Вход

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

0 продукта | 0 лв.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

Само за тези, които обичат двигателя с вътрешно горене

05.06.2020 00:50
Само за тези, които обичат двигателя с вътрешно горене

Звукът и вибрациите, които ще ни липсват, когато електрическата мобилност настъпи

Царството на механиката: Сравнихме различни двигателни концепции  с от 2 до 16 цилиндъра  

Защо някои бензинови двигатели работят по-меко и балансирано от други? Какво ражда характерния за всеки мотор звук? Защо някои машини успяват да генерират толкова опияняващ спектър, а на други не им се удава това? 

Бензиновите двигатели които задвижват автомобилите в наши дни, работят само на четиритактов принцип и в рамките на оперативния им цикъл (тоест тактовете всмукване, сгъстяване, работа и изпускане осъществяващи се в продължение на два оборота на коляновия вал) се извършва едно запалване и съответно извършване на работен ход. Освен това конструкторите прилагат различни решения по отношение на броя на цилиндрите (2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 и дори 16) и архитектурата на моторите (редови, V-образни или боксерни).  Коя комбинация ще бъде избрана зависи от търсените характеристики по отношение на динамиката, но така също и от разполаганото място и бюджет. Повечето от споменатите разновидности обаче не са лишени от вибрации, които също влияят на характера на работата на мотора. 

Основната причина за нехармоничността на работата на двигателите с вътрешно горене са  масите на движещите се нагоре и надолу бутала, мотовилките с тяхната характерна осцилираща траектория и въртящия се колянов вал. Генерираните от тях сили и моменти зависят от конструкцията обаче само частично. Според елементарното правило в работата на двигателите с вътрешно горене, колкото повече са цилиндрите, респективно повече броя на запалванията на сместа за единица време и по-малки масите  на отделните движещи се елементи, толкова по-култивирано и балансирано работи двигателят. Значителен принос за последното могат да имат и допълнителни мерки като противотежести на коляновия вал и балансиращи валове. Роля на буфер на отделните работни импулси и дори на средство за активно поглъщане на вибрациите (Ford 1.0 Ecoboost) играе маховикът. Конструкторите наричат силите предизвикани от движението на буталата нагоре-надолу „първични инерционни сили“ (или сили от първи порядък), а тези генерирани от ъгловото движение на мотовилката и създаваната поради това  разликата в скоростта на буталата в рамките на хода им „вторични инерционни сили“ (или сили от втори порядък). 

Всичко това е част от особеностите на механиката. Но то в пряка функция влияе и на акустиката на двигателя. Един балансиран мотор излъчва и чист по своя характер звук. Същото важи и за това как той набира обороти и реагира на подаването на газ. За конструкторите начинът на работа определя и по-нататъшните дейности за настройката на звука на изхода на ауспуховите тръби. Замяната на шестцилиндровите редови двигатели на BMW например принуди инженерите да поставят сложни устройства в изпускателните системи за „догенериране“ на честоти в спектъра на звуковия фон. За  любителите на спортните автомобили красивият звук е не по-малко търсен от голямата мощност. 

Трети порядък – това пък какво е?

И тъй като „саундът“ в голяма степен усилва – или може би потиска понякога – удоволствието зад волана, инженерите посвещават много време на акустиката на автомобила. Основният характер на спектъра се определя от последователността на процесите на запалване на сместа, който се нарича още и порядък (терминът е различен от порядъка на силите) и е пряка функция на броя на запалванията за един оборот на коляновия вал. Шестцилиндровият четиритактов двигател например генерира своите основни тонове от трети порядък, защото въпросният брой запалвания за един оборот е три. Освен базовите тоновe се генерират и звукове от по-високи порядъци или хармоници.    

