Dźwięki w autach to kumulacja pracy wszystkich podzespołów, z których najbardziej charakterystyczna jest jednostka napędowa. W poniższym artykule przyjrzymy się co dokładnie składa się na efekt odczytywany przez nasz zmysł słuchu – powiemy sobie co nieco o kolektorach wydechowych, ITB, kolejności zapłonu czy także… klekotaniu diesela. Zapraszam do czytania!
Skąd się w ogóle bierze dźwięk? Głównym składnikiem tego co słyszymy to… spaliny, a właściwie wybuch mieszanki paliwowo-powietrznej, która za pomocą fal dźwiękowych dociera do naszych uszu z końcówki układu wydechowego. Mowa dokładniej o pulsie tych spalin, które – w zależności od budowy silnika i kolektora wydechowego – nakładają się na siebie, tworząc mocniejszy wydźwięk, bądź następują po sobie w odpowiednich przerwach. Słyszymy również dźwięk wydobywający się z wnętrza jednostki od strony ssącej, choć jest on dzisiaj w dużym stopniu tłumiony przez filtry powietrza. Z silnika może wydobywać się również świst turbosprężarki, pisk kompresora, strzały z wydechu a także wiele innych.
Baza brzmienia
Jeżeli chodzi o jednostkę napędową, to na końcowy produkt jaki słyszymy składa się multum czynników. Najważniejszym z nich jest jednak sam układ silnika – czyli ustawienie cylindrów a także ich ilość. Tych konfiguracji jest ogrom – od widlastych, rzędowych, po boksery, na wynalazkach pokroju Wankla, widlasto-rzędowych czy podwójnie widlastych jednostkach kończąc. Każdy z nich może mieć od dwóch do nawet szesnastu cylindrów, ale co najważniejsze – to głównie układ i liczba cylindrów tworzą bazę dźwięku silnika. Dlatego więc mamy bulgot amerykańskich vee eight, aksamitną pracę niemieckich, rzędowych szóstek, czy ryk włoskich, dwunastu cylindrów w układzie widlastym.
Drugi ważny warunek to typ silnika. Inaczej brzmią silnika diesela, a inaczej silniki zasilane benzyną. Mimo, że nie jestem fanem szeroko pojętych klekotów, to chyba nikt nie może odmówić piękności i potęgi dźwięku 730-konnej V8-emki ze Scanii, prawda? Jeśli chodzi o sam klekot rodem z bocianiego gniazda, to bierze się on głównie z charakterystyki spalania oleju napędowego oraz układów wtryskowych – jako mechanik mógłbym o tym napisać poemat, ale postaram się to krótko wytłumaczyć.
W starych silnikach wysokoprężnych, dawka paliwa była podawana w jednym momencie i w jednej fazie. W związku z wysokim ciśnieniem wtrysku, ropa spalała się od razu i całkowicie – w przeciwieństwie do silnika benzynowego, gdzie zapłon zaczyna się od iskry przy świecy zapłonowej i rozprzestrzenia się po całym cylindrze. Nieco lepiej brzmiały motory z tzw. wstępną komorą spalania, dużo gorzej zaś brzmiały jednostki Volkswagena z pompowtryskami, gdzie dawka również była podawana naraz. Dzisiaj jednostki zasilane olejem napędowym brzmią już całkiem dobrze, głównie ze względu na wtryski Common Raila, które potrafią podzielić dawkę wtrysku na kilka poszczególnych faz, dzięki czemu spalanie nie jest tak hałaśliwe. Ot, cały klekot.
Bardzo ważną rolę odgrywa również ilość suwów pracy. O ile jednocylindrowe jednostki mogą na myśl przywodzić głównie skutery, to jednak odpowiednio rozkręcony Melkus RS1000 ze swoim trzycylindrowym silnikiem brzmi jak… oldskulowe, sześciocylindrowe BMW. Podejrzewam, że pulsy spalin rzędowej trójki w połączeniu z dwukrotnie mniejszą liczbą cykli pracy tworzą właśnie ten dźwięk.
