Motor Konfigürasyonları: Sıralı, V Tipi ve Düz (Boxer) Motorlar

20. yüzyılın başlarında, otomotiv mühendisliğinin hızla ilerlediği dönemde, 10 litrelik bir motor tek silindirli bir ünite ya da sekiz silindirli sıralı bir motor olabiliyordu. O günlerde kimse 23 litrelik altı silindirli sıralı bir motora ya da bir uçaktan sökülerek arabaya yerleştirilen yedi silindirli radyal bir motora şaşkınlıkla bakmıyordu.

Seri üretim yaygınlaştıkça ve maliyet baskıları arttıkça her şey yerli yerine oturdu. Tek silindirli motor tarihe karıştı. Bugün sıradan bir otomobil motorunda ortalama silindir hacmi 300 ile 600 santimetreküp arasında seyrederken, özgül güç doğal emişli bir dizel motorda litre başına yaklaşık 35 beygirden yüksek performanslı bir benzinli motorda 100 beygire kadar çıkabiliyor. Bunlar kitlesel üretim için en uygun değer aralıkları; bu sınırların dışına çıkmak ekonomik açıdan cazip değil.

Peki modern motor dünyası nasıl bir görünüm sunuyor? Genel hatlarıyla:

• 100 beygirlik motorlar genellikle dört silindirlidir
• 200 beygirlik motorlar çoğunlukla dört, beş ya da altı silindirle çalışır
• 300 beygirlik motorlar ise yaygın olarak sekiz silindir kullanır

Peki bu silindirler nasıl düzenlenebilir? Mühendisler çok silindirli bir motor tasarlarken hangi yerleşim seçeneklerine sahiptir? Gelin bu konuyu ayrıntılı inceleyelim.

Sıralı Motorlar: Basit ama Giderek Daha Az Pratik

Her motor tasarımcısının aklındaki temel soru, tasarımı nasıl basitleştireceğidir; yani üretim maliyetlerini düşük, bakımı ise kolay nasıl tutacağıdır. Bu açıdan bakıldığında sıralı (düz) motor tartışmasız öne çıkar. Silindirler tek sıra halinde dizilir; kapasiteyi artırmak için yapılması gereken tek şey daha fazla silindir eklemektir.

Sıralı motor varyantlarının pratikte nasıl konumlandığına bakalım:

• İki ve üç silindirli motorlar otomobillerde görece nadirdir; ancak iki silindirli format, gelişmiş yakıt enjeksiyonu ve turbo şarj sayesinde yeniden sahneye dönmektedir. Bunun en güzel örneği Fiat 500’deki 85 beygirlik turbolu iki silindirli motordur.
• Dört silindirli sıralı motor, 1,0 ile 2,4 litre arasında değişen hacmiyle binek otomobil dünyasının yük atı konumundadır.
• Beş silindirli sıralı motorlar daha yakın dönemin bir gelişmesidir. Mercedes-Benz, 1974 yılında W123 platformundaki 300D modeliyle beş silindirli dizel motoru öncülüğünü üstlendi; iki yıl sonra Audi iki litrelik benzinli beş silindirli motorunu tanıttı; ardından Volvo ve Fiat 1980’lerin sonlarında bu topluluğa katıldı.
• Altı silindirli sıralı motorlar, pürüzsüz çalışmalarıyla uzun süredir Avrupa’nın gözdesi olmuştur; ancak giderek azalmaktadır. Daha da uzun olan sekiz silindirli sıralı motoru ise 1930’larda fiilen terk edildi.

Bu eğilimin nedeni son derece açıktır: ne kadar çok silindir eklenirse motor o kadar uzar ve bu durum ciddi yerleşim sorunlarına yol açar. Örneğin altı silindirli sıralı bir motoru öne çeken bir otomobilin motor bölmesine enine yerleştirmek yalnızca birkaç özel durumda başarılmıştır: Austin Maxi 2200 (şanzımanın motorun altına sıkıştırılmasını gerektirmiştir) ve son derece kompakt şanzımanıyla Volvo S80.

V Tipi ve Düz (Boxer) Motorlar: Kompakt ama Karmaşık

Peki sıralı bir motoru nasıl kısaltabilirsiniz? Şık çözüm şudur: motoru ikiye bölün, iki yarıyı yan yana yerleştirin ve tek bir krank milini her ikisiyle birden tahrik edin. İşte V motorunun özü budur.