2 цилиндъра 

Fiat 500: Симпатичното потропване на малкия автомобил

В момента никой не произвежда едросерийно автомобили задвижвани от едноцилиндров двигател, но до съвсем скоро в общата картина не липсваше представител на двуцилиндровите агрегати. Естествено подобно нещо може да ви предложи авангардна, но и екзотична в техническо отношение марка като Fiat. Подобно решение е революционно, но и разбираемо – редовият двуцилиндров мотор има по-малко части, по-ниска себестойност, по-ниско вътрешно триене и на практика е идеален за малък автомобил като Fiat 500. Тези аргументи изглеждат достатъчни човек да пренебрегне факта че при работата си машината като че малко подкашля.           Подобно решение не е новост за фирмата, защото оригиналният 500 от 50-те години също се задвижва от двуцилиндров двигател – естествено с работен обем от 500 см3. Вярно е че машината е на светлинни години от своя предшественик чийто звук се подсилва и поради конструкцията му с въздушно охлаждане, но е вярно също и че е звукът му наподобява същия рап ритъм. Към това се добавя и един интересен акустичен феномен – субективно човек има усещането че се движи с много по-ниски от реалните обороти и едва погледа към оборотомера кара водача да обуздае порива си да дава газ и да премине на по-висока предавка. Това се дължи на голямото времево отстояние между запалванията (едно запалване на един оборот). Водачът трябва да свикне с това преди да се научи да превключва предавките по слух. 

Fiat нарича своя двигател Twin, което в случая означава не само че е с два цилиндъра, но и че e редови. Както в повечето случаи тук двете бутала се движат едновременно нагоре и надолу, но работните им тактове респективно запалването са през 360 градуса. За постигането на приемливи нива на мощност на помощ идва турбокомпресорът, който пък работи по-ефективно заради липсата на взаимно негативно влияние на газовите вълни поради големите интервали на началото на отваряне на изпускателните клапани. За отварянето на всмукателните пък се грижи системата MultiAir, която ги задвижва хидравлично. Естествено това едновременно движение на големи маси нагоре-надолу предизвиква солидни вибрации, но докато за компенсирането им в оригиналния 500 се грижеше колянов вал с голяма противотежест, то при новия агрегат с работен обем от 0,9 литра тази роля е поета от балансиращ вал. 

3 цилиндъра 

Напоследък той се въвежда все по-масово 

Подобно на двуцилиндровия двигател и трицилиндровия не е новост в автомобилостроенето, но се преоткрива пред последните години. В сравнение със събрата си с два цилиндъра, балансът на масите е значително по-добър, а интервала на запалване е намален от 360 на 240 градуса. 

Трицилиндровият двигател работи като половин редови шестцилиндров. Думата половин обаче идва да обозначи една далеч по-нерафинирана работа. Модерната му турбо интерпретация се роди в процеса на еволюцията на даунсайзинга (макар че в Япония отдавна се продават така нарeчените Kei cars които са три цилиндъра и 0,66 л), а основите положи Ford със своя 1.0 Ecoboost. Последваха го Opel, Peugeot, Hyundai, Renault и дори BMW, а наскоро и Fiat замени двуцилиндровия си мотор с новото поколение трицилиндрови двигатели Firefly.  

Още от празен ход тези агрегати демонстрират характерен басов звук, подобен на ръмжене, който с увеличаване на оборотите се трансформира в нещо като тракането на шевна машина. И тук заради големия интервал на запалване се появява феномена с усещането за по-ниски от реалните обороти; теоретично 1,5 „горивни събития“ – какъвто е техническият термин за целта – се извършват в рамките на един оборот. 

Ренесансът на трицилиндровите мотори има солидни аргументи – този агрегат има по-малък брой детайли от четирицилиндровия със същия работен обем, по-евтин е за производство и е по-лек. Вътрешното му триене е по-ниско, което спомага на намаляване на разхода, а поради по-големият интервал на запалване вълните в отработилите газове не си влияят взаимно негативно, така както при четирицилиндровия (поради което при последните се налага често да бъдат използвани по-скъпите двуструйни (Twin Scroll) турбокомпресори). 

Макар и малки почти всички модерни трицилиндрови мотори са турбо и използват архитектурата с директно впръскване с централен инжектор. Сред редките изключения е новият M15A-FKS/FXE на Toyota.  