Ciekawą sytuację mamy również porównując silniki bolidów Formuły 1 z tymi, z samochodów drogowych. Jeżeli zastanawialiście się kiedyś, czemu 2,4-litrowe V8 przy 8,000 obrotów na minutę brzmi dosyć normalnie, a standardowe 1,6-litra przy takiej samej prędkości obrotowej ma ochotę wyskoczyć przez maskę, to odpowiedzią jest układ korbowo-tłokowy. Chodzi tutaj o stosunek średnicy tłoka do jego skoku – generalnie silniki wysokoobrotowe charakteryzują się małym skokiem oraz wysoką średnicą, co właśnie wpływa na łatwość osiąganej prędkości, gdyż tłok porusza się po względnie krótkiej odległości. Z kolei odwrotna sytuacja, czyli duży skok połączony z małą średnicą tłoka to domena amerykańskich silników V8, które nie lubią wysokich obrotów.
Z dźwiękowego punktu widzenia ważna jest dla nas prędkość, z jaką porusza się tłok, bo to on determinuje ten dźwięk, kiedy silnik ma już dość. Bardzo dobrym przykładem jest porównanie Hondy S2000 z wyżej wspomnianym silnikiem Formuły 1 przez kanał Engineering Explained na YouTube. Nie będę tu czynił matematyki, ale silnik Hondy przy 9000 obrotów na minutę osiąga prędkość tłoka na poziomie 25,2 m/s, podczas gdy jednostka napędowa z bolidu Formuły 1 przy 18,000 obr/min rusza tłokiem z prędkością 24 m/s.
Różnice technologiczne
Kolejną fundamentalną podstawą dźwięku silnika są właściwie trzy, poniekąd spokrewnione ze sobą aspekty – kolejność zapłonu, budowa wału korbowego a także kąt rozstawu pomiędzy cylindrami. Te trzy rzeczy wytłumaczymy sobie na przykładzie silnika V6, z którego rozróżniamy dwie najpopularniejsze odmiany. Różnią się one właśnie kątem rozwarcia między cylindrami – 60° i 90° (zdarza się też 120° ale te rozwiązanie jest na tyle rzadkie, że je pominiemy). 60-stopniowe widlaste szóstki charakteryzują się czymś na wzór połączenia bulgotu i ryku – tak bardzo charakterystycznego dla chociażby Nissana 350Z. Z kolei 90-stopniowa odmiana to właściwie czysty ryk, który można spotkać w starej Hondzie NSX czy dzisiejszych bolidach Formuły 1. W końcu nie brzmią one jak 350Z, racja?
Dzieje się tak z tego powodu, że zmiana tego kąta wpływa też na budowę wału korbowego, oraz ostatecznie na kolejność zapłonu – to zaś oznacza inną kolejność pulsów spalin w kolektorze wydechowym, czyli… inny dźwięk. Jak wspominałem, 60-stopniowych V6 używa się dla ich kompaktowej budowy, jednocześnie godząc się dla takich minusów jak nie najlepiej wyrównoważona jednostka. Z 90° odmianą jest na odwrót – zajmuje więcej miejsca, ale pozwala bardziej rozkręcić silnik. Z tego powodu 350Z ma odcięcie obrotów ustawione na 7 tysiącach obr/min, a Honda NSX kończy się na ośmiu. Dlatego też 90-stopniowa V6-tka trafiła do bolidów Formuły 1, gdzie z powodzeniem rozkręca się do 13 tysięcy obrotów.
Dźwięk można zmienić również w tym samym układzie pozostając przy identycznym kącie, jednak zmieniając tylko wał korbowy i w efekcie kolejność zapłonu. Tak jest właśnie z silnikami V8 o kącie 90° rozwarcia pomiędzy cylindrami. Jeżeli zastanawialiście się kiedyś, czemu amerykańskie widlaste ósemki wydają ten brutalny bulgot o niskim tonie, zaś ośmiocylindrowe silniki Ferrari wydają swoisty ryk to odpowiedzią jest… wał korbowy!
