KÜÇÜK HAC ML - YÜKSEK PERFORMANSLI

Süleyman Demirel Üniversitesi-Isparta
KÜÇÜK HACİMLİ - YÜKSEK PERFORMANSLI MOTOR TEKNOLOJİLERİ VE
UYGULAMALARI
Ali ÖZ 1, Abdullah DEMİR 2
1
Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi, Teknik
Bilimler Meslek Yüksekokulu, Otomotiv
Teknolojisi Programı, Burdur.
2
Marmara Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi,
Makine Mühendisliği, İstanbul.
[email protected]
[email protected]
ÖZET
Avrupa’da 2015 yılı itibariyle otomobillerde CO2 emisyon
hedefinin, ortalama 130 g/km olacağı ön görülmüştür [1]. Bu
amaca yönelik olarak çok sıkı çalışmalar yürüten otomotiv
firmaları "küçük hacimli, yüksek performanslı” motor
teknolojilerine hız verdiler. Bu teknolojiler; aşırı doldurma
sistemleri, değişken supap zamanlaması (VTEC), değişken
sıkıştırma oranı, silindir başına üç, dört ya da beş supap
uygulaması, gelişmiş yanma konsepti, lambda stratejileri,
motor yağlama uygulamaları, fakir karışımlı aşırı doldurmalı
direk enjeksiyon (LBDI) ve düel enjeksiyon uygulamalarıdır
[2]. Ancak "küçük hacimli, yüksek performanslı” motor
teknolojilerinin uygulanmasının önünde; vuruntu sınırı, termik
direnç, mekanik direnç, motor aşıntıları ve süperşarj/turboşarj
cevap süreleri gibi bazı kısıtlar da bulunmaktadır.
Bu bildiride "küçük hacimli, yüksek performanslı” motor
teknolojilerine ve boyut küçültme (downsizing) ile ağırlığı
azaltılmış motor üretim anlayışına değinilerek, bu üretim
felsefesinin kısıtlarına ve uygulanmış en iyi örneklerine yer
verilecektir.
Anahtar Kelimeler: Küçük Hacimli Yüksek Performanslı
Motor, TSI, Hacim Küçültme, Boyut Küçültme, Downsizing.
ABSTRACT
Avrupa’da 2015 yılı itibariyle otomobillerde CO2 emisyon
hedefinin, ortalama 130 g/km olacağı ön görülmüştür [1]. Bu
amaca yönelik olarak çok sıkı çalışmalar yürüten otomotiv
firmaları "küçük hacimli, yüksek performanslı” motor
teknolojilerine hız verdiler. Bu teknolojiler; aşırı doldurma
sistemleri, değişken supap zamanlaması (VTEC), stop-start
(dur-kalk) uygulamaları, değişken sıkıştırma oranı, silindir
başına üç, dört ya da beş supap uygulaması, gelişmiş yanma
konsepti, lambda stratejileri, motor yağlama uygulamaları,
fakir karışımlı aşırı doldurmalı direk enjeksiyon (LBDI) ve
düel enjeksiyon uygulamalarıdır [2]. Ancak "küçük hacimli,
yüksek performanslı” motor teknolojilerinin uygulanmasının
önünde; vuruntu sınırı, termik direnç, mekanik direnç, motor
aşıntıları ve süperşarj/turboşarj cevap süreleri gibi bazı
kısıtlar da bulunmaktadır.
Bu bildiride "küçük hacimli, yüksek performanslı” motor
teknolojilerine ve boyut küçültme (downsizing) ile ağırlığı
azaltılmış motor üretim anlayışına değinilerek, bu üretim
felsefesinin kısıtlarına ve uygulanmış en iyi örneklerine yer
verilecektir.
Anahtar Kelimeler: Küçük Hacimli Yüksek Performanslı
Motor, TSI, Hacim Küçültme, Motorlarda Boyut Küçültme,
Downsizing.
1.
GİRİŞ
"Küçük hacimli, yüksek performanslı” motorlar
kavramından, mümkün mertebe en küçük toplam silindir
hacminden; daha yüksek güç ve moment, daha az yakıt
tüketimi, pompalama ve sürtünme kayıpları anlaşılmalıdır. Bu
amaca
yönelik
olarak
motorlarda
birçok
sistem
uygulanmaktadır. Bunlar; aşırı doldurma sistemleri, değişken
supap zamanlaması (VTEC), değişken sıkıştırma oranı, silindir
başına üç, dört ya da beş supap uygulaması, gelişmiş yanma
konsepti, Lambda stratejileri, motor yağlama uygulamaları,
fakir karışımlı aşırı doldurmalı direk enjeksiyon (LBDI) ve
düel enjeksiyon uygulamalarıdır. Ancak motorların kendi
hacmine göre daha büyük hacimli bir motor gibi performans
sağlaması
çalışmalarını
sınırlayan
bazı
faktörler
bulunmaktadır. Bunlar; vuruntu sınırı, termik direnç, mekanik
direnç, motor aşıntıları ve süperşarj/turboşarj cevap süreleri
vs.’dir. Termik direnç yaygın olarak silindir kapağı, turboşarj
ve egzoz emisyon uygulamalarında oluşmaktadır [3]. Ayrıca
artan ortalama efektif basınç dolayısıyla da mekanik dirençler
ve motor aşıntıları söz konusu olacaktır.
