Motor de cinco cilindros en línea Straight-five engine
El motor en línea y cinco o motor en línea y cinco es un motor de combustión interna con cinco cilindros alineados en una fila o plano, que comparten un solo bloque del motor y el cárter . La justificación para un motor de cinco cilindros es que es casi tan compacto como un motor de cuatro cilindros en línea y casi tan suave como un motor de seis cilindros en línea .
Una variación del cinco en línea es el V5 de ángulo estrecho (como el motor Volkswagen V5 ) que tiene una sola culata y bloque de cilindros, pero utiliza el desplazamiento del cilindro de ángulo estrecho para reducir la longitud total en comparación con un cinco en línea convencional. . No estaba disponible en Norteamérica.
Historia
Henry Ford desarrolló un motor de cinco cilindros en línea a fines de la década de 1930 y principios de la de 1940 para un diseño de automóvil compacto y económico, que nunca se produjo debido a la falta de demanda de automóviles pequeños en los Estados Unidos. Lancia de Italia desarrolló un motor diésel de 5 cilindros a fines de la década de 1930 para usar en su serie de camiones RO para reemplazar los anteriores motores diésel de 2 cilindros y gasolina de 3 cilindros utilizados. El modelo posterior se conoció como el 3RO y fue utilizado por las fuerzas armadas italianas y alemanas durante la Segunda Guerra Mundial. Este camión permaneció en producción hasta 1950.
Un motor de cinco cilindros en línea no tuvo producción para automóviles de pasajeros hasta que Mercedes-Benz introdujo el diesel OM617 en 1974. La primera producción de gasolina de cinco cilindros en línea fue el 2.1 R5 introducido por Volkswagen Group en el Audi 100 a fines de la década de 1970, desarrollos de los cuales impulsó el coche de rally Audi Quattro . A menudo eran utilizados por marcas del mercado intermedio que buscaban ampliar sus gamas de motores a capacidades más altas sin optar por la opción de seis cilindros. En los últimos años, el motor ha ido cayendo en desgracia, y Volvo anunció en 2014 que dejaría de fabricarlos, por ejemplo.
Caracteristicas
Suavidad
La ventaja del motor de cinco cilindros sobre un motor de cuatro cilindros comparable se comprende mejor considerando los golpes de potencia y su frecuencia. En un ciclo de cuatro tiempos, el motor dispara cada cilindro una vez cada 720 grados; cada pistón dispara cada dos rotaciones del cigüeñal. Suponiendo un motor de encendido uniforme , divida 720 grados por el número de cilindros para determinar la frecuencia con la que se produce una carrera de potencia. Para un motor de cuatro cilindros , 720 ° ÷ 4 = 180 °, por lo que hay una carrera de potencia cada 180 grados, que son dos carreras de potencia por revolución del cigüeñal. Un motor Crossplane V8 obtiene una carrera de potencia cada 90 grados: 720 ° ÷ 8 = 90 °, que son cuatro carreras de potencia por cada revolución del cigüeñal.
Una carrera de potencia determinada no puede durar más de 180 grados de rotación del cigüeñal, por lo que las carreras de potencia de un motor de cuatro cilindros son secuenciales, sin superposición. Al final de la carrera de potencia de un cilindro, otro cilindro dispara.
En un motor de uno, dos o tres cilindros, hay ocasiones en las que no se produce una carrera de potencia. En un motor de tres cilindros, se produce una carrera de potencia cada 240 grados (720 ° ÷ 3 = 240 °). Dado que una carrera de potencia no puede durar más de 180 grados, esto significa que un motor de tres cilindros tiene 60 grados de "silencio" cuando no se produce una carrera de potencia.
Los motores de cinco cilindros tienen una manivela con ángulos de 72 grados (a excepción del VW V5, que tiene un desplazamiento en la manivela que corresponde al ángulo entre los cilindros; a pesar de la configuración en V, el motor tiene intervalos de encendido uniformes). La mayoría de los motores de cinco cilindros (Audi 2.5, VW 2.5 R5) tienen el orden de encendido 1-2-4-5-3. El encendido de un cilindro tras otro (por ejemplo, 1-2-3-4-5 en el caso de un motor de cinco cilindros) nunca se utiliza excepto en motores de 3 cilindros donde no hay alternativa y en algunos motores V6. La razón de esto es que el motor resultante tendrá una fuerte tendencia a oscilar de un extremo a otro y, en general, tendrá un equilibrio deficiente.