En yaygın V motor konfigürasyonları, silindir sıraları arasında 60° veya 90° lik açı kullanır. Bu açıyı 180°’ye kadar genişlettiğinizde, yani silindirler birbirinin tam tersine bakacak şekilde konumlandırıldığında, düz motor ortaya çıkar; boxer motor olarak da bilinir (B2, B4, B6 gibi isimler buradan gelir).

Sıralı motorla kıyaslandığında bu konfigürasyonların önemli dezavantajları vardır:

• İki silindir kapağı — her birinin kendi contası ve manifoldları bulunur
• Daha fazla eksantrik mili ve daha karmaşık supap tahrik düzeni
• Daha fazla genişlik (özellikle düz motorlarda), bu da yerleştirilebilecekleri yerleri kısıtlar
• Daha yüksek üretim maliyeti ve daha karmaşık bakım gereksinimleri

Bu dezavantajlar nedeniyle düz motorlar yalnızca az sayıda üretici tarafından tercih edilmektedir; günümüzde en öne çıkanlar Porsche ve Subaru’dur.

Peki açıyı 60°nin altına indirerek V motoru daha da kompakt hale getirmek mümkün müdür? Bu deneme yapılmıştır: 1970’lerin Lancia Fulvia‘sı yalnızca 23°’lik açıya sahip bir V4 kullanıyordu. Ancak bir sorun var: açı ne kadar darsa motoru dengelemek o kadar güçleşir. Bu bizi motor tasarımındaki en kritik zorluklardan birine götürür.

Motor Titreşimi: Kuvvetler, Momentler ve Bunlarla Başa Çıkma Yöntemleri

Pistonlu hiçbir içten yanmalı motor titreşimden tamamen azade değildir; bu, tasarımın doğasında vardır. Ancak titreşimi yönetmek yalnızca sürüş konforu açısından değil, başka nedenlerle de kritik öneme sahiptir. Dengelenmemiş şiddetli titreşimler, motor bileşenlerini fiziksel olarak tahrip edebilir; yüksek hızda fırlayan parçalar felaket boyutunda sonuçlara yol açabilir.

Motor titreşiminin kaynakları nelerdir? Üç temel neden vardır:

• Eşit olmayan ateşleme aralıkları — bazı motor konfigürasyonlarında güç stroku tam olarak eşit aralıklarla gerçekleşmez; bu durum tork dalgalanmasına yol açar. Daha ağır bir volan bu dalgalanmayı dengelemeye yardımcı olabilir.
• Piston atalet kuvvetleri — pistonlar strok üst noktasına doğru ivmelenip yavaşlarken (ve alt noktada tam tersini yaparken) atalet kuvvetleri üretir; bunlar bir araç fren yaparken ya da hızlanırken hissedilen kuvvetlere benzer.
• Biyel kolu geometrisi — biyel kolu düz bir çizgide hareket etmez, pistonun hareketi de mükemmel bir sinüzoid değildir; bu durum krank mili hızının katlarında ek kuvvet bileşenleri ortaya çıkarır.

Bu yüksek dereceli atalet kuvvetleri genellikle ihmal edilebilir düzeyde kalır; ancak krank mili frekansının iki katında etkiyen ikinci dereceden kuvvetler her zaman hesaba katılmak zorundadır. Komşu silindirlerdeki atalet kuvvetleri birbirinden belirli bir mesafede zıt yönlerde etki gösterdiğinde moment çiftleri de ortaya çıkar ve bu durum tasarıma ayrı bir karmaşıklık katmanı ekler.

Mühendislerin bu kuvvetlerle mücadelede başvurduğu iki temel yöntem vardır:

• Doğası gereği dengeli bir konfigürasyon seçmek — silindirleri ve krank mili açıklıklarını, kuvvetlerin ve momentlerin birbirini doğal olarak iptal edeceği biçimde düzenlemek.
• Denge milleri eklemek — krank miline zıt yönde dönen, eşit ve karşıt kuvvetler üreten ağırlıklı yardımcı milleri sisteme dahil etmek. Bu yöntem maliyet ve mekanik karmaşıklık getirir; ancak sorunlu titreşim modlarını tamamen ortadan kaldırabilir.

