Dźwięk silnika motocyklowego, czyli dlaczego widlak gada inaczej od rzędowej czwórki

Nazwanie brzmienia silnika motocyklowego muzyką wcale nie jest dalekie od prawdy. Mamy tu bowiem dźwięk, rytm i barwę, czyli te same elementy, które usłyszysz w filharmonii, z MP-trójki lub na festiwalu Open’er. I tu można mówić o gatunkach muzyki oraz gustach słuchaczy: dla jednych nic nie przebije brzmienia widlastej dwójki, podczas gdy inni daliby się pokroić za ryk czterocylindrowca...

Czemu jeden silnik brzmi tak, a drugi zupełnie inaczej?

I tu pojawiają się pytania: dlaczego jeden silnik brzmi tak, a drugi zupełnie inaczej i dlaczego odgłos pracy wpływa na to, jak jedzie się danym motocyklem? Odpowiedź na oba pytania jest ta sama – u podstaw zarówno ruchu motocykla, jak i wydawanego przezeń dźwięku stoi wybuch mieszanki paliwa z powietrzem. W czterosuwie działa to następująco: podczas gdy silnik wykonuje jeden cykl (ssanie, sprężanie, praca i wydech), wał korbowy wykonuje dwa pełne obroty, tzn. po 360 stopni.

SINGIEL	RZĘDOWY TWIN
W każdym cyklu pracy tłok czterosuwowego singla porusza się dwukrotnie w górę i w dół. Wał korbowy obraca się w tym czasie dwa razy. Zapłon następuje więc przy 0, 720 (2 x 360) i przy 1440 stopni. Taki rytm – mimo swojej prostoty – fascynuje, bo powstaje zwykle w komorach spalania o dużej objętości. Stąd właśnie bierze się dudnienie silnika podczas przyspieszania, które tak lubią motocykliści.	Ten typ silnika występuje w wersji współbieżnej albo przeciwbieżnej. We współbieżnej tłoki są wprawdzie w tej samej pozycji, ale wykonują inne suwy. Gdy pierwszy odpala świeżą mieszankę, drugi ją zasysa. Zapłon następuje przy 0, 360, 720 i 1080 stopni. W dwucylindrowcu przeciwbieżnym, który ma czopy korbowodowe przestawione o 180 stopni, zapłon następuje przy 0, 180, 720 i 900 stopni. Dla dźwięku oznacza to zakłócony rytm, w którym słychać nierównomierne odstępy między zapłonami, wynoszącymi 180 i 540 stopni.

Zobacz też: krótką historię wyścigówek Harleya Davidsona

Kombinacja czterosuwowego cyklu pracy i liczby cylindrów jest podstawą odgłosu pracy konkretnej maszyny. Ale nie tylko to ma znaczenie. Do tego dochodzi konfiguracja cylindrów: czy stoją w rzędzie, są w układzie V, czy może naprzeciw siebie, jak w silniku bokser. Z tym wiąże się kształt wału korbowego, który zależy od tego, kiedy w danym cylindrze ma następować zapłon.

Kolejność ma znaczenie

O brzmieniu decyduje kolejność zapłonów. Odstępy między wybuchami w poszczególnych komorach spalania oraz ich wzajemne usytuowanie decydują, jaką muzykę będzie grał silnik, narzucając jej tonację i rytm. W zależności od obrotów zmienia się prędkość, z jaką ten instrument wygrywa pojedyncze nuty oraz wysokość ich dźwięku.

BOKSER	DWUCYLINDROWY WIDLAK

Inaczej gadają

Ważną rolę odgrywa też to, jak pojemność rozkłada się na daną liczbę cylindrów. Ducati Scrambler gada zupełnie inaczej niż BMW F 800, mimo że oba mają silniki dwucylindrowe i niemal identyczną pojemność. Przyczyna jest prosta: BMW jest rzędowym dwucylindrowcem, w którym tłoki poruszają się równocześnie w górę lub w dół. Jednak w trakcie tej wędrówki w każdym z nich dzieje się coś innego. Podczas gdy pierwszy cylinder spręża (suw 2), w drugim odbywa się wydech (suw 4); gdy pierwszy cylinder pracuje (suw 3), drugi zasysa świeżą mieszankę. Pierwszy cylinder wyprzedza zatem drugi o jeden obrót wału korbowego.

