çevirme kuvveti daha yüksek olur, daha fazla tork üretilir; ancak her bir devirde pistonun kat ettiği mesafe uzun olduğu için de dizeller benzinliler gibi yüksek devirlere ulaşamaz, “hırıltı”dan çok “tıkırtı” formatındaki sesleri de bundan kaynaklanır ve etkileyici olmaktan uzaktır. Örnek olarak eski 1.9 dCi böyle idi: Çap 80 mm, strok ise 93 mm. Renault 1.6 litrelik motoru geliştirirken benzinli Formula 1 motorları gibi kare bir motor yarattı. Burada motor bloğu oranları eşit: Silindir çapı 80 mm, strok 79.5 mm. Başka bir deyişle, motora uygulanan downsizing, yani hacim küçültme, sadece strokların kısaltılması ile gerçekleşmiş. Bu kare motor mimarisi, daha yüksek devir potansiyeli vaat ediyor; aynı zamanda eşit hacimdeki ancak uzun stroklu bir motora göre, geniş tasarlanabilen silindir kapağı sayesinde daha büyük subap girişleri tasarlanmasına imkan veriyor ve ayrıca bu da her bir silindir başına 2 değil 4 subap yerleştirilmesini kolaylaştırıyor.

2. Enine soğutma sıvısı akışı: İçten yanmalı (benzinli ve dizel) motorların soğutulması için en yaygın olan uygulama boyuna soğutma sıvısı akışıdır (longitudinal coolant flow); burada radyatörden gelen ısısı düşürülmüş soğutma sıvısı silindir kapağının bir ucundan girer ve motor bloğu boyunca her bir silindiri sırayla ziyaret ederek motorun diğer ucundan çıkarak radyatöre döner (devirdaim yapar), bu sırada da motor bloğu üzerindeki ısıyı kendi üzerinde radyatöre taşır ve motoru soğutur; ancak bu uygulamada silindirler homojen ve eşit olarak soğutulmaz, çünkü soğutma sıvısının silindir kapağına girdiği uçtaki ilk silindir soğuk sıvıyı karşılar, sıvı 2., 3. silindir gömleklerine geçerken ısınmış olur ve bu silindirlerin soğutulma kapasitesi düşer, 4. silindir ise en az düzeyde soğutulur; sıvının silindir kapağına girdiği uçtaki ilk silindir her zaman daha fazla soğutulmaktadır, yani motor termal olarak dengesiz şekilde soğutulmaktadır. Enine ya da paralel soğutma sıvısı akışında ise soğutma sıvısı motor bloğunu boydan boya değil enlemesine geçmektedir; burada her bir silindir, aynı anda aynı soğutma kalitesinde sıvıyı karşılar; bu sayede her bir silindir eşit kalitede soğutulur. Bu sistem, motor zorlayıcı şartlarda ve baskı altında kaldığında motor sağlığını daha fazla koruma kapasitesine sahiptir; Formula 1 motorlarında da bu nedenle kullanmaktadır. Bu teknik aynı zamanda R9M dizel motorda daha küçük ve daha az enerji tüketen bir devirdaim pompası kullamına izin vermiş. Yani hem soğutma kalitesi daha iyi hem de devirdaim pompasının motordan çaldığı güç daha az.

3. Sürtünme kayıplarının yönetimi: Motorun hareketli parçaları sürtünmeyi azaltacak özel elementler ile kaplanmış. Ayrıca Renault, bu R9M motorlarında da Formula 1 motorlarındaki gibi U-Flex yağ segmanı kullanmış. Segman kesitinin “U” şekilli yapısı daha esnek olmalarını ve bu sayede, yüksek ısı ve basınç altında deformasyona uğrayan silindir duvarlarına tam uyum göstermelerini sağlıyor. Bu da sürtünme kayıplarını engelliyor ve yağ kaçaklarını minimuma düşürerek eksilen yağ miktarını aşağıya çekiyor (Not: Aslında bu teknoloji de yeni değil, 2. Dünya Savaşı öncesinde dahi biliniyordu, ancak motor bloklarında kullanılan alaşım kalitesi yükseldikçe U-Flex segmanlara gerek kalmadı ve kullanımı bırakıldı. Ancak modern motorlar küçülüp hafifledikçe, silindir duvarları inceldikçe ve aşırı besleme kullanımı ile silindir içi baskı arttıkça U-Flex segman kullanımı tekrar ortaya çıkmıştır.)