Un motor de cinco cilindros obtiene una carrera de potencia cada 144 grados (720 ° ÷ 5 = 144 °). Dado que, debido a la sincronización del árbol de levas, cada carrera de potencia dura aproximadamente 120 grados [terminando cuando se abre la válvula de escape], esto significa que hay un período muy corto de aproximadamente 24 grados cuando el cigüeñal no recibe torque. Debido a los niveles desiguales de torque durante las carreras de expansión divididas entre los cinco cilindros, aumentan las vibraciones de segundo orden. A velocidades más altas del motor, hay una vibración desigual de tercer orden en el cigüeñal que ocurre cada 144 grados. Debido a que las carreras de potencia tienen menos tiempo de inactividad, un motor de cinco cilindros puede funcionar con mayor suavidad que un motor de cuatro cilindros, pero solo a velocidades limitadas de rango medio donde las vibraciones de segundo y tercer orden son más bajas.
Cada cilindro agregado más allá de cinco aumenta la superposición de los golpes de disparo y reduce la vibración de orden primario. Un seis en línea obtiene un golpe de potencia cada 120 grados, por lo que generalmente no hay superposición de golpes de potencia. Sin embargo, este aumento en la suavidad de un motor de seis cilindros sobre un motor de cinco cilindros no es tan pronunciado como el de un motor de cinco cilindros sobre un motor de cuatro cilindros. El cinco en línea pierde menos potencia a la fricción en comparación con un seis en línea. También utiliza menos piezas y es físicamente más corto, por lo que requiere menos espacio en el compartimento del motor, lo que permite el montaje transversal .
Empaque y rendimiento
Un motor de cinco cilindros es más largo y más caro de fabricar que un motor de cuatro cilindros comparable, pero algunos fabricantes como Volvo sienten que estos costos se ven compensados por su mayor capacidad en un espacio más pequeño que un seis cilindros.
Los turbos de cinco cilindros se han utilizado en más de una ocasión en aplicaciones deportivas y de carreras por su equilibrio de cualidades de rendimiento. El Volvo S60 R tiene un motor turboalimentado de cinco cilindros en línea de 2.5 litros que es capaz de generar 300 bhp (224 kW ) y 295 lbf⋅ft (400 N⋅m) de torque en una gran cantidad de sus rangos de rpm. El automóvil de alto rendimiento Ford Focus RS Mk2 utiliza el mismo motor Volvo de 5 cilindros, desarrollado (por Ford) a niveles de potencia muy similares, y es uno de los automóviles de producción FWD más potentes jamás creados. Otro ejemplo de un automóvil de 5 cilindros de alta potencia es el Audi RS2 , con su motor 2.2 turboalimentado que genera 311 hp.
Equilibrio
Una desventaja de un motor de cinco en línea sobre un motor de seis en línea es que un motor de cinco en línea no está inherentemente equilibrado. Cualquier diseño de cinco en línea de disparo uniforme tiene momentos libres (vibraciones) de primer y segundo orden, mientras que un seis en línea no tiene ningún desequilibrio en el primer o segundo orden. Esto significa que no se necesitan ejes de equilibrio adicionales en un seis en línea. En comparación, un motor de cuatro en línea no tiene momentos libres de primer o segundo orden, pero tiene una gran fuerza libre de segundo orden que contribuye a la vibración que se encuentra en los diseños de cuatro en línea desequilibrados.
La motocicleta Honda RC149 GP de 1966 usaba un motor de 5 cilindros en línea de 125 cc que estaba configurado como un seis en línea con uno de los cilindros intermedios que faltaba; esto eliminó cualquier par oscilante (y redujo la torsión del cigüeñal debido a la inercia del pistón, ideal a las altas velocidades del motor a las que funcionaría) mientras dejaba fuerzas libres equivalentes a un solo cilindro de 25 cc de construcción similar.
