Ferrari 4 silindirli bir motor geliştirip 2018 yazında “sessiz sedasız” patentini aldı… İtalyan üreticiyi bu motorun patentini almaya iten ne? Burada Ferrari’nin kullanma hakkını kendi adına tescil ettirdiği teknik buluş ne? Ferrari 4 silindirli kompakt motorlara yabancı sayılır. Ancak motoru Ferrari için farklı yapan silindir dizilişi ve sayısı değil. Ferrari S.p.A. motor üzerinde, “bunlar benim aklıma gelmişti” diyecek petrolheadlerin bile kafa yormakta zorlanacağı bir dizi sıradışı tekniği hayata geçirmiş.

Ferrari’yi flat ve V dizilişine sahip 8 ve 12 silindirli motorları ile biliyoruz. Ancak bu sıralı 4 silindirli motor Ferrari tarihinin ilk 4 silindirli makinesi değil. İtalyan üretici geçmişte de 4 silindirli motorlar üretti. Fiat’ın ve Ferrari’nin geçmişinde çok önemli bir yeri olan Aurelio Lampredi 1950’lerde Formula 1’de ve Formula 2’de kullanılmak üzere 4 silindirli bir motor serisi geliştirmişti. Silindir başına 2 subaplı bu motorlarda Lampredi çift egzantrik mili kullandı (DOHC); emme ve egzos subapları aynı hat üzerinde değil (modern silindir başına 4 subaplı motorlarda olduğu gibi) karşılıklı olarak yerleştirilmişti, yani motor crossflow silindir kapağına sahipti, subapların karşılıklı yerleştirildiği bu tasarım temiz hava emişini ve yanmış egzos gazlarının tahliyesini hızlandırarak motorun daha hızlı nefes almasını sağlıyordu. Emme subapları için bir, egzos subapları için de ayrı bir egzantrik mili görev yapıyordu. Silindir çapları geniş, stroklar çok kısa tutuldu; piston yollarının kısaltılması motorun kolay devirlenmesini sağlıyordu. Weber üretimi çift karbüratör kullanıldı. Lampredi ayrıca motorda her bir silindir için çift buji yerleştirdi (bu gelenek Alfa Romeo motorlarında da TwinSpark adıyla devam edecekti). Tamamen aluminyumdan üretilen motorların bütün ayarları “yüksek devir” içindi… Henüz 1951 yılında (!) uygulanan bu tekniklerle bu 2.0 ve 2.5 litrelik 4 silindirli atmosferik motorlar 250 HP’ye ulaşmıştı.

1952 ve 1956 yılları arasında 5 sezon boyunca Formula 1’de yarışan Ferrari’ler bu 4 silindirli motorları kullandı. Tifosi bu motorlar ile 5 sezonda 22 yarış galibiyetine şahit oldu; Alberto Ascari ve Juan Manuel Fangio ile 3 kez pilotlar şampiyonluğu gördü (O dönemde markalar şampiyonluğu verilmiyordu). Hafifliği ve güvenilirliği nedeniyle, Ferrari bu 4 silindirli motorları Ferrari Monza serisi otomobilleri ile yollara da çıkardı.

Aurelio Lampredi’nin motorlarından 70 yıl sonra Ferrari yine 4 silindirli makinelerin peşinde… Ancak bu kez yaratılan 4 silindirli motor ise çok ama çok farklı.

Avrupa Patent Dairesi tarafından Ferrari S.p.A. adına tescil edilen buradaki buluşun sahibi Fabrizio Favaretto. 18 yıldır Ferrari’de görev yapan Favaretto 2014 yılından beri Ferrari’nin Hybrid ve transaxle motor çalışmalarını yönetiyor. Buluşun kendisi de Hybrid kelimesinin içinde saklı. Ancak Ferrari’nin burada tasarladığı motor 1997’de yaratılan Toyota Prius’tan beri alışık olduğumuz Hybrid sistemlere benzemiyor. Ferrari’nin motorunda bir turbo türbini, bir kompresör, bir jeneratör, iki elektrik motoru, Ferrari’ye özgü motor seslerini yaratmak üzere tüm bunlara bağlanmış bir egzos sistemi ve hepsinden önemlisi tüm bu donanımlar arasında olağanüstü bir görev paylaşımı ve sinerji var…

Turbo için Öngörülemeyen Gelecek: İçten Yanmalı Motorların Geleceğini Kurtaran Bir Kariyer, Eski Turboya Yeni Görev

İçten yanmalı motorların güç üretimi nefes alabilmelerine bağlı; daha iyi nefes alan, daha fazla nefes alan motor daha fazla güç üretiyor. Geleneksel bir atmosferik motorda hava emişi, silindir içindeki basınç atmosfer basıncına denk olana kadar sürüyor. Atmosferik motor (naturally aspirated engine) isminin kaynağı da bu. Her şey önce nefes almakla başlıyor. Mekanik enerji için yanma, yakıtın yanması için de hava gerekiyor. Bu yüzden de ancak hacim büyüdükçe ya da çevrilen devir yükseldikçe güç çıkışı artıyor. 2.0 litrelik bir motor 1.5 litrelik olandan daha güçlü; ayrıca hacimleri denk olsa dahi, aynı hacimdeki iki motordan daha yüksek devirlere ulaşabilen motor daha fazla güç üretiyor. Motorun güç üretimi, silindirler içerisine emilen havanın hacmi ile doğru orantılı. Daha büyük hacim, daha yüksek devir, daha fazla güç…