2. MOTORLARDA HACİM KÜÇÜLTME
(DOWNSIZING) VE PERFORMANS ARTTIRMA
STRATEJİLERİ
Hacim küçültme; ya toplam silindir hacmini
arttırmaksızın motor gücünü ve torkunu arttırmak, ya da aynı
güçte motor hacmini küçültmek suretiyle sağlanır. Nihai amaç
ise performansı arttırmak ve yakıt tüketimini azaltmaktır.
Motorlarda hacim küçültme ve performans arttırma
stratejileriyle;
•
Daha az silindir hacmi sayesinde daha az sürtünme ve
ağırlık,
•
Daha küçük silindir hacmiyle, hareketli kütlenin
azaltılması,
•
Turbo besleme sayesinde torkun geniş devir bandına
yayılması,
•
Çift besleme (turbo + kompresör) sayesinde, turbo
boşluğunu azaltılması ya da tamamen yok edilmesi,
•
Önümüzdeki zaman diliminde hibrid teknolojilerin,
küçülen hacimleri desteklemek için daha etkin bir
biçimde kullanılması,
Geleceğin Mühendislik Eğitiminde Endüstri ile İşbirliği Sempozyumu 2012
Bu motorlarda iç soğutma daha iyi sağlandığından, direkt
enjeksiyon uygulamasının verimliliğinin arttırılması,
•
Motorun güç üretim bandının düzgün olmasını sağlamak
için değişken yükleme yapılabilmesi,
diye sıralanabilir [4].
•
Günümüzde ve yakın gelecekteki birim motor
hacmine göre güç ve tork değişimleri sırasıyla Tablo 2.1 ve
Tablo 2.2’de gösterilmiştir. Günümüzde bir litrelik motor
hacmi başına; süper şarjlı direk enjeksiyonlu dizel motor için
65 kW ve süper şarjlı değişken sıkıştırmalı benzinli motor için
110 kW güç üretilmektedir. Gelecekte yapılacak çalışmalarla
bir litrelik motor hacmi için; süper şarjlı direk enjeksiyonlu
dizel motor için 80 kW ve süper şarjlı değişken sıkıştırmalı
benzinli motor için 130 kW güç üretmesi planlanmaktadır.
Tablo 2.1. Motor hacminin litresi başına güç ve tork
– Yaygın mevcut durum
Süperşarjlı Direk enjeksiyonlu dizel
Tabii emişli benzinli motor
Süperşarjlı değişken sıkıştırmalı
benzinli motor
kW/l
65
65
HP/l
87
87
Nm/l
150
100
110
147.5
200
Tablo 2.2. Motor hacminin litresi başına güç ve tork Gelecekteki durum
Süperşarjlı direk enjeksiyonlu
dizel
Tabii emişli benzinli motor
Süperşarjlı değişken sıkıştırmalı
benzinli motor
kW/l
HP/l
Nm/l
80
107
200
65
87
100
130
174
250
Benzinli motorların geçirdiği ve geçirmeye devam
edeceği gelişim süreci, silindir başına 4 supap uygulaması ile
başlamış, değişken supap zamanlaması (VTEC), fakir karışımlı
turbolu direk enjeksiyon uygulamaları ve değişken sıkıştırma
oranı uygulamalarıdır [5]. Fakir karışımlı turbolu direk
enjeksiyon uygulamalarından değişken sıkıştırma oranlı
uygulamalara geçişte yeni bir teknoloji adımına ihtiyaç vardır.
2.1. Aşırı doldurma uygulamaları
2.1.1. Turbo aşırı doldurma uygulaması
Tabii emişli motorlar, normalde atmosferik basınçla
çalışır. Yani, dışarıdan hava alınarak motora verilir. Bu hava,
manifoldda ya da yanma odasında yakıtla karıştırılarak yanma
odasında yakılır. Turbo uygulaması ile motorun silindir
hacmini değiştirmeden daha fazla güç elde etmek için motora
daha yüksek basınçta hava basılmaktadır. Turbo en genel
anlamda bir pompa ve bir de türbinden oluşmuştur. Türbin,
motorun egzoz çıkışında yer almakta ve yüksek basınç ve
sıcaklıktaki egzoz gazlarını kullanarak enerji elde etmektedir.
Elde ettiği enerjiyle emme manifoldundaki pompayı tahrik
etmektedir. Pompa tarafından basıncı yükseltilen hava
çoğunlukla
“ara soğutucu”dan (intercooler/intercooling)
geçirilerek silindirlere gönderilmektedir.
Bu uygulama
motorun torkunu ve gücünü arttırır. Turbo ünitesi, motordan
bağımsız bir ünite olduğu halde, motorun ayrılmaz bir
parçasıdır. Turboşarjlı motorlar, tabii emişli motorlara göre
daha çok tork ve güç üretir.
2.1.2. Mekanik aşırı doldurma (Süperşar/Kompresör)
uygulaması
Kompresörü döndürmek için, motor krank milinden
veya harici bir kaynaktan güç alınır. Örneğin; TSI motordaki
kompresör uygulamasında, tahrik motor tarafından kayışla
yapılmaktadır. Bazı devir aralığında ise kompresör ihtiyaca
uygun olarak manyetik kavramayla devreye girmektedir.
2.1.3.