(Açıklama: İçten yanmalı motorlarda pistonların çevresinde çelik alaşımdan üretilmiş halka şekilli segman adı verilen parçalar vardır. Segmanlar silindir odası ile bu silindir odası içerisinde hareket eden pistonlar arasındaki boşluğu kapatır ve sızdırmazlık sağlar. Piston üzerinde 2 tip segman bulunur: Kompresyon segmanı ve yağ segmanı. Burada segmanların görevi, bir taraftan silindir içerisine alınan hava ve yakıtın kartere sızmasını engellemek, verimli yanma sağlamak ve motor kompresyonunu oluşturmak; diğer taraftan da karterde bulunan motor yağının silindir odası içerisine sızmasını engellemektir. Yüzbinlerce kilometre kullanım sonucunda aşınan segmanlar, karterdeki yağın yanma odasına sızmasına ve yakıt ile beraber yağın da yakılmasına neden olur. “Yağ eksiltme” olarak bilinen durum budur. Segmanlar bu 2 ana fonksiyona ek olarak yanma sırasında piston üzerinde oluşan yüksek ısıyı silindir duvarlarına ileterek köprü görevi görürler ve pistonların soğutulmasını da sağlarlar.)

Emisyonlardaki bu %20’lik iyileşmede en büyük pay sahibi unsur güç çıkışı muhafaza edilerek motor hacminin 1.9 litreden 1.6 litreye düşürülmesi, yani downsizing. 1.9 litrelik F9Q’nun silindir çapı 80 mm, strokları ise 93 mm idi. Renault yeni R9M’yi geliştirirken silindir çapını değiştirmemiş ve yine 80 mm’de tutmuş, ancak strokları 79.5 mm’ye kısaltarak motor hacmini 0.3 litre düşürmüş. 130 HP’lik güç çıkışını korumak için de turbo basıncı 2.7 bar’a çıkarılmış. Küçülen hacim hem yakıt tasarrufu hem de kompakt tasarım sayesinde motorun daha az yer kaplaması ve ağırlık tasarrufu anlamına geliyor. Sadece yapılan hacim küçültme hareketi ile yakıt tüketiminde ve emisyonlarda %6 iyileşme sağlanmış.

Renault, bunu yaparken motorun silindir başına subap sayısını da 2’den 4’e çıkarmış. Bu yüzden R9M yerini aldığı 1.9 litrelik F9Q gibi ya da ünlü 1.5 litrelik K9K gibi 8 subaplı değil, motorda 16 subap ve çift egzantrik mili görev yapıyor. Kısalan stroklar ile beraber subaplar daha kısa açılma aralığına sahip, ancak emme ve egzos işlemleri için her bir silindirde artık tek değil 2 subap görev yapıyor. Ancak R9M’de sağlanan gelişim sadece downsizing ve bu DOHC uygulaması ile sınırlı değil.

İkinci önemli uygulama ise EGR (Exhaust Gas Resirculation) sisteminde yapılan değişiklik. Motorda düşük basınçlı bir EGR görev yapıyor. Ancak bu geleneksel sistemde önemli bir yenilik var: Geleneksel EGR sistemlerinde silindirden çıkan egzos gazının bir bölümü açılan EGR subabından geçerek doğrudan emme manifolduna ve buradan da tekrar silindirlere gönderilir; bu uygulamanın amacı yanma ısısını düşürmek ve dizel tipi yüksek sıkıştırma altında gerçekleşen yanma sonucu oluşan zehirli NOx (azotoksit) gazlarının oluşumunu azaltmaktır. R9M motorda egzos gazı direkt olarak emme manifoldundan değil, bunun yerine Dizel Partükül Filtresi’nden geçtikten sonra turbo’nun hemen önünde motora gönderilecek olan temiz hava ile karıştırılıyor. Motora gönderilmeden önce turbo’da temiz hava ile beraber sıkıştırılan bu atık gazlar intercoolerdan (ara soğutucu) geçirilerek soğutuluyor ve bu sayede kapladıkları hacim de azalıyor, motora daha düşük ısıda ve daha fazla hava gönderilmesi mümkün oluyor. Bu da hem turbo verimini artırıyor hem de NOx oluşumunu aşağı çekiyor. Turbo ve intercooler da böylece görevini yapmış oluyor: 1.6 litrelik bu dizel daha büyük hacimli dizellere denk güç çıkış kapasitesine ulaşıyor. Intercooler’ın soğutma etkisi aynı zamanda EGR üzerinden silindirlere geri gönderilen atık egzos gazlarının ısısını da düşürüyor.