Alimentando
El uso de motores de gasolina de cinco cilindros en línea en automóviles de producción en serie solo se volvió realmente viable con la llegada de la inyección de combustible confiable . Un motor de cinco cilindros que usa un sistema de combustible de carburador tiene un problema inevitable, ya que la longitud del colector de admisión entre el carburador varía demasiado entre los cilindros en los extremos del motor y los más cercanos al carburador para una entrega de combustible confiable y consistente. El uso de varios carburadores (dos o tres) siempre da como resultado que un carburador alimente más cilindros que el otro, lo que también produce problemas de funcionamiento y ajuste. En teoría, se podrían usar carburadores individuales para cada cilindro, pero este enfoque es costoso y aún trae consigo las dificultades concomitantes para equilibrar los múltiples carbohidratos. La inyección de combustible multipunto evita todos los problemas anteriores al alimentar cada cilindro individualmente. Este problema de abastecimiento de combustible nunca estuvo presente en los motores diésel (excepto el Volvo D5) que, como todos los motores diésel, usaban inyección de combustible desde el principio, razón por la cual los grandes motores diésel de cinco cilindros se veían comúnmente décadas antes de la adopción del tipo para uso automotriz.
Orden de abrir fuego
Las órdenes de disparo comunes para los cinco en línea son 1-2-4-5-3 (en la imagen) y 1-5-2-3-4, o sus reversos.
Teniendo en cuenta solo los motores de encendido uniforme , a diferencia de un motor de cuatro tiempos de cuatro, seis u ocho cilindros en línea, cada configuración de manivela de cinco cilindros admitirá un solo orden de encendido (más marcha atrás).
Por el contrario, el diseño estándar del cigüeñal de seis cilindros en línea, debido a que sus seis tiros se distribuyen en solo tres ángulos o fases únicos , se puede ejecutar en cualquiera de cuatro órdenes de encendido diferentes, asumiendo los cambios necesarios en la válvula, el encendido y el abastecimiento de combustible ( cuando proceda) se han realizado sistemas de cronometraje. Dicho esto, muy pocos se desvían de 1-5-3-6-2-4 debido al ordenado empaquetado de admisión y escape que ofrece (consulte la sección de repostaje más arriba).
Un cinco en línea de cuatro tiempos no puede tener fases de pistón compartidas entre sus cilindros sin que también sea un disparo desigual, porque 720 grados (4 carreras de pistón) divididos por 5 son 144, que no es un divisor de 360, por lo que siempre debe tener cinco fases de muñequilla. . De esta forma, el equilibrio de un motor de cinco cilindros en línea está especial e intrínsecamente ligado a su orden de encendido, y viceversa, en el sentido de que no pueden elegirse por separado.
En el caso de los motores de dos tiempos, todos los motores en línea están igualmente limitados en tener un solo orden de encendido para una configuración de manivela dada; Debido a que ocurre un ciclo completo cada 360 grados, no hay posibilidad de compartir fases de pistón sin tener encendidos simultáneos, por lo que el cinco en línea no tiene ninguna desventaja en este caso.
Calcular el número total de órdenes de encendido posibles requiere solo una combinatoria simple ; específicamente: permutaciones circulares . Las órdenes de encendido son cíclicas o circulares; entonces 1-2-3 es lo mismo que 2-3-1 y 3-1-2, etc. Esto significa que el número total de permutaciones se puede reducir en un factor del número de cilindros; cinco en este caso.
Por tanto, el número total de posibles órdenes de despido es:
Donde 5! significa el factorial de 5.
Esto también corresponde en cierto sentido a los 24 ordenamientos únicos de las fases del pasador del cigüeñal {0 °, 72 °, 144 °, 216 °, 288 °} a lo largo de la longitud del cigüeñal. Recordando que el cigüeñal puede girar libremente, estas cifras de fase son solo relativas; utilizando una como referencia , sólo hay otras cuatro fases posibles, dando el mismo resultado de 24 permutaciones.
Sin un sentido intuitivo sobre cuál de las 24 configuraciones posibles del cigüeñal producirá resultados óptimos en términos de equilibrio o torsión del cigüeñal, etc., se dejó a los ingenieros considerar cada uno por turno, al menos en el nivel teórico inicial. Sin embargo, el espacio de posibilidad de 24 órdenes de disparo se ha reducido efectivamente a solo dos en el uso práctico.