Przyjmijmy dla uproszczenia, że w pierwszym cylindrze do zapłonu dochodzi wtedy, gdy wał korbowy znajduje się w pozycji 0 stopni. W drugim następuje to, gdy jest w położeniu 360 stopni. Wynika z tego kolejność zapłonu: 0, 360, 720, 1080, 1440 stopni oraz regularny, równomierny odgłos pracy silnika. O dźwięku Dukata nie da się tak powiedzieć. Jego oba korbowody są osadzone na tym samym czopie korbowodowym i tłoki poruszałyby się równolegle – tak jak w silniku BMW F 800 – gdyby nie kąt rozwarcia cylindrów, wynoszący 90 stopni. Dlatego zapłon w drugim cylindrze następuje nie co 360 stopni, jak w F 800, lecz co 360 stopni minus 90, a więc po 270 stopni, obrotu wału korbowego. Do następnego zapłonu w pierwszym cylindrze wał musi się obrócić o 360 stopni plus 90 stopni, czyli o 450 stopni. Z tego wynika kolejność zapłonu: 0, 270, 720, 990 i 1710 stopni. Właśnie to powoduje nierównomierne łomotanie Ducati. Podobnie przedstawia się sprawa z jedno-, trzy- i czterocylindrowcami (patrz: ramki opisujące typy silników).

Patent na potato

Brzmienie motocyklowych silników zależy nie tylko od liczby i konfiguracji cylindrów oraz kolejności i sekwencji zapłonów. Przecież Suzuki GSX-R 1000 gra zupełnie inaczej niż Kawasaki ZX-10R. Inna sprawa, że dźwięk obu tych pieców byłyby nie odróżnienia, gdyby pracowały na hamowni bez układów ssącego i wydechowego. Tyle że czasy, gdy dźwięk charakterystyczny dla konkretnego motocykla powstawał przypadkowo, już dawno skończyły się.

To, że maszyny brzmią tak różnie, jest dziś w znacznej mierze wynikiem pracy „kompozytorów”. Zaczęło się od wprowadzenia dopuszczalnych norm hałasu, ale kombinowanie z dźwiękiem zaczęło się na dobre na początku lat 90. zeszłego wieku, kiedy to Harley-Davidson podjął próbę opatentowania charakterystycznego dudnienia ich widlaków, określanego w Stanach jako „potato, potato” (czyt. „potejto, potejto”). Nic z tego nie wyszło, jednak podejście do dźwięku silnika jako do wartości samej w sobie zainspirowało ludzi w wielu firmach i w efekcie doprowadziło do pojawienia się w nich działów zajmujących się jakością i kompozycją dźwięków wydawanych przez motocykl.

Prosto w ucho

Rozwiązania prawne spowodowały, że pierwszą rzeczą, którą w firmach biorą dziś na warsztat, jest nieprzekraczanie dopuszczalnego poziomu hałasu. Oprócz tego inżynierowie od akustyki mają za zadanie wyeliminować, a przynajmniej stłumić nieprzyjemne dla ucha odgłosy mechaniczne oraz wydobyć z tłumików dźwięki odbierane jako przyjemne.

Zobacz też: Porównanie motocykli z silnikami sześciocylindrowymi

Aby to osiągnąć, niektóre firmy – np. Victory – skrupulatnie analizują częstotliwości dźwięków, jakie generują silniki, po czym wszystkie elementy podwozia konstruują w taki sposób, by częstotliwości ich drgań różniły się od częstotliwości wibracji silnika. Wszystko po to, aby basy z wydechów umieścić w centralnym punkcie palety dźwięków.