Yaygın motor düzenlemeleri arasında yalnızca ikisi teorik olarak mükemmel dengeye sahiptir: altı silindirli sıralı motor ve altı silindirli düz motor. BMW ile Porsche’nin bu konfigürasyonlara bu denli bağlı kalmasının; diğer üreticilerin ise yerleşim zorluklarına karşın bu motorlardan vazgeçmekte isteksiz davranmasının ardında yatan neden de tam olarak budur.

Konfigürasyona Göre Motor Dengesi: Pratik Bir Rehber

Her büyük motor konfigürasyonunun titreşim ve denge açısından gerçek dünyada nasıl bir performans sergilediğine bakalım.

İki silindirli sıralı motorlar (kranklerin aynı yönde döndüğü), denge açısından tek silindirli motora benzer davranır; her iki piston eş fazlı olarak iner ve çıkar. Rus yapımı Oka, birinci dereceden atalet kuvvetleriyle baş etmek için zıt yönde dönen iki denge mili kullandı; ikinci dereceden kuvvetler ise giderilmeden bırakıldı. İki ek denge mili eklemek, bu kadar küçük ve uygun fiyatlı bir araç için tamamen gereksiz olurdu. Orijinal 1957 Fiat 500 ve Hint yapımı Tata Nano gibi pek çok iki silindirli motor, denge mili kullanmadan çalıştı; titreşimi emmek için esnek motor taşıyıcılarına güvenildi. Ucuz, basit ve bütçe odaklı uygulamalar için yeterince kabul edilebilir bir çözüm.

Krankleri 180°’de olan iki silindirli motorlar (pistonların ters fazlı hareket ettiği düzende) daha iyi birincil denge sunar; ancak eşit ateşleme aralıklarına yalnızca iki zamanlı konfigürasyonda ulaşılabilir. Bu düzeni savaş öncesi DKW’lar ve onların ardılı olan Doğu Alman Trabant kullanmıştır.

V ikili motorlar günümüzde neredeyse yalnızca motosikletlerde hayatta kalmıştır; Harley-Davidson ve onu taklit eden Japon üreticiler bu alanda akla ilk gelenlerdir. NAMI-1, bu düzeni kullanan hemen hemen tek otomobil olarak tarihe geçmiştir. Krank milindeki dengeleme ağırlıkları tam dengeye yakın bir nokta sağlayabilir; ancak eşit ateşleme aralıklarına ulaşmak mümkün değildir.

Üç silindirli motorlar, dört silindirli sıralı motordan daha kötü bir dengeye sahiptir. Subaru ve Daihatsu gibi üreticiler denge milini standart donanım olarak sunar; Opel’in ise 1996’da tanıtılan ikinci nesil Corsa için geliştirdiği Ecotec üç silindirli motorunda denge miline yer vermemesi maliyeti düşürse de modele Alman otomotiv basınında kötü bir ün kazandırdı; araç için “şehir içi değişken sürüş koşullarında kullanılması kesinlikle imkânsız” yorumu yapıldı.

Dört silindirli sıralı motorlar — dünyanın en yaygın düzeni — yalnızca krank mili hızının iki katında dönen bir denge miliyle giderilebilecek serbest ikinci dereceden bir atalet kuvvetine sahiptir. Ortaya çıkan momenti dengelemek için ters yönde dönen ikinci bir mile ihtiyaç vardır. Maliyetli, evet — ancak Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat ve Volkswagen Grubu markaları yüksek konfor gerektiren uygulamalarda bu düzeni kullanmıştır.

Dört silindirli düz motorlar, sıralı muadillerine kıyasla biraz daha avantajlıdır; yalnızca bir ikinci dereceden moment çifti kalır ve bu da motoru dikey ekseni etrafında yalpalama eğilimine sokar. Bununla birlikte hem hava soğutmalı Beetle motoru hem de Subaru’nun boxer üniteleri onlarca yıldır denge mili olmaksızın sorunsuz çalışmaktadır.