O istocie tego rozwiązania pisałem już we wpisie poświęconym serii DTM z lat 1984-1996, kiedy to Audi zostało zdyskwalifikowane przez tą małą zmianę. Przypominając jednak, w silniku V8 rozróżniamy dwie konstrukcje wału korbowego – tzw. cross-plane oraz flat-plane. Nazwy pochodzą od położenia czopów korbowodowych, przez co oglądany od czoła wał krzyżowy (cross-plane) tworzy kształt krzyża, zaś płaski (flat-plane) ma płasko ustawione wykorbienia co 180°. Jeśli chodzi zaś o dźwięk, to cross-plane daje nam ten charakterystyczny, amerykański bulgot, zaś flat-plane odwdzięcza się istnym, włoskim rykiem.
Dlaczego mamy aż taką różnicę w dźwięku? Chodzi o zmianę kolejności zapłonu, tak jak w przypadku V6. Dlaczego stosuje się oba rozwiązania? Wał krzyżowy jest dużo starszą technologią stosowaną od dziesiątek lat, zaś wał płaski charakteryzuje się dużo lepszym wyrównoważeniem pracy silnika, a także jego podatnością na wysokie obroty. Mimo że cross-plane zostaje powoli wypierany ze względu na ekonomię, to dalej jest montowany w kilku autach – dobrym przykładem jest najnowszy Ford Mustang, gdzie do tej pory montowano silnik V8 z płaskim wałem, jednak w wersji Shelby GT500 powróci wał krzyżowy.
Dźwięk z punktu widzenia wydechu
Zacznijmy sobie od bodajże najważniejszej części poza samym silnikiem, która wpływa na jego dźwięk – kolektor wydechowy. Odpowiada on za odprowadzenie spalin wprost z komory spalania do reszty układu wydechowego, a za pomocą długości rur możemy manipulować pulsami spalin. Generalnie mówiąc, w normalnych samochodach używa się kolektorów o nierównych odległościach kanałów wydechowych, głównie z powodu oszczędności miejsca. Jeżeli chodzi o te finezyjnie wygięte, (potocznie zwane baranami a fachowo kolektorami z kanałami o równych odległościach), używa się ich ze względu na zebranie wszystkich pulsów spalin w jednym miejscu i czasie, aby stworzyć rezonans. Tworzy to efekt podciśnienia i wręcz wysysa spaliny z cylindra, tym samym pomagając oczyścić cylindry przed nową dawką paliwa i powietrza.
Efektem ubocznym jest oczywiście dźwięk, który tak bardzo kochamy. Długością tych kanałów wydechowych możemy zmienić naprawdę sporo. Dobrym przykładem będą silnika boksera od starszych Subaru, gdzie właśnie przez nierówną odległość kanałów kolektora tworzy się ten charakterystyczny bulgot. Co jednak ciekawe, taki sam bulgot możemy osiągnąć w normalnej rzędowej czwórce, poprzez właśnie odpowiednią długość kanałów kolektora. Innym dobrym przykładem będzie V12 od Mercedesa, który w S-Klasie potrafi brzmieć normalnie i elegancko, zaś ten sam silnik montowany w Pagani Zondzie daje wydźwięk niemalże identyczny do bolidów F1. To jest właśnie kwestia innych kolektorów.
Duży wpływ na brzmienie ma również reszta układu wydechowego, a przede wszystkim tłumiki. Samochody drogowe nie mogą przekraczać konkretnej ilości decybeli, co determinuje montowanie różnego rodzaju tłumików wydechowych, które wyciszają dźwięk. Mimo wszystko odpowiedni, sportowy układ wydechowy może nam zapewnić łagodny wydźwięk w niskich partiach obrotów, rasowy brzmienie w okolicach odcięcia zapłonu, a także pewność, że nie dostaniemy mandatu. Z kolei większa średnica wydechu daje większy przepływ spalin, co w kontekście dźwięku przekształca się na większy bass – czyli dźwięk o niskim tonie.