Ancak oyunun kuralı sadece bu değil… Her şey hacim ve devir değil. Çünkü, daha başlangıcından beri, motorlar üzerinde kafa yoran herkes gazların sıkıştırılabilir özelliğe sahip olduğunu bilir. Bu yüzden aşırı besleme fikri içten yanmalı motorların geçmişi kadar eskidir. Sıkıştırılarak yoğunluğu artırılmış yüksek basınçlı havayı silindirlere göndermek mümkün: Bu da küçük hacimli bir motorun kendisinden çok daha yüksek hacimli motorlardan daha fazla güç üretmesine imkan verir. Çünkü motor daha fazla nefes almaktadır. Bu nedenle, 1.5 litrelik aşırı beslemeli bir motor, 2.0 ya da 3.0 litrelik geleneksel örnekleri alt edebilir. Hacim her şey değil…

Aşırı beslemenin ilk örnekleri 19. yüzyılın sonunda kompresör (supercharger) olarak ortaya çıktı. Kompresör, bir kayış ya da mil ile doğrudan bağlı olduğu motorun kendisinden güç alıyordu, bu yüzden de motorun gücünden biraz çalıyordu. İsviçreli mühendis Alfred Büchi 1905 yılında dahice bir fikir ortaya attı: Büchi’nin kompresörünü çevirmek için gerekli güç motordan değil, egzos basıncından sağlanacaktı. Böylece motordan güç çalmayan, “maliyetsiz” ve daha verimli bir aşırı besleme tekniği olan turbo (turbocharger) doğmuş oldu.

Daha 19. yüzyılda dahi bilinmesine rağmen aşırı besleme kullanımı 1960’lara kadar uçak motorları ile sınırlı kaldı. Turbo taşıyan ilk araç bir iş makinesi oldu (Caterpillar D9). İlk turbo otomobiller ise arka arkaya Kuzey Amerika’dan geldi. 1962 yılında üretilen Oldsmobile Jetfire Rocket ve hemen birkaç hafta ardından gelen Chevrolet Corvair Monza ilk turbo otomobiller oldular. Amerikan tüketicisi turboları sevemedi, ve büyük hacimli ancak verimsiz V8’leri ile mutlu olmayı seçtiler.

Avrupa’nın salyangoz ile donatılan otomobilleri ise 1970’lerde geliştirildi: BMW 2002 Turbo (1973), Porsche 911 Turbo (1975), Saab 99 Turbo (1978) ve Audi Quattro (1980). Atmosferik örneklere benzemeyen olağanüstü dinamik karakterleri ile bu ilk örnekler endüstri tarihindeki yerlerini çoktan aldılar. Aslında diğer taraftan, bu özel otomobillerin ortaya çıkışının ardında ise bir sır vardı. (Biri hariç) hepsi, pistlere ve rallilere hazırlanan otomobillerin homologasyonu için “yol versiyonu” olarak sınırlı sayıda üretilmişti. Üreticileri, onları yasal zorunlulukları yerine getirmek için sınırlı sayıda üretmişti. Porsche Le Mans 24 Saat, BMW ETCC Avrupa Binek Otomobiller Şampiyonası, Audi ise Dünya Ralli Şampiyonası için bu otomobilleri hazırlamıştı. Yani turbo otomobiller hiçbir zaman halkın geniş kitlelerine ulaşabilecek otomobillerin kaputu altına girmedi. Diğer taraftan, 1970’li yıllar dünyanın ilk büyük enerji krizini de getirmişti. 1973 Petrol Krizi ile sarsılan Avrupa otomobil kültürünün bu “aşırı tüketen” otomobilleri kabul etmesi mümkün görünmüyordu.

Petrol bunalımı aşılsa dahi, büyük turbo lag’ları ve bu uzun boşluğun ardından gelen sürükleyici performansları, bu ilk ve ilkel turbo otomobilleri onları kullanışsız hatta tehlikeli yapıyordu. Sürüden ayrılan tek istisna ise Saab 99 Turbo’dur; bu otomobil 40 yıl sonrasının, yani günümüzün aşırı beslemeli otomobillerine çok yakın özellikte erken doğmuş ve değeri anlaşılamamış bir otomobildir. Saab’ın turbosu yüksek güç yerine dengeli güç ilkesi ile çalışıyordu.

