Mehanička simfonija

Mehanička simfonija

Kako od kemijske reakcije preko mehaničkog sustava dobivamo razne akustičke efekte, ili zašto motori zvuče tako kako zvuče

Ispravno “krpanje” (popravak) guma
Na rezervi ste, a nigdje benzinske
Zašto je dobro da vas policija zaustavi?

Jedan od sastavnih dijelova doživljaja automobila i vožnje je zvuk motora. Sve češće se danas taj zvuk proizvodi posredno, umjetno. Proizvođači pokušavaju glumiti dobar zvuk pa zvuk motora kanalima uvode u putničku kabinu ili pak koriste zvučnike i računalnu sintezu zvuka kako bi se u kabini nešto čulo, o čemu smo već pisali. Još jedno takvo rješenje je dobivanje zvuka samo na ispušnoj cijevi. No, bez čitavog sklopa, od režanja usisa do pucanja auspuha, ne može se ostvariti iskreni efekt i pravi doživljaj zbog kojega ljubitelji i dalje rado i vide, ali i čuju stari automobil.

Ovdje ćemo opisati kako od usisa zraka do izbacivanja izgorene smjese goriva iz cilindra nastaju razni specifični zvukovi, tj. kako zvuk motora ovisi o njegovoj konfiguraciji. Osnovne karakteristike zvuka slijede iz protoka gorive smjese kroz motor, broja paljenja po jednoj punoj rotaciji radilice i izgaranja, tj. termodinamičkog ciklusa motora.

Što definira zvuk?

Primarni faktori, oni koji definiraju zvuk, su broj cilindara, konfiguracija radilice i redoslijed paljenja (uz to je vezan kut između krila bloka motora, ako je motor V konfiguracije). Sekundarni faktori, oni koji oblikuju zvuk, su geometrija i materijal usisne i ispušne grane, njihova propusnost (filtri, prigušivači), broj ventila (drugačiji harmonici, pogotovo na visokim okretajima) i korištenje prednabijanja (jer turbokompresori i mehanički kompresori prigušuju i mijenjaju tijek usisnog zraka i/ili ispušnih plinova, a brzina njihovog kretanja i rezoniranje materijala doprinose oblikovanju zvuka).

Da to ilustriramo primjerom, zvuk usisnog benzinskog motora i turbodizelskog šestcilindarskog motora dovoljno je sličan da se prepozna kao šestcilindarski motor, ali, naravno, grublji rad, niža turaža i prigušeni usisni zvuk V6 TDI motora i dalje se po tonu razlikuje od mirnijeg, brže izgarajućeg benzinskog rednog šestcilindraša u npr. starom Rolls-Royceu.

U nastavku teksta slijedi pregled konfiguracija i zvukova motora kakve se najčešće može čuti na cestama u automobilima i motociklima. Neki nisu spomenuti (npr. redni sedamcilindarski motor, kakvi se mogu pronaći u brodskim i podmorničkim strojarnicama), ali su spomenuti neki rijetki cestovni koje je zanimljivo dodati tom popisu.

Wankel i dvotaktni

Mazda je riješila problem s dihtunzima vrhova rotora u Wankel motoru koji su stvorili problem za NSU i 50-ak godina proizvodila sportske, trkaće i luksuzne automobile s Wankel motorima. Nedavno su prijavili nove patente pa se možda Wankeli spremni za nove ekoregulacije vrate na cestu

Ovi tipovi motora svrstani su u kontekstu zvuka koji proizvode. NSU i Mazda su među najpoznatijim vozilima s rotorskim Wankel motorima. O njima su 70-ih razmišljali i npr. Citroën i Mercedes, ali do monstruoznih izlaznih snaga i vrištećih zvukova dovela ih je Mazda početkom 90-ih u konfiguraciji s 4 rotora za utrku 24 h Le Mansa.