Hem turbo hem de mekanik aşırı doldurmanın
birlikte uygulanması
Çift beslemeli motor uygulamalarıyla, kompresör
teknolojisinin düşük devirlerdeki gücü ve turbonun yüksek
devirlerdeki üstün performansı bir araya getirilmekte ve
böylece kesintisiz performans sağlanmaktadır. Daha küçük
motor hacmine rağmen yüksek güç ve torktan ödün
verilmeksizin yakıt tüketimi düşürülmektedir. Motor
tarafından mekanik bir yöntemle tahrik edilen kompresör ve
egzoz gazları tarafından tahrik edilen turboşarj seri bağlı
olarak motoru çift beslemeli ve kesintisiz bir güç akışıyla
besler.
Örnek uygulama, Şekil 2.1’de gösterilen TSI
motordur.
Şekil 2.1. Volkswagen'in 1.4 litrelik çift beslemeli TSI motoru
2.2. Değişken emme geometrisi ve değişken supap
zamanlaması
Klasik sabit boyutlu emiş sistemlerine sahip
motorlarda, değişen motor devrine bağlı olarak en optimum
karışımın motora alınmasında bazı kısıtlar olmaktadır. Daha
çok yüksek devirlere göre dizayn edilmiş manifold ve diğer
parçalar, özellikle düşük devirlerde motora giren karışımı
azaltır ve yüksek torka ulaşmayı geciktirir. Bu durumu
iyileştirerek, volümetrik verimi arttırmak amacıyla, silindire
giren havanın, kısa ve uzun olmak üzere iki ayrı yoldan
gidebilmesi için değişken yollu emme manifoldu kullanılmaya
başlanmıştır. Maksimum tork, yakıt hava karışımının doğru
zamanda tam olarak yanması ile elde edilir. Ancak her tam
yanma hava ve yakıt karışımının çok özel bir oranını gerektirir.
Motor her devirde hava ile optimal olarak beslenmelidir. Tabi
emişli motorlarda, manifold yolu silindirin şarjında kayda
değer bir etkiye sahiptir [6].
Değişken supap zamanlaması ve supap açılma
miktarı teknolojisinin kullanılması da bir başka stratejidir.
Değişken supap zamanlaması ve supap açılma miktarı ile
çalışmada ana amaç kısmi yüklerde motor dolgu değişimi
Süleyman Demirel Üniversitesi-Isparta
sırasında gaz kelebeğinin kapalı pozisyonda olmasından doğan
pompalama kayıplarını azaltmak, yani çevrimin dolgu değişimi
sırasında oluşan negatif işi azaltarak verimi yükseltmektir.
Değişken supap mekanizmasının diğer bir değişkeni supap
açılma miktarıdır. Bugünkü dört supaplı motorlarda yük ve
devir sayısına bağlı olarak, emme kanallarından birinin bir
kelebek ile kapatılması veya emme supaplarından birinin
kapalı tutulması ile supap açılma miktarının değiştirilmesi
benzer sonuçlar sağlayabilir. Emme kanallarından birinin iptali
silindir içinde ilave olarak girdap hareketi sağlayacaktır. Böyle
bir sistem -dört supaplı motorlarda iki emme kanalından
birinin kapatılması veya supap açılma miktarının azaltılmasıdüşük devirlerde emme supabı kesitinden geçen dolgunun
kinetik enerjisinden faydalanmayı sağlayarak, volümetrik
verimi arttırmakta, karışım kalitesini iyileştirmekte ve
pompalama kayıplarını azaltmaktadır. Değişken supap
zamanlamalı motorlarda supap zamanlaması motor koşullarına
göre sürekli olarak değiştiği için pompalama kayıpları, normal
motorlara göre daha azdır ve dolayısıyla net güçte daha
fazladır. Honda VTEC, Toyota Dual VVT-i gibi uygulamalar
bunlardan bazılarıdır.
2.3. Dur-kalk sistemleri
Sistem vites boşa alınıp debriyajdan ayak çekilince
devreye giriyor. Sistem güvenliği ve rahatlığı ön planda
tuttuğu için; aracın klima, fren ve direksiyonunda problem
varsa devreye girmiyor. Ayrıca atmosfer sıcaklığı 0 derecenin
altındaysa çalışmıyor. Bu sıcaklıklarda klima sisteminin
ihtiyaç duyduğu enerjinin kesilmemesi için sistem devreye
girmeyerek çalışan motorun gücünü ihtiyaç duyulan aksesuara
gitmesini sağlıyor.
sıkıştırma oranı termodinamik verim üzerinde %4-5 gibi sınırlı
bir artış sağlar [7].
2.5. Diğer uygulanan teknolojiler
Küçük hacimli, yüksek performanslı motor
teknolojilerine yönelik diğer uygulamalar ise; silindir başına
dört ya da beş supap uygulaması, gelişmiş yanma konsepti,
hibrit motorlar, oksijen sensörü stratejileri, yağlama sistemi,
fakir karışımlı aşırı doldurmalı direk enjeksiyon ve düel
enjeksiyon uygulamalarıdır.
3. HACİM KÜÇÜLTME İLE YAKIT TÜKETİMİNİ
AZALTMA STRATEJİLERİ
Avrupa’da 2015 yılı itibariyle otomobillerde CO2
emisyon hedefinin,
ortalama 130 g/km olacağı ön
görülmüştür. Bu amaca yönelik olarak otomotiv firmaları çok
sıkı çalışmalar yürütmektedir. Motorların kendi hacmine göre
daha büyük hacimli bir motor gibi performans sağlaması
çalışmaları hem yakıt tüketimini hem de yakıt tüketimine bağlı
olarak sera etkisi oluşturan CO2 emisyonlarını azaltır. Aynı
güçteki motorlarda, hacminin azaltılmasıyla yakıt ekonomisi
sağlamak için;
a.
