Dźwięk silników od R2 do W16

Dlaczego niektóre benzynowe silniki wytwarzają więcej drgań niż inne? Skąd bierze się ich charakterystyczne brzmienie? Dlaczego niektóre można rozpoznać po odgłosie pracy, a innych nie? Stosowane dzisiaj do napędu samochodów silniki benzynowe są konstrukcjami czterosuwowymi.

Podczas jednego cyklu działania (suw ssania, sprężania, pracy i suw wydechu, w czasie których wał korbowy obraca się dwa razy) mieszanka benzyny i powietrza zapalana jest tylko raz, zamieniając energię chemiczną paliwa na kinetyczną wału korbowego. Pod względem budowy silniki mocno się różnią – liczbą cylindrów (2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 a nawet 16) oraz ich rozmieszczeniem (w rzędzie, w kształcie V albo w układzie typu bokser). Kombinacja tych cech zależy od tego, jaką moc ma mieć silnik, ile miejsca może zająć pod maską auta i, oczywiście, od budżetu konstruktorów.

O charakterze silnika decyduje m.in. to, jak wiele drgań wytwarza podczas pracy. Powstają one głównie przy zamianie posuwistego (góra/ dół) ruchu tłoka na obrotowy ruch wału korbowego. Siły powstające podczas pracy silnika znoszą się wzajemnie tylko w pewnej części.

Obowiązuje zasada, że im więcej cylindrów (a tym samym im więcej zapłonów mieszanki), tym mniej drgań wytwarza silnik. Część z nich – pochodzących od ruchu posuwisto- zwrotnego tłoka (tzw. siły bezwładności pierwszego rzędu) – można łatwo zmniejszyć, stosując wałki wyrównoważające (trudniej zredukować drgania drugiego rzędu). Przeciwciężarami redukuje się siły pochodzące od wirujących mas. To czysta mechanika, ale dziwnym trafem ma ona wpływ także na akustykę silnika. To, czy pracuje on równo da się często rozpoznać już „na słuch”.

Porządek brzmienia
Ponieważ dźwięk silnika może sprawić, że jazda daje jeszcze więcej frajdy albo może tę frajdę zepsuć, konstruktorzy z zapałem majstrują przy akustyce. Charakter brzmienia zależy głównie od kolejności zapłonu, zwanego też porządkiem silnika. Np. 6-cylindrowy ma brzmienie „trzeciego porządku”. Porządek zapłonu zależy od liczby zapłonów mieszanki przypadających na każdy obrót wału korbowego; w silniku czterosuwowym z sześcioma cylindrami dochodzi w tym czasie do trzech zapłonów. Do brzmienia silnika związanego z zapłonem mieszanki dochodzą dźwięki zależne od budowy silnika, a zwłaszcza od układów dolotowego i wydechowego oraz sprężarki. Prezentujemy dziewięć silników, których praca i brzmienie zaostrzają apetyt na dalekie podróże.

.2 cylindry - Fiat 500: sympatyczny odgłos silnika w sympatycznym małym aucie

Stosowany w Fiacie 500 silnik dwucylindrowy to na razie rzadkość w świecie samochodów. Ale to się zmieni.

Współczesny dwucylindrowiec emituje lekki stukot i jest swego rodzaju akustycznym fenomenem – kierowca ma wrażenie, jakby silnik ten pracował stale na zbyt niskich obrotach, wystarczy jednak spojrzeć na obrotomierz, by przekonać się, że to nieprawda. Wrażenie to powstaje z powodu dość dużego odstępu między zapłonami mieszanki – jeden zapłon przypada na jeden obrót wału korbowego. Trzeba się do tego przyzwyczaić, by potem zmieniać biegi „na słuch”.

Silnik Fiata to tzw. twin – obydwa tłoki poruszają się równocześnie, ale z przesunięciem zapłonu o 360 stopni. Za moc odpowiada turbosprężarka, niskie spalanie zapewnia elektrohydrauliczny mechanizm zmiany faz rozrządu i zmiennego skoku zaworów. Oczywiście, tłoki poruszające się razem są przyczyną powstawania drgań, siły bezwładności utrzymują się jednak na znośnym poziomie, dzięki zastosowaniu wałka wyrównoważającego.

3 cylindry - W MINI Cooperze warczy połówka 6-cylindrowca

Benzynowy trzycylindrowy silnik Mini ma taką nadwyżkę momentu obrotowego jak diesel. Nie przepada przy tym za pracą na wysokich obrotach.

Silnik trzycylindrowy, podobnie jak ten z dwoma cylindrami, nie jest nowym wynalazkiem, ale został dziś na nowo odkryty. W porównaniu z jednostką dwucylindrową jest znacznie lepiej wyrównoważony, odstęp między zapłonami mieszanki wynosi tylko 240 a nie 360 stopni.