Veliki dvotaktni dizeli pogonili su razna vozila, od zrakoplova do lokomotiva. Prerađeni Detroit Diesel V16 s 4 turbine i 2 kompresora je iz broda (remorkera) montiran u ovaj Freightliner kamion, za obaranje brzinskih rekorda na Bonnevilleu

Wankel motori svaku rotaciju rotora imaju radni takt pa daju viši zvuk, a iz sličnog razloga viši zvuk daju i dvotaktni klipni motori: radni takt odvije se svaki puni okretaj klipa. I dizelski dvotaktni motori, kakvi su bili česti u npr. američkim kamionima, zato zvuče visokoturažno, a često se nisu vrtjeli iznad 2.500 – 3.000 okretaja u minuti.

Jedan cilindar

Dvotaktni motori zapremine do 50 cm3 su na redovitim utrkama postizali brzine preko 180 km/h. I Tomos se uspješno utrkivao, koristeći jednocilindarske dvotaktne motore za tu klasu

Danas se jednocilindrični motori uglavnom koriste u nekim mikroautomobilima i lakim vozilima poput Piaggio Ape trokolica, te u motociklima manje zapremine. Zvuk tih motora mogli ste čuti u motornim pilama, mopedima, skuterima (dvotaktni), motociklima najčešće 125 – 250 kubičnih centimetara (četverotaktni) i mikroautomobilima poput Aixama koji se mogu vidjeti i na našim cestama.

Piaggio Ape je česti prizor na obali i otocima gdje služi kao dostavni i radni stroj i provlači se uskim ulicama i makadamskim putevima. Model na fotografiji koristi jednocilindarski dizel motor

Zvuk im je karakteristično jednolik i grub, a zanimljivije zvuče jače dvotaktne varijante. Jednocilindarski motori kroz dugu povijest (koriste se od 19. stoljeća i bili su česti u ranim automobilima tog vremena) razvijani su s brojnim varijacijama, ali zvuk im je svima sličan.

Dva cilindra

2CV, kod nas poznat kao Spaček, koristi dvocilindarski bokser. I neki su kasniji Citroëni koristili dvocilindarske boksere

Dvocilindarski motori proizvode se u rednoj, V2 i bokser konfiguraciji. Ducati svoj V2 zove L2, zbog položaja cilindara. Na višim brzinama vrtnje, npr. iznad 4000 okretaja u minuti, u zvuku im počne prevladavati karakteristično zujanje, bez obzira na konfiguraciju, kako pri V2 u Harley-Davidsonu (manje naglašeno zbog redoslijeda paljenja – više o tome možete pročitati dalje u tekstu), tako i u rednom motoru u Fiatu 500.

Fiat 500 koristi redni dvocilindarski motor, a austrijski Puch rađen po Fiatovoj licenci dvocilindarski bokser

Ono se može sakriti pod glasnijim zvukom auspuha, ali zbog ispušnih pulseva i pogotovo u slučaju jednakog razmaka između paljenja cilindara, ta je složenica zvuka dvocilindarskih motora uvijek prisutna. Specifična varijanta dvoklipnog motora je U2 motor (eng. split-single, njem. Doppelkolbenmotor). Izvana izgleda kao jednocilindarski, ali zapravo ima dva cilindra koji koriste istu, jednu komoru za izgaranje.

Engleski Morgan proizvodi retro automobile po formuli sličnoj Lotusovoj: niska težina i zabavna vožnja. Model 3-Wheeler proizvodi se od 2011. po uzoru na modele iz 30-ih i koristi V2 motor

Tri, šest i dvanaest cilindara

Naravno, dvotaktni redni trocilindarski motor iz Wartburga ne zvuči kao V12 iz Lamborghinija, ali po temeljnim karakteristikama paljenja cilindara (redoslijeda paljenja smjese u pojedinom cilindru) dovoljno su slični da im zvuk opišemo zajedno. Dodatna podjela svrstala bi skupa trocilindarske i V6 motore, a redne i boksere šestcilindraše skupa s V12 motorima, i to upravo zbog paljenja i inherentne grubosti prve skupine i inherentne izbalansiranosti druge navedene skupine.

Lancia je 50-ih predstavila prvi V6 motor u cestovnom automobilu

Zbog toga trocilindraši i V6 imaju nešto grublji zvuk i prepoznatljive pulseve zvuka, dok bokser i redni šestaci te V12 motori daju difuzniji zvuk, gotovo šum kao glavnu komponentu zvuka, nad kojom je zvuk koji dijele s drugim 3, 6 i 12 cilindarskim motorima.

