Formula 1, tarihi boyunca otomotivdeki teknolojilerin ilk denendiği öncü motor sporları serisi olmuştur. Adı Formula 1 değilken dahi, 1920’lerden itibaren otomotiv sektörünün bulduğu yenilikleriyle mücadele ettiği alan, bu seri olmuştur.

Formula 1, 2009 yılında bir dönüm noktasından geçti ve ilk defa elektrik güç üniteleri tahrik amaçlı kullanılmaya başlandı. KERS adıyla anılan ve 82 beygir güç üreten bu teknoloji, ilk yıllarında zorlukla emeklemesine rağmen 2014 sezonuyla birlikte tam kurumsal bir kimlik aldı. KERS’in ilk yılında bu teknolojiyi dört takım kullanmaya başladı. Fakat iki takım, teknolojinin fazla komplike olması ve o dönemde tehlikeli olması nedeniyle sezon içinde kullanmayı durdurdu. KERS kullanarak podyuma çıkan ilk araba BMW motoru kullanıyordu. KERS ile yarış kazanan ile arabaysa Mercedes motorlu idi.



Resim 1: Podyuma çıkan ilk KERS kullanan araba. BMW motorlu aracın pilotu Nick Heidfeld'di.

Cin şişeden çıktıktan sonra tekrar zorla şişeye sokulamıyor. Bir teknoloji bulunduysa ve kullanılmaya başlandıysa, o noktadan geriye dönüş olmuyor. Hibrit teknoloji de bir kere Formula 1’e girmişti ve geriye dönüş yoktu. 2014 yılı itibarıyla tüm motorlar hibrit oldu.

Bugünkü hibrit motorlarla ilgili kurumsal kimliğin oluşmasında Renault firmasının büyük bir katkısı ve yönlendirmesi vardı. O dönemde Renault, hazırladığı tek silindirli bir model üzerinden bugünkü araçlarda yer alan tüm komponentleri FIA’ya tanıttı ve kabul ettirdi.

Renault bu teknolojiyi tanıtırken, akıllarında sıralı dört silindirli bir motor kullanılması vardı. Ancak Mercedes ve Ferrari’nin baskılarıyla sıralı 4 silindirli motorun yerini V6 motorlar aldı. İki motor üreticisinin V6 motorlarda ısrar etmesinin nedeni motorların daha çok ses çıkarmalarını istemeleriydi (ki hala sesleri yeterli değil).

Bugün kısaca Formula 1 arabalarında kullanılan ana motor parçalarını ve görevlerini anlatacağım. Amacım sizleri teknik detaylarda boğmak değil, sadece genel hatlarıyla bilgi vermek.

Motor Hacmi, Motor Gücü, Maksimum Devir, Verimlilik

Yeni nesil hibrit F1 motorları, devreye alındıkları 2014 yılından beri çok büyük aşama kaydetmiş durumda. Motorları temelde ikiye ayırmak mümkün. Elektrik enerjisi üreten bölüm ve geleneksel içten yanmalı motor.

2014’ten günümüze, içten yanmalı motorun ve elektrik motorunun toplamda üretmiş olduğu güç, 750 beygir seviyesinden 1.050 beygir seviyelerine çıkmış durumda. Kısa sürede %35’lik bir güç artışından söz ediyoruz, gerçekten muazzam bir gelişim.

Bu motorların termal verimliliği %50’den fazla. Normal yol arabalarında bu oranın %33 civarında olduğu düşünülürse, teknolojik fark ortaya çıkıyor. Böylesine yüksek bir termal verimlilikte en temel konulardan biri, bu gücün üretilmesi sırasında ortaya çıkan ısının yönetilmesi. 2.000 derece santigratlık yanma sırasında açığa çıkan egzoz gazları da yine güç üretiminde kullanılıyor.

Şimdi sırasıyla kilit parçaları yazarak kısaca görevlerini açıklayayım.

Formula 1 Motorunun Kilit Parçaları

1. İçten yanmalı motor:

Geleneksel içten yanmalı motor, Formula 1 arabalarında eskiden beri değişmeyen tek bölüm diyebiliriz. Formula 1 arabalarının motor hacmi 1,6 litre, V6 silindirli, turbo beslemeli. Motorların devri 15.000 devir/dakika ile sınırlandırılmıştır, kompresyon oranı 17:1 ‘e kadar çıkmaktadır. Kompresyon oranı yarışın yapılacağı pistin niteliğine göre, motor haritalaması denilen, kısaca motorun programlanmasıyla değişmektedir.