Dźwięk silnika może się różnić też w kontekście doładowania. Jak wiemy, mamy głównie trzy rodzaje jednostek spalinowych pod tym względem – wolnossące, doładowane turbosprężarką lub doładowane kompresorem. Każde z tych trzech rozwiązań charakteryzuje się innym dźwiękiem. Silniki wolnossące dają nam właściwie czysty przepływ spalin, co w połączeniu z odpowiednim układem wydechowym może nam dać piękny i czysty dźwięk.
Turbodoładowanie zakłóca dźwięk pulsów spalin, ponieważ muszą one przejść przez wirnik – cały ten dźwięk traci się na różnych elementach, podobnie jak w przypadku tłumików. W zamian dostajemy jednak kilka innych świetnych dźwięków – odgłos pompującego turbo, czy też uwielbiany przez wielu świst zaworu blow-off. Warto jeszcze wspomnieć o zaworze wastegate, który ma te samo zadanie co BOV, jednak nie upuszcza ciśnienia ze strony ssącej, a ze strony wydechowej – poprzez otwarcie kanału, dzięki któremu spaliny będą omijać turbo. Jak można się domyśleć daje to głębszy, rasowy wydźwięk.
Jeżeli mowa o turbo, nie sposób wspomnieć o ALS, czyli anti-lag system, o którym pisałem w kontekście samochodów rajdowych Grupy A. System podtrzymania ciśnienia doładowania powstał po to, aby pozbyć się niechcianego efektu turbodziury, czyli nawet kilkusekundowym zaniku mocy tuż po wciśnięciu pedału gazu. Ciężki wirnik potrzebuje czasu aby się ponownie rozkręcić, więc konstruktorzy postanowili zdetonować mieszankę paliwa i powietrza za komorą spalania – która właśnie poprzez wybuch napędzała w dalszym ciągu wirnik. Efekt uboczny? Ciarki na plecach i donośne strzały, które chyba wszyscy uwielbiamy.
Osobiście jestem fanem pierwszy rajdowych układów ALS z czasów piątej i szóstej generacji Lancera Evolution. Tamtejsze wystrzały nie pojawiały się często, ale jak już wystrzeliły – to donośnie jak z dubeltówki. Dzisiejsze systemy anti-lag brzmią bardziej jak popcorn, głównie ze względu na lepszą efektywność takiego układu. Warto jeszcze wspomnieć o tzw. blown diffuser, czyli odpowiedniku ALS dla silników wolnossących. System ten był używany w Formule 1 pod koniec ery jednostek V8, gdzie strzały z wydechu podnosiły temperaturę spalin, co zwiększało ich ciśnienie, a to zaś dawało dodatkowy docisk aerodynamiczny przy dohamowaniach do zakrętów. No i oczywiście ten charakterystyczny, brutalny dźwięk.
Strona ssąca, czyli kompresor, ITB czy VTEC
Pora na omówienie kompresora, uwielbianego głównie przez amerykanów i Mercedesa. Kompresor to nic innego jak przekładnia, gdzie pracują dwa wałki – te zaś przez swój kształt (śrubowy bądź z wirującymi tłokami) kompresują powietrze i przesyłają je dalej pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Szkopuł polega na tym, że sprężarka jest napędzana paskiem wielorowkowym, a oba wałki muszą się obracać w odpowiedniej synchronizacji, tak więc jeden wałek napędza drugi za pomocą koła zębatego. Problem w tym, że ów koła pracują na sucho, a ich tarcie tworzy charakterystyczny szum, czy nawet pisk – identyczny jak w skrzyni kłowej o prostych zębach. Czemu te same koła zębate nie wydają pisku w skrzyni biegów? Dlatego że w odróżnieniu od kompresora, skrzynia jest zalana olejem, który w dużym stopniu tłumi ten dźwięk.