GM Futurliner kamioni korišteni su dvadesetak godina za promotivna putovanja, a napravljeni su po dizajnu Harleyja J. Earla za Svjetsku izložbu u New Yorku 1939. Ovi art deco strojevi koriste redne šestcilindarske motore

Rani avionski W12 motori, poput Napierovog, imali su tri reda po četiri cilindra. Današnji, poput W12 iz Volkswagen grupe u Bentleyju na fotografiji, koriste četiri reda po tri cilindra, slično spajanju 2 VR6 bloka pa se nekada nazivaju i WR12 motori

Trocilindarski (redni, V3, W3) zvuče grublje, šestcilindarski (redni, bokseri, V6, VR6) bogatije bubnjaju, a dvanaestcilindarski (V12, horizontalni 12-cilindraš, bokser, W12; prisjetimo se, u horizontalnom V motoru nasuprotni klipovi dijele prihvat na koljenasto vratilo, a u bokser motorima, svaki klip ima svoj prihvat) obično k tome imaju uglađeniji, a na višim okretajima oštriji zvuk.

Četiri i osam cilindara (flatplane)

Najčešći motor na cestama je redni četverocilindarski i uglavnom nema zanimljiv zvuk. No, neki su i ravno iz tvornice zvučali odlično, poput visokoturažnih Hondinih s početka 90-ih

Redni četverocilindarski motor najčešći je na današnjim cestama. Ne mora zvučati dosadno, pogotovo usisni na visokim okretajima. Uz druge harmonike slično zvuče i flatplane V8 motori. I jedan automobil s motorom od šesnaest cilindara, Cizeta-Moroder V16, možemo opisati u ovoj grupi, ali samo zato što ne koristi pravi V16 nego dva povezana V8.

V8 u Ferrarijevim modelima, poput F40 (bi-turbo V8) na fotografiji, koristi flatplane koljenasto vratilo

Zanimljivi četverocilindarski motor razvila je Honda za motoutrke; 1979. počeli su proizvoditi motocikle s V4 motorom, ali s dvostrukim klipnjačama, ovalnim (kasnije, na NR modelima 1990ih, elipsastim) klipovima i 32 ventila. Ondašnja Moto GP pravila su motore ograničila na najviše četiri komore za izgaranje, a Honda je svoj V4 konstruirala tako da se ponaša kao V8. Zbog radilice također ima uglađeniji zvuk pa ga opisujemo u ovoj skupini.

Četiri cilindra, nastavak

Spominjali smo konfiguraciju radilice. Podsjetimo se, radi se od geometriji koljenastog vratila, tj. leže li koljena radilice na istoj ravnini (flatplane, sve u istoj ravnini po uzdužnoj osi radilice) ili leže na međusobno okomitim ravninama (crossplane); uz to je vezan i redoslijed paljenja cilindara. Crossplane motori zato imaju karakteristično grublji zvuk, radilice s protuutezima i obično složene ispušne grane radi optimizacije protjecanja ispušnih pulseva.

Saab Sonett III (na fotografiji) koristi Fordov V4 motor. I Lancia je koristila V4, i to uskokutnu verziju, u kojem oba krila bloka koriste jednu glavu cilindara

Flatplane motori imaju svojih problema, prvenstveno drugačiji tip vibracija nego crossplane, ali prednost im je mogućnost postizanja viših okretaja zbog lakše radilice. Kod crossplane motora ispušni pulsevi su nejednako vremenski udaljeni jedan od drugog pa ti motori zvuče nemirnije. Tako V4 (npr. Ford, Saab) i uskokutni V4 (npr. Lancia), redni s crossplane radilicom (Yamaha), i W8 (VW) zvuče drugačije od tipičnih četverocilindarskih motora; imaju nešto dublji, grgljaviji zvuk.

Volkswagenov zrakom hlađeni četverocilindarski bokser bio je temelj (zajedno s nekim konstrukcijskim rješenjima s Bube) i za rane Porschee

I četverocilindarski bokseri zvuče specifično (npr. Subaru), ali u znatnoj mjeri zbog tipa ispušne grane; uz jednako dugačke ispušne grane prema svakom cilindru, ti motori zvuče ujednačenije, ali i dalje prepoznatljivo bubnjaju zbog redoslijeda paljenja.