Motorda en çok güç elde edilen kısım burası olmakla birlikte, üretilen güç 900 beygir olarak tahmin edilmektedir. Maksimum tork 500 nm civarında. Bu gücün ve torkun 1,6 litrelik, 6 silindirli bir makineden elde edildiği düşünülünce, gerçekten muazzam bir makineyle karşı karşıya olduğumuzu anlıyoruz.

Bu makinelerin tasarlanması da gerçekten çok zorlu. Her motorun tasarımı aşamasında 2.000 civarında CAD verisi üretildiğini, bu verilerin de en az 1.300 - 1.400 tane revizyondan geçtiğini düşünün. Bu verilerin çıktılarını uç uca eklesek, kilometrelerce uzunlukta “veri yoluna” sahip oluruz. İçten yanmalı motorların keşfedilmelerinin üzerinden 100 yıldan fazla zaman geçmesine rağmen halen büyük adımlarla ilerlemeleri gerçekten etkileyici diye düşünüyorum.

2. MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic):

MGU-K, hibrit binek araçlarda da var olan, doğrudan içten yanmalı motorun krank miline bağlı bir parça. MGU-K temelde iki görev yapar: İlk görevi, frenleme sırasında, krank milinin ürettiği mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek pillerde depolamak. Bir nevi motor freni gibi çalışarak hem frenlemeye destek oluyor hem de bu sırada elektrik enerjisi üretiyor. Normalde frenleme aşamasında fren disklerinden ısı olarak kaybolacak enerjinin bir kısmı, bu yolla elektrik enerjisi olarak depolanıyor.

MGU-K’nın ikinci görevi ise ivmelenme sırasında, pillerde depolanan elektrik enerjisini krank miline aktararak ekstra güç üretmesi. Bu güç, kurallarla 120 kW (160 beygir) ile sınırlı. Kurallar, bir MGU-K ünitesinin tur içinde maksimum 2 MJ (mega joule) enerji depolamasına ve tur başına en fazla 4 MJ (mega joule) güç aktarmasına izin veriyor.

Son dönemde bazı takımların MGU-K ünitesini farklı bir konu için de kullandığı konuşuluyor. Formula 1 arabalarında marş motoru bulunmaz. Ancak MGU-K ünitesinin marş motoru gibi kullanıldığı, yarış içinde motoru susan araçların MGU-K ile çalıştırılabildiği iddia ediliyor. Mantık olarak da akla yatkın.

3. MGU-H (Motor Generator Unit – Heat):

MGU-H, gündelik kullandığımız hibrit arabalarda olmayan bir komponent. Üretiminin oldukça pahalı ve komplike olmasının yanında bakımı da ayrı bir sorun olacağı için binek araçlarda kullanılmıyor. Hatta Formula 1’de, 2025 yılından itibaren devreye girecek yeni jenerasyon motorlarda da bu nedenlerle kaldırılması düşünülüyor. Güç üretme, depolama ve aktarma üniteleri kapsamındaki en kompleks ve pahalı parça MGU-H dersek abartmış olmam. Pahalı olmasının kısaca içindeki türbinin 125.000 dak/dev dönme hızına sahip olması, yüksek sıcaklık altında çalışması gibi nedenleri var.



Resim 2: MGU-H ünitesi. Mercedes'in mucidi olduğu Split turbo (ayrık turbo) tasarımı.

Yazının başında, bu motorların en önemli özelliğinin verimlilik olduğunu yazmıştım. MGU-H da aynı MGU-K gibi iki göreve sahip. İlk görevi alt devirlerdeki turbo boşluğunun etkisini azaltmak. Alt devirlerde, turbonun kompresör türbinini (hava emme) çalıştıran bir elektrik motoru görevi yapıyor.

Motorun egzoz gazlarının, turbonun egzoz türbinini verimli çalışma devrine ulaştırmasının ardından da elektrik enerjisi üretimine geçerek pilleri doldurmaya başlıyor.

Ebatsal olarak çok küçük olan MGU-H ünitesinin bu kadar maharetli olması içinde yatan teknolojiyi de anlatıyor. Bu küçücük ünite hem egzoz gazlarını elektrik üretmek amacıyla kullanıyor hem de turbo boşluğunu azaltıyor.