Pompalama kayıplarının azaltılması:
Her bir motor devrinde daha az süpürme hacmi,
Sürüş çevriminde daha yüksek ortalama yük (daha
yüksek ortalama emme manifold basıncı),
b.
Gazlardan silindir duvarlarına ısı transferini azaltma:
Azalan iç yüzey alanı,
Daha kısa alev yolu (daha hızlı yanma ve azalan gazduvar ısı değiştirme süresi),
c.
Sürtünme kayıplarını azaltma:
Daha küçük hareketli parçalar [3].
2.4. Değişken sıkıştırma oranı uygulaması
Bilindiği gibi Otto motorlarında sıkıştırma oranını
belirlemede esas sınır vuruntu sınırı ile belirlenmektedir. Otto
motorunda vuruntu meyli en fazla tam yük bölgesinde
sıkıştırma oranını sınırlamaktır. Bugün taşıtlarda kullanılan
Otto motorları, bilindiği üzere ömürlerinin büyük bölümünü
kısmi yük şartlarında geçirmektedirler ve bu işletme
koşullarında sıkıştırma oranını vuruntu olasılığı olmaksızın
arttırarak indike verimi yükseltmek mümkündür. Bunun sebebi
düşük yük ve hız bölgesinde gaz kelebeğinin kapalı
olmasından dolayı emme kanalında basıncın düşmesi ve
beraberinde efektif sıkıştırma oranının azalmasıdır.
Belirli limitler içerisinde motor verimi sıkıştırma
oranıyla artar. Benzinli motorlarda sıkıştırma oranını
belirlemede esas sınır vuruntu sınırıdır. Ondan dolayı değişken
Üzerinde çalışılan teknolojiler
Optimize edilmiş motorlar
Düşük yuvarlanma direncine sahip
lastik teknolojisi
%
3-10
2
Aerodinamik
2
Hacim küçültme
10
Termodinamik yönetimi
5-7
Stop-start sistemi
3-10
Toplam
25-40
Hacim küçültmenin daha etkin olması; belirli bir güçte,
motor devri arttırılmaksızın fakat tüm motor devir aralığında
torkun arttırılmasıyla (silindirlerin doldurulmasının ve
ortalama efektif basıncın [BMEP’nin] iyileştirilmesi ile)
sağlanır. Silindir doldurma optimizasyon yöntemlerinden
birkaçı ile BMEP’yi arttırmak mümkündür. Bunlar;
•
•
•
Silindir başına iki supap değil 4 ya da 5 supap
kullanılması,
Değişken supap zamanlaması,
Süperşarj ve turboşarj uygulaması.
Hacim küçültmenin (Downsizing) en belirgin
faydası, kısmi yüklerde özellikle şehiriçi sürüş çevriminde
daha belirgindir. Ne kadar küçük motor hacmi, düşük yüklerde
o kadar daha az yakıt tüketimi demektir. Bugünün araç ve
motor teknolojisinde yakıt ekonomisine yönelik odaklanılan
çalışma alanları ve etkileri Tablo 3.1’de gösterilmiştir.
Tablo 3.1. Bugünün araç/motor teknolojisinde
ekonomisine yönelik yapılan çalışmalar [1]
yakıt
Geleceğin Mühendislik Eğitiminde Endüstri ile İşbirliği Sempozyumu 2012
Genel olarak yakıt tüketimini azaltma stratejileri ya
doğrudan ya da dolaylı olarak downsizing uygulamalarına da
katkı sağlamaktadır. Tablo 3.2’de temel yakıt ekonomisi
uygulamaları gösterilmiştir.
yüklerde 15/1 - 16/1 sıkıştırma oranı altında işletilirken
sıkıştırma oranının 8/1 düşürülmesiyle aşırı doldurma
uygulaması gerçekleştirilebilir.
4.2. Termik direnç sınırı
Tablo 3.2. Temel yakıt ekonomisi uygulamaları [8].
Teknolojiler
Düşük sürtünmeli yağlayıcılar
Yakıt Ekonomisi, %
0,5
Motorda sürtünmelerin azaltılması
2,0
Değişken supap zamanlaması- emme
kam fazı
1,0
Değişken supap zamanlaması- düel
kam fazı
1,0-3,0
Silindirlerin devre dışı bırakılması
6,0
Sürekli VVLT
1,5-3,5
Kamsız supap işletimi
2,5
Direk benzin enjeksiyonu (GDI) stokiyometrik
1,5
Benzin HCCI düel mod
11,0
Turboşarj - hacim küçültme
6,3
Dizel - LNT
11,5
Dizel - SCR
15,5
6 ileri kademeli otomatik
1,5
6 ileri kademeli otomatikleştirilmiş
manüel şanzıman
6,0
8 ileri kademeli manüel şanzıman
0,5
4. MOTORLARDA HACİM KÜÇÜLTMEYİ
SINIRLAYAN FAKTÖRLER
Motorların kendi hacmine göre daha büyük hacimli
bir motor gibi performans sağlamasını sınırlayan bazı faktörler
vardır. Bunlar; vuruntu, termik direnç, mekanik direnç &
motor aşıntıları ve süperşarj/turboşarj cevap süreleridir.