Turbo uzun süre saf güç ve hız kaynağı olarak görüldü. Ancak, (1) üretim maliyetlerini artıran pahalı mimarileri, (2) güvenilirlik endişesi taşıyan üreticilerin dayanıklılık kaygıları, (3) ayrıca yüksek tüketime neden olmaları, (4) ve hem de günlük sakin kullanım şartları için geniş turbo lag kaynaklı uygunsuz çalışma karakterleri nedeniyle otomobil üreticileri bu üstün yetenekli ancak pahalı ve hassas türbinlerden uzak durmayı seçtiler. Turbo sadece performans versiyonlarında, pistlerde ve rallilerde başvurulan bir teknoloji oldu.

Binyıl değişince, sıkı emisyon baskısı altında kalan endüstriyi o zamana kadar sırt çevrilen turbo kurtardı. Devir bağımlısı olan atmosferik motorlar – bu özellikleri ile her ne kadar keyifli olsalar da – emisyon zorunlulukları için artık çaresiz kalıyordu. Çevresel tedbirler ve tasarruf gereklilikleri için motor hacimleri downsizing ile yavaş yavaş küçülürken, motor gücünü muhafaza etme yani küçülen hacimden daha yüksek güç alma görevi turboya verildi.

Bugün büyük üreticilerin motorları üzerindeki plastik kapakları ve bagaj kapaklarını onurlandıran TwinPower Turbo, PureTech, EcoBoost, TSI, TFSI, TCe, SIDI gibi isimlendirmelerin arkasında aşırı besleme yani turbo var. Bugün direkt enjeksiyon ve değişken subap kontrolü ile organize çalışan modern turbolar temiz ve çevreci ve aynı zamanda güçlü olabilen modern içten yanmalı motorlara hayat veriyor.

Ferrari ise aşırı besleme düşüncesini şimdi farklı bir boyuta taşıyor.

Turbo Sanatı

Gazlar sıkıştırılabilir özelliğe sahip… İyi ki de öyle. Yoksa turbo olmazdı. Turbo (turbocharger), yanma sonucu oluşan ve susturucuya doğru hareket edip doğaya salınan egzos gazlarının enerjisini kullanarak, motora gönderilen temiz havayı sıkıştırıyor ve hacimsel verimliliği artırıyor. Geleneksel bir turbocharger, silindirlerden atılan ve egzos manifoldunda toplanan egzos gazlarının itme kuvveti ile çok yüksek hızlarda (dakikada yüzbinlerce kez) dönebilen bir türbin ile; bu türbine bir şaft ile bağlı olan ve bu türbin tarafından döndürülen yani enerjisini türbinden alan ikinci bir türbinden (kompresör) oluşur. Bu ikinci türbin yani kompresör ise temiz havayı sıkıştırır ve emme manifolduna yani motora gönderir. Geleneksel turboda 3 önemli özellik vardır: (1) Sistem, egzos gazı enerjisini kullanarak motora sıkıştırılmış basınçlı temiz hava sağlamaktadır, (2) atmosferik motorlarda hava silindirler tarafından çekilip emilirken, turbocharger kullanılan motorlarda hava silindirlere sıkıştırılarak gönderilir, (3) egzos gazlarından kuvvet alan türbin ile türbine şaft ile bağlı olan ve motora temiz hava basan kompresör aynı hızda dönmektedir.

Turbocharger’in büyüklüğü ve buna bağlı olarak sağlayacağı güç artışı her zaman bazı sınırlandırmalara tabidir. Başka bir deyişle turbocharger’ın mimarisinde yapılan her değişiklik bazı üstünlükler getirirken bazı avantajlardan da vazgeçmeyi gerektirmektedir. Daha yüksek güç artışı için motora daha fazla hava göndermeye, daha fazla hava göndermek için de daha büyük bir kompresöre ihtiyaç vardır; kompresör büyüdükçe ona güç  veren türbinin de büyümesi gerekir. Büyük bir türbin ise düşük egzos basınçlarında (düşük motor devirlerinde) hızla dönemez ve kompresörü motora besleme yapacak hızlara ulaştıramaz. Bu da egzos basıncının düşük kaldığı alt devirlerde turbo boşluğu (turbo lag) adı verilen durumu yaratır. Güç artışı ne kadar yüksek ise alt devirleri kaplayan o kadar geniş bir turbo lag bandı oluşmaktadır. Tersine turbo boşluğunu yok edecek düşük basınçlı bir turbo kullanımı ise maksimum güç seviyesini yani turbonun yarattığı farkı sınırlı seviyede bırakır. Başka bir deyişle, turbonun doğasında sadece güç artışı değil aynı zamanda bir ödünleşme vardır. Turbo kendi içinde bir fırsat maliyeti taşır.

Turbonun bünyesinde biraraya gelen 2 pnömatik makine, yani türbin ve kompresör ancak en uygun ayarlarda çalıştıklarında verimli olabilecektir. Bu ideal ayarlardan uzaklaşmak eksik güç artışı sağlar ya da sürüşü bozacak seviyede turbo lag ile sonuçlanır (Pnömatik ya da prenumatic Antik Yunan’da “ruh” “nefes” anlamına gelen penuma kelimesinden gelir ve basınçlı hava ile çalışan mekanik sistemler için kullanılır) Ancak diğer taraftan türbin ve kompresör birbirine bağlıdır, yani aynı hızda dönerler; bu yüzden de her 2’sinin de aynı anda maksimum verimde çalışması mümkün değildir. Turbonun yaradılışındaki ödünleşmenin kendisi de budur.