To prawda, że trzycylindrowy silnik pracuje jak połowa rzędowej szóstki, jednak pod względem harmonii jednostce Mini Coopera daleko do sześciocylindrowca. O tym, że silnik Mini ma tylko trzy cylindry można się przekonać już gdy pracuje na wolnych obrotach – zdradza to charakterystyczne dudnienie, które z czasem zamienia się w stukot, jaki wydaje maszyna do szycia. I, jak w wypadku dwucylindrowców, odgłos potrafi zmylić przy ocenie obrotów, na których pracuje silnik. Także w tym wypadku przyczyną jest mała ilość zapłonów mieszanki. Średnio na jeden obrót wału korbowego przypada 1,5 zapłonu. Renesans trzycylindrowych silników łatwo wytłumaczyć – mają one mniej elementów niż jednostki o czterech cylindrach, przez co są lżejsze i mniej kosztują. Poza tym mają mniejsze wewnętrzne opory tarcia, co wpływa na niższe zużycie paliwa. Mimo to silniki te będą mogły wkrótce uzyskiwać z litra pojemności nawet 150 KM – wszystko dzięki doładowaniu.

Trzycylindrowy silnik to typowy przedstawiciel rodziny spod znaku downsizingu. Takie jednostki mają w ofercie wszyscy wielcy producenci samochodów albo właśnie nad nimi pracują, także z myślą o ich zastosowaniu w autach klasy średniej.

4 cylindry - siła bezwładności sprawia, że powyżej 5500 obr/min VW Golf GTI staje się głośny

Powyżej 4000 obr/min muzyka grana przez silnik Golfa GTI staje się znacznie głośniejsza. Już od 2000 obr/min do orkiestry dołącza sprężarka.

W rodzinie silników czterosuwowych dopiero w tych o czterech cylindrach dochodzi do zapłonu co najmniej w jednym cylindrze na każdy suw. Ponieważ wykorbienia wału korbowego dla tłoków wewnętrznych są obrócone o 180 stopni względem zewnętrznych, w silnikach czterocylindrowych można łatwo zredukować siły bezwładności pierwszego rzędu. Taki silnik nie zajmuje wiele miejsca, dlatego można go montować poprzecznie do osi pojazdu w samochodach małych i kompaktowych. Pod maskami współczesnych aut właśnie czterocylindrowce są spotykane najczęściej.

Drgania w tego rodzaju jednostkach są wywoływane dopiero przez wolne siły bezwładności drugiego rzędu. Można je skutecznie stłumić, stosując np. dwa wałki wyrównoważające obracające się dwa razy szybciej i przeciwstawnie do obrotów wału korbowego.

Pozostaje jednak charakterystyczne brzmienie – na wyższych obrotach czterocylindrowe silniki są dość głośne, czego przykładem dwulitrowy motor VW Golfa GTI. Jednak do 5500 obr/min jednostka ta, wyposażona w sprężarkę oraz bezpośredni wtrysk paliwa, ma całkiem wytworne maniery i pracuje na tyle cicho, że trudno odgadnąć po odgłosie, ile silnik ma cylindrów. Na dłuższą metę silnik czterocylindrowy w kompaktowych autach będzie musiał zapewne ustąpić jednostkom o trzech cylindrach. Sam za to awansuje do samochodów wyższej klasy średniej oraz do luksusowych.

.5 cylindrów - Audi RS Q3 nie zawsze nadaje na najlepszych częstotliwościach

Silniki pięciocylindrowe, jak ten w Audi RS Q3, dają większą moc i wyższy moment obrotowy niż jednostki o czterech cylindrach. Ale są dosyć głośne.

Skąd właściwie wziął się pomysł na silnik pięciocylindrowy? Tego rodzaju jednostki (w przeciwieństwie do rzędowych „szóstek”) dają się jeszcze zamontować poprzecznie pod maską, ale mają większą moc i wyższy moment obrotowy niż silniki czterocylindrowe. Mimo tych zalet, 5-cylindrowce nie są zbyt powszechne, bo dość sporo kosztują, poza tym ich pracy towarzyszą drgania – większe niż spotykane w rzędowych jednostkach sześciocylindrowych. Pod tym względem mają nad nimi przewagę nawet silniki czterocylindrowe – wbrew obiegowej opinii pięciocylindrowiec z definicji wcale nie pracuje bardziej równo niż jednostka o czterech cylindrach.

Momenty bezwładności pierwszego rzędu stosunkowo łatwo może zneutralizować wałek wyrównoważający, ale nie zneutralizuje momentów drugiego rzędu. Wiązałoby się to ze zbyt dużym nakładem technicznym. Ta lekko nierównomierna praca sprawia, że silnik pięciocylindrowy jest dość głośny, a jego dźwięk nieharmonijny.