4 цилиндъра 

Класиката в жанра при даунсайзинга замества шестцилиндрови мотори 

Ако четиритактовият двигател разполага с четири цилиндъра налице е процес на запалване на всеки такт – другояче казано, диапазонът на запалване е 180 градуса. Конструкцията на този вид машина при подреждането на цилиндрите в един ред също е на 180 градуса – тоест те се движат по двойки при което докато средните два тръгват в посока надолу, външните два се насочват нагоре (малко по-различно стоят нещата при V4 мотора използван рядко в миналото). По този начин почти напълно се балансират силите от първи порядък. Разбира се проблем остават тези от втори порядък и затова при двигателите с работен обем от и над 2,0 литра (с някои изключения) се използват два балансиращи вала, разположени в долната част на блок-картера, въртящи се в противоположни посоки. При боксерните машини всяка двойка цилиндри взаимно гаси и двата вида сили, но редовите четирицилиндрови мотори са предпочитани в наши дни заради своята компактност, лесния напречен монтаж в малки и компактни автомобили, а напоследък напречно или надлъжно и в долния и горен среден клас, което на практика ги прави най-използваното решение в съвременното автомобилостроене.  

И все пак и при модерните агрегати си остава характерният звук – особено при високи обороти настъпва типичния грохот – един феномен, който е много типичен за мощните модерни турбо мотори като този на Golf GTI. 

5 цилиндъра 

„Дяволски интервал“ осигурява ярки и зловещи звукови излияния

Кому са нужни пък пет цилиндъра? Отговорът не е с висока сложност – агрегатите с този брой цилиндри все още без големи затруднения могат да се монтират напречно, но имат по-голям потенциал по отношение на мощността и въртящия момент от четирицилиндровите. Причините са сравнително рядката им употреба могат да бъдат открити във относително високата им себестойност и начинът им на работа, който ги прави по-небалансирани от шестцилиндровите и дори четирицилиндровите ги превъзхождат по отношение на възможността за компенсиране на силите от първи и втори порядък. Тоест, противно на общоприетото възприятие петцилиндровият мотор не работи по-гладко от четирицилиндровия. Както при трицилиндровия мотор погледнат отпред при въртенето си той изглежда сякаш е балансиран по всяко време. Поради отстоянието на цилиндрите в дължина обаче и при него се получава клатене по напречната ос, която (пак както при трицилиндровия) може да се компенсира с помощта на един балансиращ вал. Същото не важи за силите от втори порядък, което би изисквало сложени технически средства. Затова те в голяма степен остават небалансирани.  

Запалването става на всеки 144 градуса, което означава че този двигател разполага по-често с работни тактове, а това осигурява по-равномерно прилагане на въртящ момент от  четирицилиндровия. Средно 2,5-те запалвания на оборот водят и до раждане на тонове от 2,5-ти порядък, на които се дължи изключително специфичния звук на „петаците“ – последният няма как да бъде сгрешен. Фактът че петцилиндровият мотор може да звучи и зловещо се дължи на така нареченият тритонус (три паразитни тона между други два), един особен и смущаващ звуков спектър. Леко небалансираният ход води и до съответния звуков дисонанс. Подобно нещо може да създаде само десетцилиндровия мотор. Audi успя да доразвие тази характерна бленда благодарение на която 10-цилиндровият мотор успява да добави в палитрата си над 5000 об./мин един високочестотен темпераментен барабанен звук. 

Типичният дълбок гърлен глас на петцилиндровия мотор се харесва на мнозина и осигурява секси звук дори на дизеловите машини. Фактът че заради високата си себестойност, този мотор е рядкост го прави още по-атрактивен, а Audi показа и че мултипликацията му като V10 също носи технологичен и маркетингов ефект.

И все пак петцилиндровият мотор не може да очаква бляскаво бъдеще. Животът му е вгорчен от все по-ефективните четирицилиндрови агрегати, които благодарение на саунд инженерига започват да звучат като по-големи, ако поискат. В бъдеще той ще става все по-рядко явление и дори е застрашен от измиране.

6 цилиндъра 

Боксерният мотор на Porsche е един сложен специален случай

На практика, редовият шестцилиндров двигател се състои от два съчленени трицилиндрови агрегата. По тази причина в рамките на един оборот при него се извършват три вместо 1,5 запалвания. Вибрациите от своя страна се взаимно се анулират по перфектен начин. Именно този, както и производният му 12-цилиндров мотор се смятат за еталон по отношение на хармоничността на работата.  