Honda, 2021 sezonunun aracında bu ünitede büyük bir atılım yaparak alt devirlerde rakiplerinden daha canlı bir motor yaratmayı başardı. Aynı şekilde istedikleri tüm turlarda kurallarla izin verilen 4 MJ elektrik enerjisini depolayacak bir verimliliğe sahip.

4. Energy Storage (ES) (Piller):

Kısaca ES diye de geçer. MGU-K ve MGU-H tarafından üretilen elektrik enerjisini depolamaya yarar. Aynı gündelik elektrikli veya hibrit arabalardaki gibi lityum-iyon pillerden oluşan bir depolama ünitesidir.

Depolanan enerjiyi, zamanı geldiğinde MGU-K üzerinden krank miline veya MGU-H üzerinden turbonun kompresör türbinine aktarır.

5. Control Unit (CU – Elektronik Beyin):

Binek araçlarımızda ECU olarak adlandırılan, servislerde genellikle arabanın beyni diye hitap edilen parçaya Formula 1’de, kontrol ünitesi deniyor. Kalbi altı silindirli motor olan mekanik organizmayı yöneten parçaya beyin denilmesi de son derece normal.

ECU, arabayla ilgili tüm verileri işler ve yönetir, yani sinir sistemini kontrol eder. Sinir sistemi derken neyi kastediyorum? 300 tane sensör, arabanın her yerinde yarış boyunca 1.000’den fazla girdiyi ölçer. Yarış boyunca 1,5 GB veriyi takımlara ve FIA’ya iletir. Yani bu parça aynı zamanda FIA’nın takımları gözetlediği bir beyin.

Bu parçayı tüm takımlara FIA sağlıyor; ama işin ilginç yanı, parçanın üreticisi McLaren. Evet, biraz garip göründüğünü biliyorum ama Formula 1’deki standart parçalardan biri olan CU’yu tüm takımlara McLaren sağlıyor.

Bu sezona kadar, sezonda iki tane kullanımla sınırlıydı. Bu sezon yarış sayısının artmasıyla birlikte sezonluk kullanım üç adede çıkarıldı.

6. Turbo (TC - Turbocharger):

Turbo, binek arabalardan da son derece yakından tanıdığımız, içten yanmalı motora bağlı bir komponent. Temelde turbonun amacı, motora giren temiz hava miktarını artırarak motorun performansını ve verimliliğini artırmak.

Ama burada da her takımın kendi seçtiği konsept ve izlediği yol var. Ancak bu konudaki en isabetli seçimi yıllar önce Mercedes’in yaptığı bilinen bir gerçektir. Ayrık turbo (split turbo) konseptinin MGU-H verimliliğini de olumlu etkilediği için en doğru yol olduğu bilinir. Bu nedenle Honda da son iki senedir turbo emme türbini ve egzoz türbinini ayırmıştır.

Honda’nın yakaladığı performans sıçraması aslında bu teorinin bir ispatı gibi. Ferrari’nin ve Renault’nun da bu yolu önümüzdeki sene seçeceği konuşuluyor. Ne diyelim, geç olsun, güç olmasın.

Bu sezon başında egzoz atık gaz çıkışı (wastegate) ile ilgili kural değişimlerinin neticesinde Honda’nın bir avantaj daha yakaladığı ortaya çıktı. Bu sayede Honda’nın MGU-H verimliliğini büyük oranda artırdığı, böylece elektrik enerjisi üretimi konusunda öne geçtiği yarışlar sırasında da belli oluyor.

Honda, elektrik enerjisini daha verimli ürettiği için motor tur içinde elektrik üretme moduna (energy harvest) daha az geçiyor. Bu sayede de elektrik gücünü tur içinde daha uzun süreli kullanabiliyorlar.

7. Egzozlar:

Bu sene önem kazanan diğer bir kapsam da egzoz çıkışları. Egzoz çıkışları bu sene getirilen kurallarla birlikte sezon içinde sınırlı sayıda kullanılacak parçalar arasına katıldı.



Resim 3: Tüm silindirlerden gelen egzoz gazları bir kolektörde toplanıp arkadaki egzoz çıkışından atmosfere salınıyor.

