Царството на механиката: Автомобилите с 5, 6, 8, 10, 12 и 16 цилиндъра
5 цилиндъра
Дяволски интервал осигурява на петцилиндровия мотор 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 в обикновено високата им себестойност и начинът и 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. Инженерите на Audi например успяха да доразвият 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 показва 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
Редови, V-образен или боксерен, този мотор предлага различни възможни архитектури
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, например този 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. И защото вече традицията го повелява. Допълнителните ползи включват и по-ниския център на тежестта. Новият 2.9 литров битурбо мотор за Panamera показва че и тази архитектура има какво още да покаже.
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 (остава единствено лекият усукващ момент дължащ се на минималното изместване на срещулежащите мотовилки). Специален случай е V12 двигателят (тоест той не е боксер) като този на Ferrari 512 TR 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 около 6500 обаче се дължат на специално разработените всмукателни трактове и не са типични за този тип 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.
8 цилиндъра
С турбо или не, V8 моторите носят свой ярък характер
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.
Mercedes AMG например изразява всичко това по доста своенравен начин. Конструкторите са филтрирали почти изцяло дисхармоничните интервали от честотния спектър и по този начин са постигнали по-приглушен тон. Така Е-класата се носи върху малка басова вълна, при високи обороти се добавя арогантно боботене, а при подаване на пълна газ и превключване на по-ниска предавка моторът буквално извива глас .
Различен случай са осемцилиндровите двигатели на някои европейски спортни производители като Ferrari (458 Italia) които използват колянови валове в една равнина (на 180 градуса или нещо като колянов вал за четирицилиндров мотор с удължени мотовилкови шийки), 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 на басовия звук.
10 цилиндъра
Шантавите октави на петака тук се проявяват с още по-голяма сила
Двигателят на Dodge Viper предлага работен обем и въртящ момент колкото ти сърце иска и е не само гърлен но и жаден за гориво. 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) 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 F12 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 F12 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 Формула 1. И отвън доминират толкова характерните високочестотни тонове. А при високи обороти моторът на F12 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 Veyron: Четири турбокомпресора за една приказка без край
Въпрос: Какво се случва когато на конструкторите се позволи да покажат какво е възможно в автомобилостроенето? Отговор: 16 цилиндровият Bugatti Veyron. Или пък Chiron. Това са уникални инженерни творения, 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. На слух броят на цилиндрите не може да се определи – работните импулси са изключително чести за да може човешкото ухо да се справи с тази задача субективно. Основните тонове са много по-високи от тези на всички споменати тук двигатели – запалванията са осем на всяко завъртане на коляновия вал (осми порядък на запалване). Фактът че при ниски оборотни режими Veyron работи по подобие на дизел се дължи на големия работен обем от осем литра. При отворен покрив, над 3000 об./мин, когато Veyron започва плътно да притиска главите на пътуващите в седалките, шумът на въздуха започва да се смесва с прорязващото ушите съскане на waste-gate клапаните на турбокомпресорите. Те пък се заглушават единствено при пълно натоварване от шума от горивните камери. Ако капакът на покрива се постави обратно, водачът остава с преобладаващото усещане от действието на механичните сили. Отвън пък съскането и свистеното създават чувство за присъствие на парен локомотив. В историята на автомобила могат да бъдат открити няколко случая в които шестнайсетцилиндрови двигатели са използвани за луксозни автомобили, но принципно винаги са били огромна рядкост.
Заключение
Някои мотори са застрашени от изчезване
Девет автомобила в една редица и всичките с различен брой цилиндри – от два до 16 – това едва ли ще може да се види в близкото бъдеще. Тенденцията към даунсайзинг е безкомпромисна: там където досега се разполагаше спокойно атмосферният четирицилиндров мотор вече властва трицилиндровият турбо, шестцилиндровите се заменят със четирицилиндрови по силата на същата логика, осмаците отстъпват място на шестаци – в повечето случаи във V-образен формат. Накрая в битката ще паднат и V10 и V12 моторите. Е, може би ще останат някои екзотики, за да напомнят за тези времена. А на екзалтиращия им звук ще се наслаждават малцина. Автомобилният свят сякаш губи цвета си – а звукът му, своите шарени нюанси.
Текст: Георги Колев