Üreticiler, büyük turbolarda oluşan bu boşluğu yenmek için türbin ile kompresör arasındaki şafta bir elektrik motoru entegre etmeye çalıştılar. Elektrik motorunun sağladığı döndürme kuvveti, alt devirlerde düşük egzos basıncı nedeniyle pasif kalan türbinin açığını kapatıyor ve şaftı döndürerek şaftın diğer ucundaki kompresörü ihtiyaç duyulan basınçlara ulaştırıyordu. Turbo boşluğu bu şekilde “aşılabilirdi”. Hatta turboya iş düşmeyen, ayağın gazdan çekili olduğu yavaşlamalarda, yokuş inişlerde ve frenlemelerde şaft üzerinde oluşan kinetik enerji bu elektrik  motoru (aynı zamanda jeneratör) tarafından elektrik enerjisine de çevrilip geri kazanım yoluyla depolanabilirdi. Ancak bu mimaride de – elektrik motoru desteğine rağmen, egzosdan güç alan türbin ve motora hava gönderen kompresör birbirine bağlıdır ve türbinler daima aynı hızda dönmektedir.

Elektrikli Turbo

Ferrari, turbonun doğasındaki bu sorunları aşmak için aldığı patentte farklı bir turbocharger tasarımı geliştirdi. Ferrari’nin turbosunda türbin bir elektrik jeneratörünü döndürüyor, kompresör ise türbinden mekanik olarak bağımsız, yani türbin ile kompresör arasında o bilindik şaft yok, kompresörü ise türbin değil başka bir elektrik motoru döndürüyor. Bu aşırı besleme sistemi 2 değil 4 ana donanımdan oluşuyor: Türbin, jeneratör, elektrik motoru ve kompresör.

Önemli bir not: Ferrari’nin sisteminde, egzos gazından güç alan birinci türbin ile motora hava beslemesi yapan ikinci türbin birbirinden ayrıldığından (aralarındaki şaft ortadan kalktığından) bu 2 türbin mekanik olarak birbirinden tamamen bağımsız. Motora hava beslemesi yapan türbin gücünü direkt olarak egzos basıncından değil elektrik motorundan alıyor; bu yüzden de bu aşırı besleme sistemini turbo (turbocharger) yerine kompresör (supercharger) olarak adlandırmak daha doğru olabilir. Ancak en doğrusu onu Ferrari’nin söylediği gibi elektrikli turbo olarak kabul etmek ve jargonu aşarak teknik olarak Ferrari’nin neleri başardığına odaklanmak…

Ferrari bu buluşu için patent aldı ise burada “farklı” bir şeyler daha olmalı.

Ferrari’nin Ses Yönetimi

Performans otomobillerine performans otomobili yapan onların motor özellikleri, şasi dengesi, süspansiyonları, direksiyon tepkileri, sürüş pozisyonları… Onlara bu sıfatı kazandıran bir şey daha var: Egzosdan yayılan sesin kalitesi. Bu yüzden iyi bir otomobil için egzos sistemi sadece yanmış gazların işlenip temizlenerek doğaya salındığı bir donanım değildir, egzos aynı zamanda bir ses sistemidir. Ve burada sesin sadece yoğunluğu ve derinliği değil, sürücü için memnuniyet vericilik düzeyi de önemlidir.

Ses herşeydir… Motorun ve yürüyen aksamın sağlık durumu hakkında sesler çok şey anlatır, yaşlanma belirtilerini ve arızaları önceden haber verir. Derinden gelen rulman sesleri, kayışlardaki kaçırmalar, çukur ve tümseklerden geçerken duyulan vuruntular, kapı kirişlerinden gelen çıtırtılar, hep birer habercidir.

Dinamik kullanımı da ses tamamlar. Sürücü, gaz pedalı hareketlerine, devirlenmeye, hızlanma ve yavaşlamaya, vites değişikliklerine kaliteli bir sesin eşlik etmesini ister, bunu bekler. Egzos sesi dinamik sürüşün fon müziğidir. Bunu başaramayan ya da bugün downsizing uygulanamış modern turbo motorlarından geçmişin atmosferik motorlarının seslerini alamayan birçok üretici müzik sisteminin hoparlörlerinden araç içerisine suni sesler gönderiyor, başlangıçta çekici gelse de sürücü camları açtığında gerçek ile yüzleşiyor. BMW M5 dahi BMW’nin Active Sound System adını verdiği bu yapay ses üreten sistem ile donatılmış durumda… Modern motorlarda verimlilik üst düzeye ulaştı, ancak bu yeni nesil makinalarda tüketimi ve emisyonu düşürmek için silindir sayısı azaldıkça ve motor devirleri aşağıya çekildikçe (downspeeding) atmosferik motorların kaliteli sesleri ortadan kalktı.