BMW wykorzystuje tunel akustyczny, przez który prąd powietrza bezszelestnie przepływa z prędkością do 200 km/h. Dzięki temu cały hałas, jaki tam powstaje, pochodzi od testowanego motocykla i manekina z głową naszpikowaną mikrofonami, który na nim siedzi. Gdy turbina rusza, szumy są nagrywane tak jak słyszy to jeździec. Następnie, po analizie prędkości wiatru i częstotliwości wytwarzanych przez nagrany świst powietrza, da się wyliczyć szerokość szczeliny, w której powstaje niepożądany dźwięk, i wyeliminować go.

W Ducati dla odmiany nie przykładają się nadmiernie do tłumienia hałasów mechanicznych, uznając je za część stylu i wizerunku. Lekkie stukanie układu rozrządu desmo czy grzechotanie suchego sprzęgła uznają w Ducati za odgłosy jak najbardziej OK. Obudowy tego ostatniego są tu doskonałym przykładem. Z jednej strony bowiem firma zadaje sobie sporo trudu, by jak najlepiej tłumiły dźwięk, z drugiej zaś miłośnicy marki i tak natychmiast wymieniają je na otwarty dekiel.

TRZYCYLINDROWIEC	RZĘDOWA CZWÓRKA
Trzy cylindry – jak Yamasze MT-09 lub w Triumphie – odpalające w rytmie co 240 stopni grają dość surowo. To jasne, że przy równych odstępach między zapłonami architekci dźwięku mają spore pole do popisu.	Więcej cylindrów = więcej zapłonów i wyższa częstotliwość dźwięku. A na brzmienie konkretnej maszyny mają wpływ kolejność zapłonów, które narzucają silnikowi intonację i rytm, ale także to, co zaplanowali „kompozytorzy”.

Koncepcja muzyki z wydechów powstaje już etapie komputerowych obliczeń nowego modelu. Uwzględnia się przy tym trzy elementy: zasysanie powietrza, szumy mechaniczne silnika i układ wydechowy. By każda maszyna miała swój niepowtarzalny gang, projektanci dźwięku rozkładają go na elementy składowe. Każdy dźwięk składa się bowiem z różnych tonów, a więc częstotliwości. Na podstawie takiej analizy inżynierowie ustalają, jaka częstotliwość ma być dominująca, jaka ma być na drugim planie, a jaka ma być dla jeźdźca niesłyszalna.

Sporo da się ustawić za pomocą układu wydechowego, bo dzięki tłumieniu można osłabić częstotliwości, które ludzkie ucho odbiera jako nieprzyjemne. Akustycy wykorzystują to, że dźwięk rozchodzi się w postaci fal, które można w tłumiku modyfikować, kilkakrotnie zmieniając kierunek ich poruszania się. Pozwala to uzyskać wzajemne oddziaływanie na siebie fal i wyciszenie tych niepożądanych.

Można to porównać do basenu, w którym fale napływają z różnych kierunków, a gdy grzbiet jednej fali przechodzi przez dolinę innej, woda na powierzchni uspokaja się. Fale dźwiękowe, które się neutralizują, nie są słyszalne. Ta zasada pozwala dobierać w kolejnych wybuchach mieszanki zaplanowaną wcześniej tonację i brzmienie.

Możesz grać gazem

Rzecz jasna, na wygrywaną przez silnik melodię wpływ ma także to, jak obchodzisz się z gazem. Gdy twój bike toczy się z przymkniętą przepustnicą, silnik prawie nie zasysa mieszanki, natomiast gdy otwierasz gaz na maksa wypełnia się 90–95% pojemności komór (komory) spalania. Oczywiście większa dawka mieszanki oznacza silniejsze jej wybuchy. Otwarcie gazu oznacza wzrost obrotów, co ma wpływ na dźwięk. Jest on głośniejszy, a równocześnie zmienia się jego częstotliwość, bo wyższe obroty generują dźwięk o wyższej tonacji.