Pet i deset cilindara

Ford i Lancia su 30-ih godina razvijali redne petcilindraše, a od 70-ih su u češćoj upotrebi u Audijima. Kasnije je VAG koncern koristio VR5 (njem. V i redni, V-Motor, Reihenmotor) motore, uskokutne V5 (15°) motore u kojima svi cilindri koriste jednu glavu cilindara. Primjer V5 motora je Hondin trkaći motocikl RC211V s početka 2000-ih; motor od 990 cm3 bio je ugrađen transverzalno, bez osovina za balansiranje, s 3 cilindra u prednjoj strani bloka, i V kutem od 75,5°.

Mercedes-Benz W116, prva S-klasa, koristila je i trolitreni redni petcilindarski turbodizel

To su neki poznatiji primjeri korištenja petcilindraša, a slično njima zvuče i V10 motori. Koristi ih npr. Lexus u LFA, Dodge u Viperu, Lamborghini u Hurracanu, ili pak Tatra u kamionima. Radijalni ili zvjezdasti motor koristili su primarno avioni, no nekoliko proizvođača ugradilo ga je i u cestovna vozila, prvenstveno u motocikle. Dvije su varijante ovog motora, konvencionalni, klasičnog kretanja klipova unutar cilindara, i rotacijski, kojem se cilindri i blok okreću oko ekscentra (radilice). Ne smije se brkati s rotorskim, Wankel motorom, makar im je na engleskom naziv rotary.

Lexus LFA koristi usisni V10 motor koji vrišti do 9500 okretaja u minuti

I takav motor s pet cilindara ima prepoznatljiv zvuk, iako ga je teže prepoznati zbog primjese drugih rezonanci od rebara za hlađenje (većinom su hlađeni zrakom) i jer su konstruirani za niže turaže s obzirom na to da su preko reduktora ili čak bez ikakve getribe pogonili avionske elise. One pak nisu bile projektirane za probijanje zvučnog zida i tomu bliske brzine jer se dinamika zraka u tom brzinskom području mijenja, drugačije se vrtloži i lamelira. Broj cilindara je puno lakše znati (tj. zvuk motora postaje definiran) tek kada se motor malo zavrti.

Osam i šesnaest cilindara

Tipični predstavnik zvuka crossplane V8 motora su američki automobili. Na fotografiji je Chevrolet Corvette Stingray iz 1959. i njegov dizajner Bill Mitchell

Osamcilindarski redni (korišteni pretežito prije Drugog svjetskog rata, npr. Duesenberg, Buick, Cord, Auburn, Phantom Corsair, Alfa Romeo, Maserati, ali i trkaći Mercedesi nakon rata) i crossplane V8 motori (praktički svi američki, no npr. novi/trenutni Mustang koristi flatplane V8) slično zvuče. Slično, ali gromkije zvuče i šesnaestcilindarski motori.

Redni osmocilindarski motori korišteni su u trkaćim, sportskim i luksuznim automobilima prije Drugog svjetskog rata. Na fotografiji je Packard One-Twenty iz 1937., dio zbirke muzeja Presečki

U automobilima ima tek nekoliko primjera uglađenog, ali po potrebi i glasnog V16 motora, od kojih su poznatiji Cadillac i Marmon na cesti te Auto Union i BRM na pisti). BRM je neko vrijeme koristio i H16 (koji se može opisati kao dva spojena osamcilindarska boksera jedan iznad drugog), a trenutno od serijskih automobila Bugatti koristi W16 u Chironu.

Osim nekoliko trkaćih primjena poput Auto Uniona i BRM-a, moćni V16 proizvodio se i za cestu, najviše u SAD-u. Primjeri su Cadillac (na fotografiji) i Marmon

Zašto su dizelski motori bučniji od benzinskih?