Jednak typowy odgłos pracy pięciocylindrowca ma zwolenników, a wysoka cena takiego silnika powoduje pradoksalnie, że wydaje się on jeszcze atrakcyjniejszy. I można go „podwoić”, tworząc z dwóch silników jedną V-dziesiątkę, jak zrobiło to Lamborghini. Pięciocylindrowe silniki nie mają jednak wielkiego potencjału, można się raczej spodziewać, że będą znikać powoli wypierane przez oszczędniejsze jednostki czterocylindrowe ze sprężarkami.

6 cylindrów - Bokser w Porsche Carrerze S to technicznie skomplikowany przypadek szczególny

Bokser Porsche 911 Carrery ma bardzo zwartą konstrukcję, by mógł zmieścić się z tyłu nadwozia.

W zasadzie rzędowy silnik sześciocylindrowy składa się z dwóch trzycylindrowych, umieszczonych tak, jakby były własnym lustrzanym odbiciem. Do zapłonu dochodzi trzy razy w czasie jednego obrotu wału korbowego, a nie półtora raza jak w silniku 3-cylindrowym. Drgania znoszą się wzajemnie, więc sześciocylindrowiec prawie nie wytwarza wibracji. Rzędowa „szóstka” jest optymalnie wyważona.

Wał korbowy przypomina ten z silników trzycylindrowych, tyle że jest dwa razy dłuższy i jest z nim połączonych dwa razy więcej korbowodów. Nie zmienia to jednak środka ciężkości tego silnika – nie powstają prawie żadne niewyrównoważone siły. I właśnie to sprawia, że jednostki sześciocylindrowe pracują miarowo i spokojnie.

Sześciocylindrowe rzędowe „szóstki” i pokazany tu sześciocylindrowy silnik typu bokser z Porsche 911 Carrery S nie różnią się pod względem występujących sił i momentów bezwładności. Trudno więc usprawiedliwić większe nakłady potrzebne na skonstruowanie boksera – Porsche zdecydowało się na niego, bo jest krótszy i niższy, więc zmieści się z tyłu 911.

.8 cylindrów - V8 w Mercedesie E 63 AMG – jak stłumiony big block

Najwięcej fanów mają V-ósemki z wałkiem rozrządu w korpusie pochodzące ze Stanów. Ich głębokie dudnienie przebija się nawet przez szum ulicy i powoduje, że za „amerykanem” każdy się ogląda.

V-ósemkę z Mercedesa E 63 ucywilizowano – nie dudni jak silniki w „amerykanach”.

W silnikach V8 z głowicami cylindrów umieszczonymi pod kątem 90˚ powstają głównie momenty bezwładności pierwszego stopnia, które można całkowicie zneutralizować, stosując przeciwciężary na wale korbowym. Czas pomiędzy zapłonami mieszanki jest stały, ale nie występują na przemian raz w jednej, raz w drugiej głowicy cylindrów – dlatego jako akustyczny skutek uboczny powstaje typowe amerykańskie brzmienie. Mercedes AMG dosyć dyskretnie naśladuje ton V-ósemki – z całego spektrum częstotliwości inżynierom niemal całkowicie udało się usunąć te dysharmonijne, które powodują typowe dudnienie V-ósemek. Klasa E emituje raczej nienatarczywe basy i dopiero na wyższych obrotach dorzuca do nich agresywniejszy klekot, dudnienie zaś wydaje tylko podczas zmiany biegów, gdy silnik jest w pełni obciążony.

Szczególnym przypadkiem jednostki ośmiocylindrowej jest ta stosowana w autach wyścigowych i sportowych, np. w Ferrari 458 Italii. Wał korbowy ma wykorbienia rozstawione pod kątem 180 stopni. Naprzemienna kolejność zapłonu w obrębie głowic cylindrów jest stała, co powoduje, że silnik nie dudni „po amerykańsku”. Jednostki V8 z głowicami pod kątem 90 stopni i z wałkami rozrządu w głowicach brzmią raczej jak dwa równolegle pracujące silniki czterocylindrowe, głośniejsze stają się tylko na wysokich obrotach.

10 cylindrów - Mocarny Dodge Viper, czyli dudnienie z czeluści 8,4-litrowego silnika

Ogromna pojemność i wielki moment obrotowy to zalety V-dziesiątek. Występują one niemal wyłącznie jako jednostki wolnossące, czyli uwielbiają pracę na wysokich obrotach. Upraszczając, 10-cylindrowce składają się z dwóch silników pięciocylindrowych. V10 potrzebuje dużo miejsca pod maską, jest przy tym równie ciężki i drogi jak V12, więc jest montowany niemal wyłącznie w ekskluzywnych autach sportowych.