Коляновият вал е еквивалентно конструиран само че е два пъти по-дълъг и с два пъти по-голям брой мотовилки. Което по никакъв начин не влошава гореспоменатите качества, стоящи в основата на спокойствието на тези машини при високи оборотни режими и хармоничният им звук. 

По тези показатели шестцилиндровият боксер на Porsche 911 Carrera S не отстъпва с нищо. За сметка на това е по-скъп за производство и на пръв поглед подобна алтернатива няма смисъл. Porsche използва този мотор защото е по-къс и идеално се вписва в задната част на автомобила. Допълнителните ползи включват и по-ниския център на тежестта. 

При боксерните мотори цилиндрите са срещулежащи, тоест са разположени на 180 градуса. За да може движението на срещулежащите бутала да става едновременно от горна към долна мъртва точка – и по този начин силите генерирани както от буталата така и от въртенето на мотовилките да се компенсира взаимно – мотовилковите шийки трябва също да са разположени на 180 градуса. Специални случаи на V12 двигатели (тоест той не боксер, а V12 с ъгъл между цилиндровите редове от 180 градуса) са някои двигатели на Ferrari чийто цилиндрови редове са разположени също на 180 градуса, но всяка двойка мотовилки се захващат на обща шийка. Генерираните по този начин сили обаче са в рамките на приемливото при подобен високооборотен мотор. 

Повечето шестцилиндрови двигатели са добър пример за това как балансираната и гладка работа води и до хармоничен, копринен звук. Сравнително високите звукови хармоници (от трети нагоре) генерират перфектни интервали и формират приятен равномерен спектър. Ярките звуци подобни на рев на боксерите на Porsche при оборотни режими като 6500 обаче се дължат на специално разработените всмукателни трактове и не са типични за шестцилиндровите машини. 

И все пак, най-често шестцилиндровите мотори могат да бъдат открити под капака във V-образен формат. Тази архитектура позволява повече компактност и по-малка дължина на тези машини. За бъдат подходящо балансирани цилиндровите редове трябва да са на 60 градуса, а това затруднява по-ефективното разполагане на турбокомпресорите между тях. 

8 цилиндъра 

V8 моторите си остава класика при мощните автомобили  

Тези машини винаги създават усещане за нещо американско и носят специфичния му чар. А феновете им могат да разпознаят звука отдалеч. При V8 моторите с ъгъл между цилиндровите блокове от 90 градуса съществуват само свободни сили от първи порядък, които могат да бъдат компенсирани напълно с помощта на противотежести на коляновия вал. Звукът на V8 мотора с разположени под 90 градуса мотовилкови шийки се дължи на  специфичния начин на работа с равномерна последователност на запалване, която обаче идва в неравноделна  последователност от всеки от цилиндровите редове.  

Различен случай са осемцилиндровите двигатели на някои европейски спортни производители като Ferrari които използват колянови валове в една равнина (на 180 градуса или нещо като колянов вал за четирицилиндров мотор с удължени мотовилкови шийки) – така наречените Flat plane,  тоест такива при които шийките са в една плоскост. По този начин се избягва необходимостта от тежки противотежести, а двата блока на практика са два отделни четирицилиндрови мотора. Последователността на запалване става равномерна за всеки блок, но звукът вече не няма нищо общо с типичният гърлен глас на американските машини, а е нещо като смес от два паралелно работещи отделни четирицилиндрови източника. При високи обороти агресивните обертонове надделяват над басовия звук.  

10 цилиндъра 

Обикновено в тези случаи се сещаме за Dodge Viper

Работен обем и въртящ момент колкото ти сърце иска – особено когато той произхожда от един жаден за гориво атмосферен мотор. На практика този вид двигатели са сбор от два петцилиндрови агрегата с общ колянов вал. 