Spor otomobillerin birçoğu bugün değişken geometrili egzos sistemleri ile donatılmış durumda. Egzos susturucusu içerisine yerleştirilen ve elektrikli olarak konumu değiştirilebilen kapakçıklar / subaplar sayesinde seçili olan sürüş moduna ve sürüş tarzına göre bu otomobiller egzos gazının susturucu içerisinde takip ettiği yolu ve buna bağlı olarak da egzos sesini değiştirebiliyor. Başka bir deyişle, otomobilin işletim sistemi (ECU) egzos sistemini anlık olarak yönetebilme ve sürüş tarzına, motor devrine, hıza ve seçili olan vitese uygun sesleri sürücüye sunma kapasitesine sahip. Diğer taraftan egzos sistemindeki bu kapakçıklar ve subaplar 2 kademeli (açık ya da kapalı) şekilde çalıştığından spor otomobiller dahi sürekli değişken ses karakterine ulaşamıyor, bu dinamik sesler ya var ya da tamamen yok…

Ferrari için ses çok önemli, ve İtalyan üretici motor üzerinde bir “buluş”a imza atıyorsa bunun içinde mutlaka ses de olmalı… Ferari tam da bunu yapmış.

Ferrari bu aşırı besleme sisteminde, elektrik motorundan güç alan ve bu sayede en önemli zayıflığından yani turbo boşluğundan arındırılmış turbo türbinini 4 silindirli motora entegre ederken, Ferrari’lere yakışır derecede kaliteli sesler vaat eden  gelişmiş bir egzos sistemiyle birleştirmiş ve tüm bu sistemi karmaşıklıktan uzak, kolay ve düşük maliyetli olarak üretime girecek şekilde kurgulamış.

Ön bilgi: Sistemin çalışma yapısını daha anlaşılır hale getirmek için Ferrari’nin taslak çizimi dikkate alınarak yazı içinde parantez içinde (#) referans numaraları kullanılmıştır. Sistemi anlamak isteyenler bu numaraları Ferrari’nin motor çizimi üzerinden takip edebilir.

Ferrari patentini aldığı aşırı beslemeli motoru (1) 4 silindirli olarak tasalanmış. Bu 4 silindir, motor bloğunun bir tarafından emme manifolduna (4) diğer tarafından da egzos manifolduna (5) bağlanıyor. Emme manifoldu, hava filtresinden (7) geçen ve emme kanalı (6) ile taşınan temiz havayı gaz kelebeğinin (8) izin verdiği ölçüde silindirlere taşıyor. Emme sistemi boyunca ayrıca havayı soğutarak yoğunluğunu artıran bir intercooler (9) görev yapıyor. Egzos manifoldu ise yanma sonucu oluşan atık gazları silindirlerden toplayıp doğaya salınmak üzere egzos sistemine yönlendiriyor. Egzos sistemi üzerinde emisyon gereklilikleri için katalizör ya da katalizörler (11) ve ayrıca susturucu bulunuyor.

İçten yanmalı motorun (1) aşırı besleme sistemi (2), egzos hattı (10) içine yerleştirilen ve silindirlerden (3) atılan egzos gazından güç alarak yüksek hızla dönen türbini (13) ile bir turbocharger (12), ve motora gönderilen havanın basıncını artırmak üzere emme kanalı (6) üzerine yerleştirilen bir kompresörden(14) oluşuyor; geleneksel sistemlerden farklı olarak türbin (13) ile kompresör (14) birbirinden mekanik olarak tamamen bağımsız çalışıyor. Egzos kanalı içerisinde turbo türbinine (13) paralel olarak bir bypass hattı daha bulunuyor (15); bypass hattının girişi türbin öncesinden yani egzos manifoldu (5) ile türbin (13) arasından başlayıp, hattın çıkışı da türbinden sonra tekrar egzos kanalına bağlanıyor; burada amaç egzos gazını – gerektiğinde –  turbo türbini yerine bu kanala yönlendirmek ve isminden anlaşılacağı üzere turbocharger’e uğramadan bypass edilmesini sağlamak. Bypass kanalı içerisine bir wastegate subabı (16) yerleştirilmiş; bu wastegate subabı, açık kalma açısına göre egzos gazı akışını yönlendiriyor ve egzos gazının ne kadarının turbo türbinine yönlendirileceğine, ne kadarının da turboya uğramadan bypass kanalından “kaçırılacağına” karar veriyor. Wastegate, işletim sistemine bağlı bir aktüatör (17) tarafından hareketlendiriliyor. Egzos kanalı böyle çalışıyor.