Przejdźmy teraz do silników wolnossących, w których można uzyskać pięknie brzmienie za pomocą strony ssącej silnika. Dobry, czysty dźwięk wprost z trzewi jednostki to zasługa dwóch aspektów – ITB oraz filtracji powietrza, a właściwie jej braku. ITB to skrót od individual thottle bodies, czyli przepustnic oddzielnych dla każdego z cylindra. Rozwiązanie to pomaga w równej dostawie powietrza do cylindrów i jest stosowany w większości samochodów sportowych oraz wyścigowych. Jednak samochody wyścigowe są pozbawione jakiejkolwiek filtracji powietrza, która odpowiada za znaczną część dźwięku silnika. Tu nie ma żadnych skomplikowanych zasad – mamy po prostu kanał ssący w głowicy z wtryskiem paliwa, przepustnicę i krótką trąbkę – gwarancja pięknego dźwięku w każdym silniku.
Chciałbym wspomnieć jeszcze o akustycznym układzie dolotowym z Lexusa LFA. O ile dzisiejsze samochody chcą nam sztucznie wcisnąć rasowy dźwięk poprzez montaż głośników we wnętrzu samochodu, Yamaha (która pomogła projektować silnika do Lexusa), rozwiązała tą sprawę o wiele bardziej naturalnie. W modelu LFA kolektor dolotowy jest połączony z wnętrzem samochodu, aby w środku kabiny można było słyszeć czysty i nieskażony niczym dźwięk silnika. Głośnik, w którym membraną jest tłok silnika – muszę powiedzieć, że to mistrzowskie rozegranie przez Yamahę.
Pora na ostatni dodatek, który działa jak miód dla naszych uszu – VTEC. Jest to system opracowany przez Hondę, który ma za zadanie utrzymać dosyć normalną ekologię i spalanie przy niskiej partii obrotów, a zarazem dać solidnego kopa przy wysokich obrotach w silniku wolnossącym. Dzieje się tak przez trzecią, ostrzejszą krzywkę o większym profilu, która odpowiada za sterowanie zaworami dopiero od 6,000 obrotów. Zarówno w kontekście osiągów i dźwięku samochód dostaje solidnego kopa. Toyota również opracowała podobny system o nazwie VVTL-i, jednak polegał on na wsuwanej podkładce pod bolec w popychaczu zaworowym. Jeżeli chodzi o dźwięk, kop ten następował nieco bardziej progresywnie w odróżnieniu od Hondy.
O Wanklu słów kilka
Silnik Wankla działa zupełnie inaczej niż konwencjonalne silniki tłokowe. Co nieco powiedzieliśmy już sobie o tym rozwiązaniu w Kornikach Motorsportu, a dokładnie w części poświęconej prototypom Grupy C:
[…] Jego zasada działania znacząco różni się od tradycyjnego silnika tłokowego, gdyż w odróżnieniu od niego, tłok nie poruszał się ruchem posuwisto-zwrotnym, lecz obrotowym. Owocowało to cudownym dźwiękiem, który można porównać do wściekłego roju os, a także wysokiej mocy z relatywnie niskiej pojemności. […]
Jeżeli chodzi o Wankle, to rozróżniamy w sumie cztery konfiguracje i różnią się one tylko liczbą posiadanych wirników – od jednego do czterech. Są oczywiście tzw. customowe silniki liczące nawet 12 cylindrów, ale nie będę o nich pisał, gdyż w mojej opinii powyżej czterech wirników te silniki już nie brzmią dobrze. Jak pisałem, dźwięk Wankla to wściekły rój os i w zasadzie wszystkie odmiany tego silnika brzmią identycznie – mają jedynie nieco inny ton na wysokich obrotach. Najbardziej popularne są dwuwirnikowe silniki montowane w Mazdach RX-7 i RX-8, nieco mniej popularne trójwirnikowe z Mazdy Cosmo, oraz nieprodukowane w samochodach drogowych czterowirnikowe odmiany, znane m.in. z wyścigowej 787B.
Z racji swojej budowy, jedyną możliwą modyfikacją w samym silniku jest przeprojektowanie portów odpowiedzialnych za wymianę spalin na świeży ładunek paliwa. Z racji powiększenia tych portów, efektem ubocznym jest nakładanie się suwu wydechu oraz ssania na siebie, co nie jest szkodliwe przy szybkiej jeździe, ale na jałowych obrotach charakteryzuje się swoistym przerywaniem… które brzmi bardzo charakterystycznie i na swój sposób urzeka.