Beş silindirli sıralı motorlar, telafi edilmiş birincil atalet kuvvetlerine sahipken blok boyunca sürekli ilerleyen bir bükme momenti torkundan muzdariptir; bu durum son derece rijit bir yapı gerektirmektedir. Mercedes-Benz, Audi ve Volvo bu sorunu rafine motor taşıyıcıları ve dengeleme ağırlıkları aracılığıyla (örneğin Audi TT RS’deki kompresörlü 2,5 TFSI motorunda olduğu gibi) çözerken Fiat’ın mühendisleri bir adım öteye geçerek tam bir denge mili kullandı.

İlgi çekici bir ayrıntı olarak belirtmek gerekir: neredeyse tüm beş silindirli motorlar, temelde bir dört silindirli motora eklenmiş tek bir ekstra silindirden ibarettir. Bu modüler yaklaşım, piston, biyel kolu ve supap sistemi bileşenlerinin ortak kullanılmasına olanak tanır; yalnızca blok, silindir kapağı ve krank mili (72°’lik aralıklarla konumlandırılmış açıklıklarıyla) değiştirilmek zorundadır.

Sıralı altı silindirli motorların yerini alan V6 motorlar, üç silindirli motorlarla aynı denge özelliklerine sahiptir; yani ideale uzak bir tablodur. İlk Mercedes-Benz V6 motoru (silindir başına üç supaplı M112), bu sorunu silindir sıraları arasındaki vadiye yerleştirilen bir denge miliyle çözdü. PSA Grubu’nun üç litrelik altı silindirli motoru bu mili silindir kapağına yerleştirdi. Diğer üreticiler ise Audi V6’sında görüldüğü üzere, ek karmaşıklığa başvurmadan titreşimi en aza indirmek için dikkatli krank pimi ofseti tercih etti. 90°’lik açı kullanan V6 motorlar başka bir sorun daha yaratır: ağırlıklı bir volanın yalnızca kısmen giderebildiği doğası gereği eşit olmayan ateşleme aralıkları.

Krank mili açıklıklarının birbirine dik iki düzlemde konumlandırıldığı 90°’lik banka açısına sahip V8 motorlar çok iyi dengelenmiştir. Eşit ateşleme aralıklarına ulaşmak mümkündür; yalnızca krank mili uç yataklarındaki dengeleme ağırlıklarıyla kolayca giderilebilecek iki artık moment çifti kalır. Amerikalı mühendislerin V8’e bu denli büyük ilgi göstermesinin temel nedenlerinden biri de budur: titreşime kesinlikle tahammül etmezler.

V4 motorlar otomobillerde nadir kullanıldı ve artık neredeyse tarihe karıştı. Avrupa Ford V4’ü (Taunus, Capri ve Saab 96’da kullanılan) ile Zaporozhets’in tuhaf V4’ü, birinci dereceden moment çiftleri için denge miline ihtiyaç duyuyordu. Belirleyici etkenler kompaktlık ve maliyet oldu; denge ise ikincil bir öneme sahipti.

V10 motorlar, beş silindirli sıralı motorlarla aynı denge özelliklerini paylaşır. Bu durum Formula 1 motor tasarımcılarını, Dodge Viper’ı ya da Dodge RAM’i bu motoru tercih etmekten alıkoymadı; ihtiyaç duyulan güç söz konusu olduğunda titreşim yönetimi ikinci plana atılır.

Daha egzotik düzenlemelere gelince: Porsche 917 yarış araçlarında kullanılan sekiz silindirli düz motor özünde ortak bir krank miline bağlanmış iki dört silindirli düz motordan oluşurken, V12 ve düz 12 motorlar iki adet altı silindirli sıralı motora indirgenebilir; bu da onların olağanüstü pürüzsüzlüğünü açıklar.

VR6, VR5 ve W Motorlar: Volkswagen’in Ambalaj Dehası

Daha önce Lancia Fulvia örneğinde dar açılı V motorlara değinmiştik. Bu motorlar onlarca yıl boyunca göz ardı edildi; zira 60° veya 90°’lik düzenlemelere kıyasla dengelenmesi daha güçtü ve sağladığı ambalaj avantajları bu zahmete değer görünmüyordu. Sonra öncelikler değişti.

Oyunun kurallarını değiştiren iki gelişme yaşandı:

• Hidrolik motor taşıyıcıları yaygınlaştı ve motorun teorik dengesi ne olursa olsun titreşim iletimini büyük ölçüde baskıladı.
• Kaput altındaki alan giderek daraldı ve bu da kompaktlığı birinci öncelik haline getirdi. Kim hayal ederdi ki mütevazı bir hatchback’in altında 2,8 litrelik altı silindirli bir motor saklı olacağını? Volkswagen bunu başardı.