Gelelim motora temiz hava taşıyan emme kanalına… İkinci bir bypass hattı (18) daha var, bu hat da emme manifolduna (4) ulaşarak motora temiz hava taşıyan emme kanalı (6) içerisine yerleştirilmiş. Temiz hava kanalındaki bu bypass hattı da kompresör (14) öncesinden (hava filtresi ile kompresör arasında bir noktadan) başlayıp kompresör çıkışında sonlanıyor; yani emme manifoldu (4) ile kompresör (13) arasında bir noktada tekrar emme kanalına bağlanıyor ve motora gönderilen temiz havanın gerektiğinde kompresörü pas geçmesini sağlıyor. Egzos kanalındaki wastegate gibi emme kanalındaki bu bypass hattı içerisine de bir blow off subabı (19) yerleştirilmiş; temiz havanın ne kadarının kompresöre yönlendirileceğine, ne kadarının da bu baypass hattından geçeceğine bu blow off subabı karar veriyor, blow off’u ise yine işletim sistemi tarafından yönetilen başka bir aktüatör (20) açıp kapatıyor.

Turbo türbini (13) ve turbo kompresörü (14) arasında mekanik hiçbir bağlantı olmaması 2 önemli avantaj getiriyor: Birincisi, bu 2 parça motorun farklı yerlerine yerleştirilebiliyor; güncel aşırı beslemeli motorlarda turbo türbini ve motora hava beslemesi yapan ikinci türbin (yani kompresör) birbirine entegredir ve “turbo” dediğimiz tek bir “metal paket” içinde toplanmıştır, turbo egzos manifolduna entegredir ve bu sebeple turboya bağlı olan emme kanalı önce turboyu ziyaret etmek için egzos manifoldu ile buluşur sonra motor bloğu etrafından ya da silindir kapağı üzerinden “dolaşarak” emme manifolduna bağlanır. Bu da emme kanalının uzaması demektir, uzayan emme kanalı daha fazla alan işgal eder ve ağırlaşır. İkincisi, turbo türbini ve turbo birbirinden uzak şekilde konumlandırılınca, kompresör, egzos manifolduna bağlı olarak yüksek ısı içinde çalışan türbinin yaydığı aşırı sıcaklıktan etkilenmez. Bu da temiz havanın soğuk kalmasını sağlar, turbo verimini artırır ve ayrıca intercooler’a daha az iş düşeceğinden daha küçük boyutlu bir intercooler kullanımına imkan verir.

Turbo türbini ve turbo kompresörü mekanik olarak birbirinden bağımsız. O halde neye bağlılar? Turbo türbini (13) jeneratör olarak görev yapan bir elektrik motoruna bağlı (21). Egzos gazı akımı türbini döndürüyor, o da jeneratöre güç vererek elektrik üretmesini sağlıyor. Jeneratörde üretilen enerji elektronik bir istasyonda (22) işlem gördükten sonra elektrik depolama biriminde (23) yani bilinen ismi ile bir bataryada depolanıyor. Turbo kompresörü (14) ise kendisine güç veren başka bir elektrik motoruna (24) bağlı. Bataryadan (23) gelen elektrik enerjisi işlendikten sonra (25) bu elektrik motoruna (24) enerji sağlıyor, elektrik motoru ise kompresöre (14) güç vererek motora hava beslemesini gerçekleştiriyor.

Buraya kadar anladığımız şu: Sistemde 2 elektrik motoru var. Biri turbo üzerinden elektrik üretiyor ve bataryaya gönderiyor, diğeri de bataryada depolanan elektrik enerjisini kullanarak motora besleme yapan kompresörü çalıştırıyor.

Doğru ama eksik… Sistemde üçüncü bir elektrik motoru daha var: Ferrari bu elektrik motorunu (26) krank miline daha doğrusu motorun çıkışında şanzıman hattına bağlamış (28). Yani mekanik olarak doğrudan motor torkuna bağlı olarak çalışıyor. Bu üçüncü elektrik motoru çift fonksiyonlu olarak çalışabiliyor; Ferrari’nin 4 silindirli motoru çekişte olmadığında motordan (krank milinden) aldığı kinetik enerji ile elektrik üretip bataryayı şarj ediyor, diğer taraftan çekiş gücü gerektiğinde ise bataryadaki elektrik enerjisini kullanıp içten yanmalı motora ilave çekiş gücü sağlıyor. Bu aynı zamanda Ferrari’nin motorunun mild hybrid statüsü kazanmasını sağlıyor.

(Mild Hybrid: İçten yanmalı motor ile beraber tekerlekleri tahrik eden en az bir elektrik motoru bulunan, ancak sürüş sırasında sadece elektrik motoru ile hareket etmesini sağlayan bir e mod sunmayan ve içten yanmalı motorun sürekli olarak devrede olduğu Hybrid araçlara Mild Hybrid adı verilmektedir.)

Bu üçüncü elektrik motorunun Ferrari’nin motor tasarımındaki yeri net olarak belirtilmemiş. Uygulamada bu elektrik motoru, ikincil bir şaft yardımı ile krank milinden güç alacak şekilde direkt olarak içten yanmalı motora entegre edilebilir, motor ve şanzıman arasına konumlandırılabilir, şanzıman çıkışına yerleştirilebilir ya da doğrudan akslara bağlanabilir, hatta tekerleklere yerleştirilebilir (Dünyanın ilk Hybrid otomobilini 1901 yılında üreten Ferdinand Porsche de tam bunu yapmıştı: Porsche, elektrik motorlarını tekerlek göbeklerine yerleştirmişti.)