4.1. Vuruntu sınırı
Sabit sıkıştırma oranlı (Fixed Compression Ratio –
FCR) motorların vuruntu hassasiyeti, şarj havasının
soğutulmasıyla azaltılabilir. Bu, hava yakıt karışımın
zenginleştirilmesi ve/ya da direk yakıt enjeksiyonu ile
yapılabilir. Aşırı doldurmalı motorların yüksek güçlerde
çalıştırılması durumunda dolgunun zenginleştirilmesi yaygın
olarak uygulanmaktadır. Ancak bu uygulama HC ve CO
emisyonlarında artışı da beraberinde getirmektedir.
Direk enjeksiyon bir başka stratejidir. Bu
enjeksiyonda
yanma
odası
içerisinde
yakıtın
atomizasyonundan dolayı karışımın soğumasına neden
olmaktadır. Direk enjeksiyon uygulaması pahalı bir
uygulamadır ve karışımın homojenliği bozulduğundan dolayı
partikül oluşumunda bir miktar artma olabilir.
Değişken sıkıştırma oranı (Variable Compressin
Ratio – VCR),
vuruntu sınırını elimine eder. VCR’li
motorlarda, motor hangi yük altında olursa olsun daima
vuruntu sınırının altında bir çalışma sağlanır. Motor, düşük
Termik direnç, benzinli motorların (SI) boyutlarının
küçültülmesi için en güçlü sınırlayıcı faktörlerdendir. Güç
yoğunluğu artarken; silindir kapağında, egzoz supaplarında,
manifoldda, borularda ve egzoz sistemi art yakıcılarında
termik gerilmeler artar. Yüksek yüklü motorların termik
gerilmelerini minimize etmek için FCR’de mevcut olmayan
VCR uygulaması ile sağlanacak avantajlar;
Motor devri artarken sıkıştırma oranı arttırılabilir (motor
devri artarken, vuruntu hassasiyeti azalır),
En iyi indike verimi elde etmek için motorun sıkıştırma oranı
ile ateşleme avansı arasındaki optimizasyon sağlanabilir.
Neticede;
Daha yüksek genişleme oranı, maksimum güçte yakıt
tüketimini azaltır.
Aynı kompanentleri ve malzemeleri kullanarak kayda
değer mali tasarrufla motorun spesifik gücünü arttırmak
mümkündür.
Motor kompanentlerini soğutmak için dolgunun
zenginleştirilmesini (charge enrichment) arttırmak gerekir
ve art yakıcılar maksimum güce yakın bölgeyle
sınırlandırılır.
Dolgunun soğuması için direk yakıt enjeksiyonuna gerek
yoktur.
4.3. Mekanik direnç sınırı
Şüphesiz boyut/hacim küçültme anlayışı ile üretilen
motorlarda tabi emişli motorlara göre daha büyük mekanik
dirençler söz konusudur. Özellikle süperşarj ve turboşarj
uygulanmış motorlarda, tabi emişli motorlardan daha büyük
güç ve moment oluşturulabilmektedir. Yakın bir gelecekte
aynı ortalama motor devirlerinde işletilen, biri 3 litrelik tabii
emişli motor diğeri 1,5 litrelik aşırı doldurmalı benzinli motor
kıyaslandığında, aşırı doldurmalı motorun iki kat daha büyük
yükle yüklendiği görülecektir. Daha yüksek ortalama motor
yükü, daha kısa motor ömrü demektir.
Boyut/Hacim küçültme, ortalama maksimum silindir
basıncının ve ortalama BMEP’in arttırılmasından dolayı
ortalama yükü arttırır. Sonuç olarak piston vurması (piston
slap) daha güçlü olur ve pistonun radyal gerilmesi artar. Aynı
zamanda silindir yüzeylerindeki segman duvar temas basıncı
da artar. Bu durum silindir aşınmasına ve distorsiyonlara
sebep olur. Neticede silindirlerden yakıt hava karışımının
kaçmasına (blow-by) -daha düşük moment ve verim-, yağ
tüketiminin artmasına (yağ değişim aralığının azalmasına,
kirletici emisyonlara, 3 yollu katalitik konvektörün
verimliliğinin düşmesine) ve gürültüye sebep olur. VCR
uygulaması motorlarda mekanik gerilmelerin azaltılmasını
sağlar.
4.3.1. Süperşarj/turboşarj boşluğu
Süleyman Demirel Üniversitesi-Isparta
Süperşarjlı ve turboşarjlı motorlarda, düşük devirlerden
yüksek devirlere geçişte turbo boşluğu 1 (turbo-lag) çok
önemlidir.
Gelişmiş turboşarj teknolojileri, tamamlayıcı
stratejilerle birleştirilmek zorundadır.
Tabi emişli işletimlerde düşük devirlerde yüksek tork
üreten motorlar tasarlamak gerekir. Tabii silindir dolgusu,
piston devrinin arttırılması -uzun strok tasarımı, küçük
biyel/krank oranı (sinusidal piston hareketi oldukça
düşük devirlerde torku azaltır)- ile düşük motor
devirlerinde arttırılabilir. Daha yüksek piston hızı, düşük
devirlerde motor silindir dolgusunu yükselten bir emme
manifoldu ile birleştirilmek zorundadır. Düşük devirlerde
silindir dolgusu ne kadar iyi olursa, egzoz akışı o kadar
yüksek ve turbonun tepki vermedeki gecikmesi de o
oranda kısa olur.
Birinci vites ve ikinci vites için düşük bir dişli oranıyla,
taşıtın duruşundan harekete geçişinde ortalama motor devrini
ve egzoz akışını arttırmak mümkündür. Bu durum tekerlek
torkunun daha büyük olmasını sağlar ve turbonun tepki
vermedeki gecikmesini azaltır.