Yanma odasına hava girişini ve havanın yayılma hızını yönetmek için Renault emme manifolduna subap gibi çalışan ve hava girişini sınırlayan bir kanatçık yerleştirilmiş. Emme manifoldu ise iki parçalı olarak tasarlanmış. Bu tasarım, manifolddan gelen ve emme portunu aşarak silindirlere ilerleyen havaya sarmal bir hareket veriyor. Silindirdeki emme subapları açıldığında silindir içerisine giren hava, dairesel tasarıma sahip olan yanma odasında “dolanarak” yayılıyor. Havanın silindir içerisindeki bu hareketi sudaki girdapa ya da gökyüzünde oluşan hortuma benzetilebilir; bu yüzden bu hava hareketi swirl olarak adlandırılıyor. Yerleştirilen kanatçık ile emme manifoldundaki hava akışı ve havanın silindir içerisindeki yayılma şekli ve hızı değiştirilebiliyor. Bu sürekli değişken girdap etkisi (swirl variable) hava yakıt karışımını optimize etmek için kullanılıyor. Her motor devrine, yol ve yük durumuna uygun ideal hava yakıt karışımı ise düşük emisyon, verimlilik ve tasarruf anlamına geliyor (Sistem Opel’in atmosferik benzinli motorlarında kullandığı TwinPort’a benziyor)

Renault R9M motorda ayrıca değişken kapasiteli yağ pompası kullanmış. Standart yağ pompaları motora sabit bir basınç ile yağ gönderir, ideal yağ basıncına ulaştıktan sonra da pompa çalışmaya ve motordan güç çalmaya devam eder ancak oluşan fazla basınç yağ basınç ayar valfi ile düzenlenir. Burada ise tersi yapılmış, bir emniyet valfi yok, bunun yerine değişken yağ pompası motorun ihtiyacına göre çalışıyor. Motordan çaldığı güç azalan pompa da verimliliğe hizmet ediyor.

Renault motorun termodinamiğini yönetmek için de geliştirmeler yapmış. Motorun ideal çalışma sıcaklığına daha hızlı ulaşması ve bu sırada oluşan yüksek tüketimin ve yüksek emisyonun engellenmesi için de soğutma sistemi üzerinde önlemler alınmış. Yerleştirilen bir kontrol subapı soğuk çalıştırmadan sonra motor ideal çalışma sıcaklığına ulaşıncaya kadar soğutma sistemindeki sıvının motor bloğuna ulaşmasına izin vermiyor.

Verimliliğe hizmet eden diğer geleneksel teknikler de devam ediyor: Akıllı enerji yönetiminin bir parçası olarak aynı yağ pompasında olduğu gibi şarj dinamosu (alternatör) ve klima kompresörü de ihtiyaç olmadığında motordan ayrılıp güç çalmıyor. Uzun oranlı 7. vites tasarruf anlamına geliyor. Start Stop sistemi de kısa süreli beklemelerde tasarrufa katkı sağlıyor. Sistem uzun dönem kalitesi konusunda soru işareti oluşturmamak için arka arkaya 410 bin kez (!) marş yapacak şekilde planlanmış. Tüm bu küçük müdahaleler biraraya geldiğinde büyük farklar yaratıyor.

Her bir ateşleme için enjektörler silindirlere 3 kez püskürtme yapabiliyor. Yapılan ilave enjeksiyon, her 1.500 km’de bir Dizel Partikül Filtresi’ni temizlemek için gerçekeşen regeneration (yanma) işlemini kolaylaştırıyor.

Bu arada motor, blok oranları ile yerini aldığı 1.9 dCi’ye benzese de kullanılan parçaların %75’i yeniden tasarlanmış, geri kalan parçalar ise daha yeni bir makine olan 2.0 dCi’den yani M9R’den alınmış. R9M motor verimlilik kadar bakım maliyetleri de dikkate alınarak yaratılmış. Triger kayışı yerine kullanılan zincir ve ayrıca DPF (Dizel Partikül Filtresi) de motor ömrü boyunca bir değişim ya da bakım gerektirmiyor. Kullanılan otomobile ve motorun güç çıkışına göre değişiklik göstermek ile beraber bu 1.6 litrelik makinede yağ değişim aralıkları da uzun ve yağ 40 bin km’ye kadar dayanıyor.

Tüm bu “parıldayan” tekniklere rağmen bu kitle üretimi motorda maliyet kısıldığını gösteren noktalar da var: Renault bu dizelde sıkıştırma oranını 15.4:1 gibi düşük bir seviyede tutarken düşük basınçlı (1.600 bar) Common Rail enjektörler kullanmış (1.9 dCi 1.800 bar ile püskürtme yapıyordu)