V10 моторите заемат много място и като V12 са тежки и скъпи за проектиране и производство. По тази причина могат да бъдат открити основно в спортни автомобили. Разбира се, има и изключения като някои американски пикапи или пък небеизвестният V10 TDI на VW задвижвал  Phaeton и Touareg. Само пет- и десетцилиндровите мотори генерират гореспоменатият тритонус. Именно последният е в основата на характерният „дяволски“ звук на Lamborghini Huracan. Споменатият тук V10 на Dodge с огромните 8,4 литра (или 840 см3 на цилиндър), произвеждан до преди три години обаче свива контраста до дълбоките тонове и в него сякаш чувате самото усукване на огромната структура на двигателя защото както и при петцилиндровите мотори небалансираните сили от втори порядък причиняват значителни вибрации. Още от нивото на оборотите на празен ход V10 привлича вниманието върху себе си и до 1800 об./мин демонстрира присъствието с гръмовните тонове характерни за спортните четирицилиндрови мотори – само че онези от старите времена с огромни бутала и гигантски горивни камери. Чак след това пламъкът типичен за петаците се заражда бурно, а при 4000 об./мин настъпва звук подобен на трещене. Той е резултат от работата на огромната машина, която се ограничава от отскъдна настройка на изпускателната система.  При стария V10 на BMW М5 баварските инженери използваха сложна система за взаимодействие на газовете, позволява газообмен между двата изпускателни колектора с което той придобиваше своя много характерен изискан облик. Този V10 набираше обороти като състезателен двигател, осигуряваше подобаваща динамика на автомобила и харчеше страшно много гориво. Апропо, като всеки V10. 

12 цилиндъра

Честоти като тези на Ferrari GTC4 можете да откриете и в хеви метъла

V12 е кралят на моторите. Шест горивни процеса на едно завъртане на коляновия вал осигуряват изключително бърза серия от тонове, които просто се разтварят в ухото. Тъй като те се следват в равномерен ред в двата цилиндрови реда се получава една перфектна звукова хармония. В това отношение V12 превъзхожда шестцилиндровия мотор, защото интервалът на запалване на отделните цилиндри е още по-малък. Така се генерира звук който може да се модулира от нежно мъркане при лимузините до вдъхновяващо свистене при спортните автомобили. 

Когато V12 агрегатът на Ferrari  GTC4 Lusso работи на високи обороти късите вълни се наслагват върху формиращите басове дълги вълни. Това гарантира не само преобладаването на високи основни тонове, но и на изключителната агресивност, а високото налягане формирано по време на горенето гарантира достатъчна амплитуда на тоновете. От 5000 об./мин щафетата поема характерният звук на 12 цилиндровия мотор, който става напълно неповторим и се превръща в  един безкраен източник на високочестотни излияния. Подобни „атакуващи“ честоти могат да бъдат чути на хеви метъл концерти и бяха характерни за по-ранните времена на Формула 1. И отвън доминират толкова характерните високочестотни тонове. А при високи обороти моторът изразява гените си от моторните спортове, сякаш няма никакво съпротивление от инерционни маси и, за разлика от обикновените двигатели, при изключване за запалването спира на мига. 

Конструирането и производството на 12-цилиндровите двигатели е изключително сложно и скъпо. Необходимостта от въздух за двигателя и охладителната система е огромна, тъй като размерите им понякога са екстремни. Поради тези причини подобни машини имат място само в луксозни лимузини и спортни автомобили – само в тях клиентите могат да си позволят и огромния разход при голямо натоварване. Има обаче още едно нещо което атмосферните V12 си приличат с V10 – и едните и другите все по-често се заменят от осемцилиндрови мотори с принудително турбо пълнене.

16 цилиндъра 

Bugatti: Четири турбокомпресора за едно приказка без край

Въпрос: Какво се случва когато на конструкторите се позволи да покажат какво е възможно в автомобилостроенето? Отговор: 16 цилиндровият Bugatti Veyron. А после…Chiron. Това е едно уникално инженерно творение, в което безподобният двигател е душата на автомобила. 

Не съвсем коректно машината е наречена W16, защото тя не разполага с три реда цилиндри (какъвто междувпрочем бе първият проект за този двигател), а е един V-образен мотор, съставен от два VR8 агрегата. Само подобна архитектура може да осигури необходимата компактност на агрегата при подобни динамични параметри. А на късите периоди между запалванията се дължи тихата му работа – докато не се задейства какафонията от звуци включваща и тази на waste gate клапаните. Известни в история са редките прояви на конструкторско майсторство при създаване на подобни мотори като могъщите агрегати на Cadillac и Marmon и спортните машини на Auto Union.

Коментари
comments powered by Disqus