Turbonun tepki vermedeki gecikmesini azaltmanın bir
yolu da VCR uygulamasıdır. Turboşarjın türbinini besleyen
egzoz gazlarının entalpisini arttırmak için sıkıştırma oranı
azaltılabilir. Zira VCR, yüksek güçte egzoz gazlarının
sıcaklığını azaltmalıdır. Bu amaca yönelik olarak daha
sofistike turboşarjlar -değişken geometrili turboşarjlaruygulama yoluna gidilmiştir.
5. KÜÇÜK HACİMLİ, YÜKSEK PERFORMANSLI
MOTOR UYGULAMALARI
Downsizing (motor hacimlerinin küçültülmesinden)
sayesinde tüketim ve atık gaz salınımı kadar üretim maliyetleri
de azalmaktadır. Ayrıca downsizing kompakt motorlar daha az
yer kaplar. Bu durum yayaların emniyeti için kullanılacak
alanın da artmasını sağlamaktadır. Bütün bu avantajları elde
etmenin yoluysa değişken supap zamanlama sistemleri ve aşırı
besleme sistemlerinin kullanımıyla tork üretim karakterinin
baştan aşağıya değiştirilmesi. Tutumluluğu genlerinde taşıyan
dizel motorlara nazaran benzinli motorlar için hacim küçültme
konusu daha da büyük bir önem taşımaktadır. Özellikle VW
Grubu bu durumu erkenden fark ederek, hem turbo hem de
kompresörle beslenen TSI motorları geliştirdi. Küçük motor
VW Passat ve Skoda Superb gibi orta sınıf modellerde de
kullanılarak başarısını kanıtladı [9].
Bugünlerde
motorlarda
hacim
küçültme
(downsizing) ve performans arttırma düşüncesinin en iyi
örneği şüphesiz 2006 yılında yılın motoru (engine of the year)
ödülünü alan Volkswagen imzalı TSI motor. Volkswagen'in
kompresör ve turbolu çift beslemeli 1,4 litrelik TSI motoru,
adeta maksimum performans ve minimum yakıt tüketimi
sağlayan bir güç fıçısı. 1,4 litrelik motor hacminden 140 ve
170 PS güç üretebilen çift beslemeli TSI teknolojisi, aşırı
derecede verimli, ekonomik ve spor sürüşe yatkın bir motordur
[10].
1
Turbo boşluğu/gecikmesi: Orijinal ifadesiyle “turbo-lag” olarak
isimlendirilir. Turbonun tepki vermedeki gecikmesidir. Yani turbonun
basınç sağlamasındaki gecikme zamanıdır.
Düşük hacimli bu motor teknolojisi hem daha az
yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları hem de daha büyük güç ve
tork ile daha keyifli bir sürüş sağlar. 170 PS’lik güç çıkışı,
konvansiyonel 2.3 litrelik motorlarla aynı. Ancak bu güç %20
daha düşük yakıt tüketimiyle elde edilebilmektedir. Motor,
240 Nm’lik maksimum tork değerini ise, 1750 ile 4500 d/d’de
sağlamaktadır.
Çift beslemeli, doğrudan enjeksiyonlu benzinli
motor olan TSI’de, kompresör teknolojisinin düşük
devirlerdeki gücü ve turbonun yüksek devirlerdeki üstün
performansı bir araya getirilmiş. Böylece kesintisiz performans
sağlanırken, daha küçük motor hacmine rağmen yüksek güç ve
torktan ödün verilmeksizin yakıt tüketimi düşürülmüş.
Birbirine seri olarak bağlı bir kompresör ve turboşarjın
kombine edilmesi ile çift şarjlı “twincharger” litre başına
121,5 PS güç üretilmektedir. Rölantide yaklaşık 2400 d/d’ye
kadar kompresör çalışmaktadır. 2400 ile 3500 d/d aralığında
kompresör ihtiyaca uygun olarak manyetik kavramayla
devreye girmektedir. Bir ayar klapesi emilen taze havayı
kompresör
üzerinden
veya
doğrudan
turboşarja
yönlendirmektedir. Sadece turboşarjlı işletimde, yaklaşık 3500
d/d’den itibaren ayar klapesi açık ve kompresör devre dışı
kalmaktadır. Hava alışılagelmiş turbo motorlarda bilinen yolu
takip ederek önce ara soğutucuya (intercooler) ve ardından gaz
kelebeğiyle emme manifolduna ulaşmaktadır.
TSI; süperşarjlı ve turboşarjlı direk enjeksiyonlu
FSI motoru temsil eder. Arttırılmış yanma verimi ile daha az
yakıt tüketimi ve daha az emisyon oluşturur. Motor tarafından
kayışla tahrik edilen süperşarj (kompresör) ve egzoz gazları
tarafından tahrik edilen turboşarj seri bağlı olarak motoru çift
beslemeli ve kesintisiz bir güç akışıyla besler. Çift beslemeli
TSI teknolojisi, aşırı derecede verimli, ekonomik, spor sürüşe
yatkın ve sürücüsüne büyük hacimli bir atmosferik motorun
sunduğu performansı sunan bir motor teknolojisidir.