Volkswagen VR6 — “VR” kısaltması Almanca’da V-Reihen (V-sıralı) anlamına gelir — dar açı kavramını Lancia’nın gittiği yerin çok ötesine taşıdı; silindirler arasında yalnızca 15°’lik açı kullandı. Sonuç o kadar kompakt oldu ki motor pratikte ofset bir sıralı motor gibi işlev görüyor; üstelik dikkat çekici biçimde her iki silindir sırası için tek bir silindir kapağı kullanıyor. 2,8 litrelik altı silindirli bir motor, sıradan bir V6’nın sığmayacağı bir yere yerleştirilebiliyor — bu motor ilk kez üçüncü nesil Volkswagen Golf’te kullanıldı.

Volkswagen’in mühendisleri bu kavramı daha da ileri taşıdı:

• VR5, VR6’dan bir silindir çıkarılmasıyla ortaya çıktı.
• W8, tek bir krank miline bağlı iki kısaltılmış VR ünitesini (her biri dört silindir) bir araya getirdi ve amiral gemisi Passat’a yerleştirildi.
• W12, 1998’de W12 Roadster konsept aracında ilk kez göründü: tek bir krank miline 72°’lik açıyla monte edilmiş iki VR6 motoru.
• W16 — dört turbo şarjlıyla — Bugatti Veyron’u saatte 431 km’ye ulaştırır ve bu mimarinin en uç üretim uygulamasını temsil eder.

Bu düzenlemeler neden daha önce ortaya çıkmadı? Çünkü bunları mümkün kılan bilgisayar destekli tasarım oldu. Bu denli karmaşık geometrilerde dahil açısını, krank pimi konumlarını, ateşleme sırasını ve denge özelliklerini optimize etmek, 1990’lardan itibaren yaygınlaşan hesaplama gücü olmaksızın pratik olarak imkânsızdı. Bir W12’nin krank mili tek başına bir makine ustasının kabusu niteliğindedir; her toleransın bilgisayar tarafından doğrulanmış olması durumunda mantıklı olabilecek türden bir parça.

Gerçek Hayatta Motor Tasarımında Gerçekten Önemli Olan Nedir?

Tüm bu bilgilerden çıkarılacak tek bir ders varsa o da şudur: teorik denge, bir mühendisin motor düzeni seçerken nadiren belirleyici etken olur. Gerçek öncelikler şunlardır:

• Ambalaj — motor bölmesine sığıyor mu?
• Ağırlık ve güç yoğunluğu — uygulama için en uygun oran nedir?
• Üretim maliyeti — bileşenleri bir model ailesiyle paylaşabiliyor mu?
• Modülerlik — üreticiler giderek artan biçimde, üç silindirli ekonomi motorlarından on iki silindirli amiral gemisi motorlarına kadar tüm aileyi ortak bir piston ve silindir çapı mimarisine dayandırıyor

Mercedes-Benz’in mevcut motor serisinin modüler yaklaşımın ders kitabı niteliğinde bir örneği olduğunu söyleyebiliriz: ortak bir mimari, birbirinden çok farklı güç çıkışlarına ve silindir sayılarına sahip motorların temelini oluşturuyor.

Titreşim konusuna gelince, şunu hatırlatmak gerekir: teorik denge ile gerçek denge birbirinden oldukça farklı şeylerdir. Mükemmel dengeli bir altı silindirli sıralı motor bile, krank mili düzeneği gereği gibi dengelenmemişse ya da pistonlar ve biyel kolları ağırlık bakımından birbirinden belirgin biçimde farklıysa titrer. Gerçek üretim toleransları ve yük altındaki bileşen deformasyonu, pratikte hiçbir motorun denklemlerin öngördüğü kadar pürüzsüz çalışmamasına neden olur. İşte bu yüzden motor taşıyıcısı tasarımı — yani güç ünitesinin araçtan nasıl izole edildiği — düzenin kendisi kadar önemlidir. Hatta zaman zaman daha da önemli.

Bu bir çeviridir. Orijinali buradan okuyabilirsiniz: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html