Wyjątkiem są amerykańskie trucki i stary V10 TDI od VW. Pokazywany przez nas V10 Dodge’a Vipera ma pojemność aż 8,4 l i charczy donośnie – słychać, że to konstrukcja mało finezyjna. Jak w pięciocylindrowcu, uwolnione momenty bezwładności drugiego rzędu są przyczyną wyraźnych drgań tego silnika. V10 mocno przyspiesza już od niskich obrotów i do 1800 obr/min grzmi jak czterocylindrowy silnik wyścigowy z dawnych lat – to z powodu wielkich komór spalania.

Dopiero potem rozlega się charakterystyczny gulgot, a od 4000 obr/min – dudnienie. Dzieje się tak z powodu zastosowanych materiałów oraz braku finezji przy zestrajaniu wydechu. Inaczej np. w BMW – w M5 następuje wymiana spalin pomiędzy układami wydechowymi obu rzędów cylindrów, co sprawia, że silnik ten brzmi jak jednostka wyścigowa. I, jak wszystkie V10, zużywa mnóstwo benzyny.

12 cylindrów - Ferrari f12 potrafi zagrać ostry heavy metal

Głęboki ton zasadniczy z agresywnym brzmieniem – silniki V12 niestety zejdą ze sceny.

Głęboki ton zasadniczy z agresywnym brzmieniem – silniki V12 niestety zejdą ze sceny.

V12 stoi na najwyższym stopniu silnikowej ewolucji. W czasie jednego obrotu wału korbowego dochodzi w nim aż do sześciu zapłonów mieszanki, których odgłos następuje po sobie tak błyskawicznie, że ucho ludzkie ledwo nadąży je rozróżnić. Ponieważ mieszanka jest zapalana raz w cylindrze jednej głowicy, raz drugiej, silnik pracuje niezwykle miarowo. V12 przewyższa V-szóstki, bo czas między zapłonami jest w nim dwa razy krótszy. Dlatego dźwięk okazuje się bardziej wycyzelowany, a zależnie od sposobu wytłumienia może być słyszalny jako łagodny szum wytwornej limuzyny albo przeszywający ryk auta sportowego.

Gdy V12 w Ferrari F12 pracuje na wysokich obrotach, długie fale dźwiękowe tworzące basowe brzmienie zostają zdominowane przez fale krótsze, dlatego silnik ma głęboki ton zasadniczy z wyraźnym agresywnym brzmieniem. Od 5000 obr/min słychać donośne, stale wzmagające się dudnienie. Równie agresywne częstotliwości atakują uszy uczestników koncertów heavymetalowych, a kiedyś także widzów wyścigów F1.

Konstrukcja i produkcja V12 są niezwykle trudne, a silniki okazują się drogie i nadzwyczaj paliwożerne. I V12, i V10 są mocno zagrożone wyginięciem, zastąpią je doładowane ośmiocylindrowce.

16 cylindrów - Bugatti Veyron – od czterech turbosprężarek chodzą ciarki po plecach

Pytanie: co by było, gdyby pozwolić inżynierom iść na całość, by mogli pokazać, co jest technicznie możliwe? Odpowiedź: powstałby 16-cylindrowy silnik Bugatti Veyrona. To genialne dzieło inżynierskie i dusza tego auta, karoseria jest jedynie opakowaniem. Jednostka ta bywa określana niezbyt poprawnie jako W16, ale jest raczej silnikiem w układzie V, składającym się z dwóch VR8. Dzięki temu ma dość zwartą budowę. Miarową pracę zawdzięcza ultraszybko następującym po sobie zapłonom mieszanki. Ze słuchu nie da się określić ile ten silnik ma cylindrów – zapłony następują za szybko, żeby wychwyciło je ludzkie ucho. Podstawowy sound jest znacznie wyższy niż w innych opisywanych tu jednostkach, bo do zapłonu mieszanki dochodzi osiem razy w ciągu jednego obrotu wału korbowego (ósmy porządek zapłonu). Temu, że na niskich obrotach jednostka ta brzmi jak diesel pod pokładem okrętu winna jest ogromna pojemność – 8 l.

Powyżej 3000 obr/ min dołącza się gwizd czterech turbosprężarek. Gdy pracują z maksymalnym ciśnieniem sprężania powietrza doładowującego, ich dźwięk dominuje nad dźwiękiem silnika. Przy zamkniętym dachu wewnątrz słychać głównie mechaniczne odgłosy pracy silnika, na zewnątrz też syk, jak w lokomotywie parowej. W przeszłości istniały już auta z 16-cylindrowymi silnikami, w przyszłości będzie to absolutny wyjątek.