Fabrika verileri VW Golf VI’da 1.4 TSI’nın (160
hp) sadece 6,3 l/100 km yakıt tüketeceğini belirtilmektedir. Bu
da 150 hp gücüne sahip 2.0 FSI’ya oranla her 100 km’de 1,6
litre daha az tüketim anlamına geliyor. Şekil 5.1’de her iki
motorun güç ve tork eğrisi gösterilmiştir. VW Up’ta
kullanılacak olan 1,2 litrelik motor ise, 3 silindiriyle eşdeğer
güce sahip bir 4 silindirli motordan yüzde 5 ile 6 arasında
daha az yakıt tüketebilecek. Golf GTI’dan tanıdık olan ve artık
211 hp güce ve değişken supap zamanlama sistemine sahip
hale getirilen 2,0 litrelik TFSI motor, 2010 yılında Audi Q5’in
hibrid motorlu versiyonu için temel motor olarak hizmet
verecek [9].
Bu değişim lüks sınıfa kadar uzanmaktadır. BMW
bile motorlarında turbo besleme kullanmaya başladı. Bunun
ilk örnekleri yeni 7 Serisi ve X6’da kullanılan 4,4 litrelik çift
turbo beslemeli V8 motor [Şekil 5.2]. Bu motor, 4 eksik
silindirle V12’nin sahip olduğu performans seviyesine
ulaşabiliyor ve buna rağmen daha az yakıt tüketiyor.
Geleceğin Mühendislik Eğitiminde Endüstri ile İşbirliği Sempozyumu 2012
Mazda
RX-8
Wankel
Mazda3 MPS
Mercedes C200 CGI
Mercedes***
200 K
SLK
Tanımlama
Mini Cooper S****
Mitsubishi
Colt
CZT 1.5
Opel*****
Astra
1.6 Sport Turbo
Ortalam Yakıt
Tük (100 km/l)
Lancia Delta 1.4 T
155
230
8,0
6,5
211
350
6,5
7,4
326
450
5,9
9,9
201
193
6,6
9,1
150
206
8,7
7,0
231
211
6,4
11,4
380
380
6,1
9,6
184
250
9,5
7,9
184
250
7,6
7,7
Ortalam
Yakıt Tük
(100 km/l)
Honda Civic Type R
0-100 km/h
hızlanma, (s)
BMV 740i**
13
68
19
84
29
79
19
98
13
68
13
08
22
61
17
96
17
96
0-100 km/h
hızlanma,
(s)
Alfa Romeo Mito
1.4
Audi A4 2.0 TFSI*
Mak. Moment
(Nm)
Tanımlama
Mak.
Moment
(Nm)
Dizel motor üreticileri arasında BMW en mantıklı
davranışı sergiliyor ve aşırı beslemeli 3,0 litrelik 6
silindirlilerin faydasıyla V8’den tamamen vazgeçmek istiyor.
Hazırda yeni bir 4 silindirli dizel motor bekleten Mercedes de,
benzer bir yola başvurmaya hazırlanıyor [9].
Tablo 5.1. Küçük hacimli yüksek performanslı motorlar [11].
Mak. Güç (PS)
VW motor şefi Wolfgang Hatz doğru maksimum
yükleme derecesini şu an litre başına 175 Nm olarak buluyor.
Bu tezi de şu ana kadar 2.0 TFSI ile Audi A4 ve Q5’de
gerçekleştirilmiş durumda. Hatz ekliyor: “hacim küçültme
daha az tüketim için benzinlilere en büyük kapıyı açıyor. Aşırı
beslemeli motor, atmosferik beslemeli motorla aynı devri
çevirirken daha az tüketimle daha yüksek tork verisi
sunabiliyor” [Şekil 5.3].
6. SONUÇ
Downsizing (motor hacimlerinin küçültülmesinden) sayesinde
tüketim ve atık gaz salınımı kadar üretim maliyetleri de
azalmaktadır. Ayrıca downsizing kompakt motorlar daha az
yer kaplamaktadır. Bu durum yayaların emniyeti için
kullanılacak alanın da artmasını sağlamaktadır. Bütün bu
avantajları elde etmenin yoluysa değişken supap zamanlama
sistemleri ve aşırı besleme sistemlerinin kullanımıyla tork
üretim karakterinin baştan aşağıya değiştirilmesi. Tutumluluğu
genlerinde taşıyan dizel motorlara nazaran benzinli motorlar
için hacim küçültme konusu daha da büyük bir önem
taşımaktadır.
Mak. Güç
(PS)
Değişken geometrili turbo besleme sistemler, alt
devir cansızlığının önüne geçebiliyor. Fakat bu çözüm sadece
düşük sıcaklıkta çalışan dizel motorlar için uygulanabiliyor.
Benzinli motor için bu çözümü sunan tek üretici Porsche ve
onun bulduğu çözüm de gerçekten çok karmaşık ve pahalı.
Mercedes motor geliştirme şefi Leopold Mikulic bu konuya
heyecanla yaklaşıyor: “Elbette ki benzinli motorlar için
değişken geometrili türbin çalışmaları yapıyoruz.” Diyor.
BMW ise çift turbo besleme sistemi kullanmayı tercih ediyor.
Günümüzde kullanılan diğer küçük hacimli, yüksek
performanslı motorlara örnekler Tablo 5.1’de gösterilmiştir.
Motor Hacmi
(cc)
Audi ise yeni S4’de 3,0 litrelik kompresör beslemeli
V6 motor kulanlar, yerini doldurduğu V8’in performansını
sunabiliyor. Yakıt tüketimi de yaklaşık %20 oranına
düşebilmektedir. Sportif otomobillerde aşırı besleme sayesinde
performansı ikiye katlamak bile mümkün olabilmektedir.