Geçtiğimiz sezonlarda takımların sonsuz egzoz kullanım hakları vardı. Tek hafta sonunda 4 takım egzoz değiştiren takımlar olduğu konuşuluyordu. FIA bu konuya da el attı ve sürdürülebilirlik felsefesi doğrultusunda sezon içindeki egzoz kullanımını 8 takım ile kısıtladı.

Egzoz manifoldu civarında 2.000 derece olan egzoz gazlarına dayanacak malzemenin bulunması kolay değil. Sık sık hasarlanan egzozlarda sürünme ve sürünme yorulması en sık görülen hasar biçimleri. Zaten bazı takımların henüz 7 yarışın sonunda 4 takım egzoz kullanmaları da konunun zorluğunun bir göstergesi.

Egzoz gazlarının sıcaklığı sadece egzoz borularını da etkilemiyor. Egzoz çıkışlarında bulunan arka kanatlar ve bölgedeki kanatçık vs gibi aerodinamik elemanlar, ısı enerjisinden korunmak amacıyla özel bir malzemeyle kaplanıyor.

8. Şanzıman ve Diferansiyel:

Şanzıman ve diferansiyel de gündelik hayatta kullandığımız arabalarda var olan aktarma organlarıyla benzer. Elbette teknolojik anlamda daha gelişmiş. Şanzıman, konum olarak arka çarpışma yapısının içinde yer alıyor. Bu sayede hem darbelerden kolay etkilenmiyor hem de kompakt bir yapı sağlanmış oluyor. Şanzıman, doğrudan motora bağlı. Şanzıman gövdesinin motor bağlantıları da FIA tarafından net bir şekilde kurallarda anlatılıyor. FIA, şanzıman gövdesinin motora en fazla 6 adet M12 cıvata ile bağlanması gerektiğini açıkladı.



Resim 4: Şanzıman. Vites selektörü mekanizması da resimde görülüyor.

Yoldan ve kerblerden kaynaklanan titreşimler; motordan kaynaklanan burulma yükleri, şanzımanın kendi ağırlığından kaynaklanan eğme ve kesme yükleri düşünülünce, motoru ve şanzımanı birbirine 6 adet M12 cıvata ile bağlamak bir mühendislik başarısıdır.

Hatta Mercedes 2019 yılında, bu bağlantıyı 4 adet cıvatayla gerçekleştirmeyi başararak bu konuda daha da ileri gitti. Bu sayede onlara aerodinamik anlamda büyük avantaj sağlayan daha dar bir arka kısma sahip oldular. Ferrari ve Honda bu değişikliğe ancak 2021 sezonunda adapte olabildiler.

Büyük torklara dayanacak şekilde üretilmiş şanzımanlar 8 ileri, 1 geri vitese sahip. Formula 1 arabalarında, yakın zamana kadar ağırlık ve güvenlik kaygısı nedeniyle geri vites bulunmazdı. Ama artık araçların alt ağırlık limitlerinin yükselmesiyle birlikte geri vites mevcut. Bu sayede hata yaparak pist dışına çıkan pilotlara biraz oynama alanı sunuluyor.

Sonuç

Tüm bu mühendislik harikası tasarımların bir kısmı hali hazırda araçlarımızda mevcut. Bazıları da gelecek.

Fakat tüm bu mühendislik harikası parçaların tasarlanmaları yeterli değil. Bu zorlu parçaların tasarlanmalarının yanı sıra üretilmeleri de gerçekten son derece meşakkatli.

Üretim malzemelerinin ve metotlarının seçilmesi; daha sonra da bunların hayata geçirilmesi en az tasarım kadar önemli bir meydan okuma.

Başka bir meydan okuma da sürdürülebilirlik. FIA’nın getirdiği kurallar neticesinde bu parçaların kullanımları sezon içinde sınırlandırılmıştır. Yani bu parçaları aynı zamanda çok da dayanıklı üretme mecburiyeti vardır. Bu nedenle üretim malzemesi ve üretim metodu seçimi daha da önem kazanmıştır.

Tüm bu mühendislik işlemlerinin sonunda ortaya çıkan parçaların ayrıntıları yazdıklarımdan oldukça fazla. Ancak başta da dediğim gibi amacım sizi ayrıntılarda boğmak değil. O nedenle çok fazla ayrıntıya girmeden konuyu burada sınırlandırmanın iyi olacağını düşünüyorum.

İyi okumalar,

Fırat KESKİN