Tüm bu farklı donanımların ne zaman ne yapacağına karar vermek üzere Ferrari’nin motoru bir işletim sistemine (29) sahip. İşletim sistemi (ya da ECU yani Electronic Control Unit), bir orkestra şefi gibi turbo sistemini yönetiyor, elektrik motoru ile kompresörü hareketlendirip motorun güç ve torkunu artırıyor, bundan bağımsız olarak turbo türbininden elde edilen elektrik enerjisini en yüksek seviyeye çıkarmaya çalışıyor, ayrıca wastegate’yi ve blow off subabını açıp kapayan aktüatörlere kumanda ediyor, ve krank miline bağlı üçüncü elektrik motorunun ne yapacağına karar veriyor.

Sürüş sırasında, turbo türbini ve kompresör arasındaki mekanik bağımsızlık ve 3 elektrik motorunun varlığı verimlilik olarak geri dönüyor: Sürücü motorun sürekli olarak üst devir bandını kullanırken (örnek olarak hızlı otoyol sürüşü) silindirlerden (3) atılan egzos gazı daha yoğun ve güçlü, egzoz gazının hareketlendirdiği turbo türbini (13) tarafından döndürülen elektrik jeneratörünün (21) ürettiği elektrik, motora hava besleyen kompresöre (14) hareket veren elektrik motorunun (24) tükettiği elektrikten daha yüksek; bu sürüş şartlarında jeneratörün (21) ürettiği ve kompresörün elektrik motoru (24) tarafından kullanılmayan fazla elektrik enerjisi krank miline bağlı olan üçüncü elektrik motoruna (26) gönderiliyor, bu üçüncü elektrik motoru ise doğrudan içten yanmalı motora ilave çekiş gücü sağlıyor. Böylece sistem egzoz gazı tarafından yaratılan tüm enerjiyi kullanarak verimliliği en üst düzeye taşıyor. (Şimdilik) pahalı ama harika bir fikir!

Tam gaz dinamik sürüş şartlarının yerine, içten yanmalı motor düşük devirlerde kullanıldığında ise denge tersine dönüyor. Düşük devirlerde motor sınırlı güç üretir ve sürücü ani çekiş gücüne ihtiyaç duyduğunda motor bunu sağlamak için bir zamana ihtiyaç duyar. Ferrari’nin motorunda ise düşük devirde sürüş sırasında sürücü gaza yüklendiğinde, kompresörü çalıştıran elektrik motoru (24) bataryadan (23) yoğun elektrik enerjisi çekiyor, bu sırada elektrik motorunun (24) harcadığı elektrik, turbo türbinine bağlı jeneratörün (21) ürettiğinden çok daha yüksek, bu durumda gerekli enerjiyi de daha önce uygun sürüş şartlarında bunu depolamış olan batarya (23) sağlıyor. Hızlı ve devirli sürüşte turbo türbinin şarj ettiği elektriği “emanet” alan batarya, düşük devirlerde yani tam motorun ihtiyacı olduğunda bunu motora geri gönderiyor. Turbonun egzos gazını yakalayan kanatçıkları ve ona bağlı bir jeneratör tarafından kinetik enerjiden elektrik enerjiisine çevrilerek depolanan bu “güç”, hem geleneksel turbolu bir motorun yaratamayacağı kadar yüksek hem de hemen kullanıma hazır. Tüm bunlar Ferrari’nin içten yanmalı motorunun, sürücünün gaz pedalı emirlerine “anında” tepki vermesini sağlıyor. Turbo lag tamamen ortadan kalkıyor.

Egzozu Müzik Aletine Çevirmek

Kompresörü harekete geçiren elektrik motorunu (24) işletim sistemi (29) kontrol ediyor, motora gönderilecek havanın hacmine karar verip her devir düzeyinde ideal çekiş gücünü yaratıyor. Başka bir deyişle, kompresör (14) üzerindeki kontrolün temel amacı silindirlere beslenen temiz havayı optimize etmek.

İşletim sistemi (29) ayrıca turbo türbinine (13) bağlı olan diğer elektrik motorunu yani jeneratörü (21) de kontrol ediyor. Buradaki kontrolün temel amacı, motordan güç çalmadan egzoz basıncını kullanıp elektrik enerjisi üreterek yukarıda bahsettiğimiz elektrik motoruna (24) ve kompresöre (14) güç sağlamak, bu yolla verimliliği artırmak. Ancak, Ferrari motorda daha fazlasını da yapmış: İşletim sistemi bazı özel durumlarda egzoz sistemine bağlı olarak görev yapan jeneratörü, egzos hattı içinde akustik emisyon yaratmak için kullanıyor.