Ancak sadece sınırlı bir turbo boşluğu toleransı ve tork
üretiminin dengelenmesi şartıyla. BMW’nin çift Vanos sistemi
ve piezo seramik enjektörlü direkt enjeksiyonlu yakıt sistemi,
tüketimi %20 oranında azaltmaya yardımcı olmaktadır. Piezo
seramik enjektörler çok yeni sayılmaz. Uzun zamandır dizel
motorlarda kullanılmaktadır. BMW, dizellerde piezo
enjeksiyon sayesinde elde edilen tasarrufu yaklaşık yüzde 5
olarak açıklıyor.
Şekil 5.3. Audi A4’ün
önceki
nesline
göre
performans,
tork
ve
tüketim
konusundaki
gelişimi.
Motor
Hacmi (cc)
Şekil 5.1. VW Golf VI’da 1.4 TSI (160 hp) ve 2.0 FSI (150
hp) ile tork ve güç açısından kıyaslanması [9].
Şekil 5.2. BMW 7 serisi’nin
turbo beslemeli daha küçük
motorlar sayesinde yüksek yakıt
tasarrufu.
15
98
14
99
15
98
175
240
7,1
6,2
150
210
8,0
6,8
180
230
8,5
6,8
Süleyman Demirel Üniversitesi-Isparta
Opel Corsa 1.6
15
192
230
7,2
7,9
Turbo OPC
98
140
200
9,9
5,9
Opel Astra 1.4 Sport 13
Turbo
64
Peugeot 207 RC Le
15
175
240
7,1
7,2
Mans 1.6 THP
98
Range Rover 5.0
50
510
625
6,2
14,9
Supercharged
00
Saab 9-3 Seda 2.0
19
210
300
8,8
9,6
TS Vector
88
Seat Ibiza SC 1.4
13
160
235
7,9
6,3
TSI
90
Seat Leon 2.0 TSI
19
240
300
6,4
8,3
Cupra
84
13
160
240
8,0
6,0
VW****** Golf GT
90
1.4 TSI
* Audi’nin birçok modelinde hacim küçültme stratejisi uygulanan başka
motor seçenekleri kullanılmaktadır.
** BMW’nin bazı modellerinde hacim küçültme stratejisi uygulanan
başka motor seçenekleri kullanılmaktadır.
*** Mercedes’in E200 ve E250 modellerinin bazılarında hacim
küçültme stratejisi uygulanan motorlar kullanılmaktadır.
**** John Cooper Works ve diğer S modellerinde hacim küçültme
stratejisi uygulanan motorlar kullanılmaktadır.
***** Opel’in Astra ve Insignia modellerinin bazısında da hacim
küçültme stratejisi uygulanan motorlar kullanılmaktadır.
****** VW’nin Passat, Tiguan, Touran ve Scirocco gibi birçok
aracında hacim küçültme stratejisi uygulanan motor kullanılmaktadır.
2015 yılı itibariyle otomobillerde Avrupa CO2 emisyon hedefi
ortalama 130 g/km olarak ön görülmüş. Motorlarda göreceli
boyut küçültme ya da daha büyük hacimli bir motor gibi
performans sunması üzerine geliştirilen çözümler ile yakıt
tüketimi ve CO2 emisyonlarının azaltılması stratejisi
gerçekleştirilmeye çalışılmaktadır. Geleceğin düşük hacimli,
değişken sıkıştırma oranlı motorları günümüzdeki benzinli
motorlardan hem çok daha güçlü ve torklu hem de daha
ekonomik olacaktır.
Gelecekte üzerinde düşünülecek olan konu ise durumun biraz
daha elektriklenmesi olacak. Elektrik gücünün fosil yakıtların
kullanımını azaltıp çevreyi ve tüketicinin cebini korumasının
sağlanması üzerinde yoğun çalışmalar yürütülmektedir.
KAYNAKLAR
[1]. Fehre, N., Schneider, H., ``Hybrids and Electric
Vehicles: Hype or sustainable investment? The truth
about market potential and investment ideas'',
Industrials/Global Autos – Equities, 2009.
[2]. Demir, A., ``Minimumdan maksimum almak: Küçük
hacimli, yüksek performanslı motor teknolojileri'',
Otohaber Dergisi, 2007.
[3]. Anonymous, ``Engine Downsizing'', http://www.mce
5.com/vcr_strategy/downsizing.html, 2009.
[4]. Demir, A., Downsizing Motor Üretim Felsefesi'',
www.otomotivbilgi.com web sitesi, 2010.
[5]. Rabhi, V., ``Turbocharged in-Line Four-Cylinder MCE5 VCR SI Engine'', Engine Expo – Stuttgart, 2007.
[6]. Demir, A., ``Değişken Yollu Emme Manifoldu'',
www.otomotivbilgi.com web sitesi, 2010.
[7]. Birch, S., ``Variations on a Theme by Saab'';
Automotive Engineering (SAE), pp 54, 2001.
[8]. Jobin. P., Yamaguchi. J., ve diğ., ``Electric Vehicles,
Global Equity Research - Energy Technology / Auto
Parts & Equipment'', Credit Suisse, 2009.
[9]. Kitler, E., Tercüme: Ebru Akyürek, ``Bir İkiden büyük
mü? '', Auto-Motor & Sport, 2009.
[10]. Anonymous, ``Spotlight on the Volkswagen Golf TSI'',
www.green-car-guide.com, 2006.
[11]. Anonymous, ``Otohaber Otoborsa Eki'', Sayı: 16, 2010.