Uz suvremene iznimke (Mazda), dizelski motori rade s visokom kompresijom kako bi u komori za izgaranje postigli visoke tlakove i temperature potrebne za samozapaljenje gorivne smjese. Koriste teže i čvršće komponente od benzinskih iste zapremine i usporedivih karakteristika. Budući da niti nisu projektirani za visoke turaže, niti ih mogu postići zbog tih težih komponenti (pokretnih dijelova) koje bi se za to trebale puno preciznije izrađivati, u automobilima se najčešće vrte do 4.500 okretaja u minuti (ponovo, uz neke iznimke s graničnicima okretaja na 5.000 – 5.500 okretaja u minuti).

Honda Civic 1.6 i-DTEC sa 120 KS

Zbog paljenja smjese tlačenjem i visokom temperaturom i zbog težih komponenti dizelski motori su bučniji od usporedivih benzinskih i imaju karakteristični, tupi klak-klak zvuk. Nikakvi auspusi i zvučna izolacija to ne mogu eliminirati, no to ne znači da dizelski motori ne mogu dobro zvučati, pogotovo na višim brzinama vrtnje.

Kakva je veza zvuka i performansi motora?

Podrapani auspuh zvuči glasno, ali ne podiže snagu motora. Sportski ispušni sustavi pažljivo su projektirani kako bi motor što lakše izbacio ispušne plinove, tj. da se što manje energije potroši na čišćenje komora za izgaranje. Uz to, koristi se vakuum koji puls ispuha ostavlja za sobom, koji može olakšati put (podtlak ga povlači) ispušnom pulsu iz idućeg cilindra. Uračunava se i ispiranje cilindra zrakom u periodu u kojem su ispušni i usisni ventili istovremeno otvoreni.

Za ispuhe visokih performansi koriste se i lagani materijali te manje zvučne izolacije, prigušivača, a za trkaću pistu, miču se i katalizatori. To sve skupa daje bolji ton, a naravno, i akustična svojstva ispuha se predviđaju i dizajniraju. Još jedan faktor u jednadžbi dobrog ispuha je sprječavanje povrata plinova prema motoru, osim kod dvotaktnih benzinskih gdje je to povoljno.

Benzinski dvotaktni motori najčešće komprimiraju smjesu goriva i zraka pomoću kretanja klipa i geometrije kućišta radilice; rezonantni povrat plinova u komoru za izgaranje je povoljan i služi dodatnom nabijanju cilindra neizgorenom smjesom iz ispuha. Dvotaktni dizeli pak zrak upuhuju u cilindar, a gorivo ubrizgavaju posebno; zbog potrebnog višeg stupnja kompresije i konstrukcije usisnih i ispušnih otvora (ili ventila), potreban im je usis višeg tlaka pa koriste prednabijanje (iznimke su mali i lagani motori koji rade na samozapaljive smjese, poput nekih aviomodelarskih motora).

Na koncu, kao praktični savjet možemo istaknuti kontrolu ispravnosti ispušnog sustava, a u slučaju prelaska na drugi sustav kupiti sustav prilagođen motoru. Današnji cestovni ispušni sustavi su tihi i obično projektirani da ne prigušuju motor, osim na jeftinim automobilima (koji zbog nečega moraju biti jeftini!); za takve automobile bi se promjena ispušnog sustava poznala na performansama i na zvuku, no obično jedna modifikacija povlači drugu…

Inherentno balansirani motori

Neke konfiguracije klipnih motora su inherentno balansirane. To se odnosi na razinu vibracija zbog asimetričnih sila na pojedine komponente motora. Uglavnom su šestcilindarski bokser motori, redni šestcilindarski motori, V12 i V16 motori konstrukcijski, inherentno izbalansirani po pitanju tog tipa vibracija (makar disbalans nastaje i zbog geometrije sklopa klipa, klipnjače i koljena radilice); prvenstveno zbog redoslijeda paljenja i geometrije radilice, kretanje jednog dijela motora (npr. klipa) u svojevrsnoj je protufazi i poništava nepovoljne inercijske efekte kretanja drugog dijela motora (npr. drugog klipa).

Takvo balansiranje ne isključuje i pojavu harmonika (zbog drugih komponenti motora), a u nekim slučajevima se mogu javiti druge vrste vibracija (npr. uzdužno njihanje u rednim osmocilindarskim motorima).

Zaključno na kraju: ispuh visokih performansi obično je glasan, ali nije svaki glasni ispuh koristan za performanse.

 

KOMENTARI