Ancak işletim sisteminin ve jeneratör olarak çalışan elektrik motorunun bunu nasıl başardığı Ferrari’nin çalışmasında açık değil. Ya silindirlerin terk ettiği egzos gazları turbo türbinine (13) yönlendirilmek yerine wastegate subabı (16) yardımı ile baypass hattından (16) geçirilerek doğrudan susturucuya yönlendiriliyor; bu da anlık olarak güç kaybı anlamına gelir. Ya da Ferrari, daha iddialı şekilde, motordan atılan egzoz gazı yeterli olmasa da, jeneratörü kullanarak yani suni olarak egzos kanalında hava akımı oluşturuyor. Egzozun bu fonksiyonu, jeneratörün ters yönlü (enerji üretecek değil tüketecek şekilde) çalışmasını gerektirdiğinden bazı durumlarda bataryada depolanan enerjinin azalmasına neden olur, bu yüzden bu fonksiyon bazı şartlarda motor verimliliğinden çalar.

Öyle ya da böyle, kesin olan şey, Ferrari egzoz akımını kullanarak sürüş tarzına en uygun egzoz seslerini anlık olarak üretip sürüşü motive ediyor. Yani Ferrari, egzoz kanalını üflemeli bir müzik enstrümanına çevirmiş.

Aslında buradaki seslere “suni” demek doğru değil, çünkü seslerin kaynağı hala egzos susturucusu. Tam tersine, birçok yeni nesil otomobilde sürüş moduna göre araç hoparlörlerinden iç mekana yapay motor sesleri veren sistemler var. Asıl suni olan işte bu. Ferrari ise geliştiridiği aşırı beslemeli Hybrid motorda egzos sistemi içinde motorun ateşlemelerinden ve atık gazlardan bağımsız olarak hava akımı yaratıp egzozun sürüş tarzına en uygun sesleri üretmesini sağlıyor.

Jeneratör yardımı ile egzoz kanalında akustik emisyon oluşturmak open loop ya da closed loop formunda uygulanabilir. Yani ya işletim sistemi sadece hava akımı yaratarak egzos seslerini üretir ve geri bildirim toplanmaz (open loop), ya da işletim sistemi sürücünün baş hizasına yerleştirilen bir mikrofon üzerinden sürücünün duyduğu egzoz seslerini toplayarak ölçer yani geri bildirim alır ve ayarlamalar yapar. Ferrari burada closed loop bir sistem kurgulayıp yaratılan seslerin kontrol altında tutulmasını ve her sürüş şartına uyarlanabilir olmasını garanti altına alıyor. Sistem, geri bildirimleri büyük olasılıkla bluetooth ile otomobile bağlanan telefonlar için kullanılan tavana ya da kokpite yerleştirilen miktorfonlara benzer bir mikrofon ile toplayacak.

Burada yaratılan ezoz seslerinin hem yoğunluğu hem de tonu önemli. Ferrari bunun için de egzos sistemine entegre ettiği jeneratörü ve ona bağlı turbo türbinini kullanıyor. Türbinin daha hızlı dönmesi susturucunun yüksek perdeden, yoğun ve tiz sesler yaymasını sağlıyor; otomobil hızlanırken ve yüksek devirlere çıkarken egzoz bu ayarlarda çalışıyor. Bu da baş döndürücü hızlanmalar için ince ve yüksek frekanslı bir fon müziği yaratıyor. Turbo türbininin yavaş kalması ve düşük hızda dönmesi ise ters etki yapıyor; egzoz sistemi düşük frekanstan pes sesler çıkarıp sakin ama hırıltılı, boğuk ve derinden çalışıyor. Bu egzoz ayarları ise rölanti devirlerine ve motor kompresyonu eşliğinde gerçekleşen yavaşlamalara eşlik ediyor.

Motorun Ferrari (ve FCA Fiat Chrysler Automobiles) tarafından hangi şaside ve nasıl kullanılacağını – şimdilik – bilmiyoruz. Patenti alınan motor 4 silindirli olarak konfigüre edilmiş, ancak bu üretime geçecek motorun da 4 silindirli olacağı anlamına gelmiyor; Ferrari burada kayıt altına alınan teknolojileri 6, 8, hatta 12 silindirli motorlarına da uygulayabilir. Diğer taraftan motor 4 silindirli olarak hayata geçecek ise bunun da 3 anlamı var: Ya sıkı emisyon kuralları altında downsizing ile şekillenecek olan yakın gelecekte 4 silindirli Ferrari’ler göreceğiz (bu bir SUV bile olabilir), ya da motor Alfa Romeo ve Jeep markası altında diğer FCA otomobillerinde kullanılacak, veya FCA’nın Ferrari dahil grup içinde ortak olarak kullanacağı bir platforma güç sağlayacak. Ferrari S.p.A. ’nın ne planladığını bilmiyoruz, bildiğimiz tek şey turbo türbini ve ona bağlı jeneratörü, bu turbodan bağımsız çalışan elektrikli kompresörü, bu mimarinin türbin ve kompresörü motorun farklı noktalarında konumlandırmaya imkan vermesi, güç istasyonu görevini yapan bataryası, turboya bağlı egzoz ses yönetimi ve krank miline entegre üçüncü elektrik motoru ile bu aşırı besleme sisteminin çıtayı çok yükseğe taşıdığı.