Para cuatro tiempos:
- 1-2-4-5-3 da como resultado el par oscilante primario mínimo (velocidad del cigüeñal), y también lo es el elegido para los cinco en línea destinados a automóviles de carretera como los fabricados por Volvo (también utilizados por Renault), VW / Audi , GM y Honda .
- 1-5-2-3-4 da como resultado el par de balanceo primario máximo, pero un desequilibrio secundario mínimo, y rara vez se usa en cinco en línea. Sin embargo, es el orden que se usa a veces para cada banco de algunos V10, por ejemplo, el Dodge Viper , el Audi R8 y el BMW E60 / 61 M5 y E63 / 64 M6 de disparo extraño .
El 1-5-2-3-4 también ha encontrado uso en motores fuera de borda de dos tiempos , por ejemplo , el Force 150 de Mercury .
Tenga en cuenta que una configuración de cigüeñal determinada genera un orden de encendido diferente para una aplicación de dos tiempos del que dicta en el caso de cuatro tiempos, y viceversa. El cigüeñal para un orden de encendido de 1-2-4-5-3 en un cuatro tiempos produciría un orden de encendido de 1-5-2-3-4 como un motor de dos tiempos. Entonces, el cigüeñal tendría fases de muñequilla de {0 °, 144 °, 216 °, 288 °, 72 °} en ambos casos. Las órdenes de encendido inverso requieren un cigüeñal diferente con imagen especular (a menos que se pueda permitir que el motor gire hacia atrás).
Consulte la sección de saldo para obtener más información.
Sonido
Los 5 pulsos de disparo del cinco en línea de cuatro tiempos por cada dos rotaciones de manivela generan un sonido distintivo, que puede ser representado por el intervalo musical 5: 2. Los sonidos de los motores (incluso los de un solo cilindro), al ser de naturaleza periódica, ocupan una gama de frecuencias que pueden representarse como múltiplos ascendentes, como en una serie de Fourier ; esto comienza con la frecuencia fundamental (la mitad de la velocidad de la manivela) y aumenta en múltiplos enteros , con cada múltiplo presente en diferentes cantidades en el sonido final. Tomar la octava de un tono en un intervalo da como resultado un intervalo relacionado (es decir, a través de la inversión ); esto es como seleccionar un múltiplo más alto en la serie de frecuencias descrita anteriormente. Tal intervalo invertido podría ser 5: 4, vía 5: 2; es decir, un tercio mayor del tipo justo . Esto es puramente armónico , pero no se aleja demasiado del tercio mayor de 12 tonos de temperamento igual que se encuentra en gran parte de la música occidental.
De manera similar, se pueden descubrir otros intervalos para otros motores de combustión uniforme con diferentes recuentos de cilindros. Por ejemplo, triples y derivados (6, 12 cilindros, etc.): 3: 2 ; cuatro en línea y derivados: 2: 1 ; siete en línea : 7: 4 ; etcétera.
Uso del automóvil
Diesel
El primer motor de cinco cilindros en línea de producción para un vehículo de pasajeros fue el Mercedes-Benz OM617 , un motor diesel de 3.0 L introducido en 1974 y utilizado en el Mercedes-Benz 300D , considerado uno de los motores más confiables jamás producidos, a menudo excediendo los 400,000 millas sin ser reconstruido. Fue turboalimentado por primera vez en 1978. Su sucesor, el OM602, utilizado en el Mercedes-Benz W124, G-Klasse y Sprinter también es conocido por superar las 500.000 millas en algunos casos. Al OM602 de 5 cilindros le sucedió el motor de cuatro válvulas OM605 (E250D 20V) y posteriormente el OM612 y OM647 con turbocompresor e inyección directa common rail (C / E / ML 270CDI). Mercedes-Benz continuó usando motores diesel de 5 cilindros hasta 2006, cuando los motores OM612 y OM647 terminaron la producción, sin embargo, SsangYong Motor Company continúa usándolos en sus SUV.
Audi produjo varios motores diesel de cinco cilindros para el Audi 100 y Audi A6 desde 1978 hasta 1997. Este motor se utiliza en varias furgonetas Volvos y Volkswagen.
Volvo diseñó su propio motor D5 que ha estado disponible en la mayor parte de su línea de vehículos desde 2001. Sin embargo, en 2015 se abandonó en favor de motores más pequeños de 4 cilindros , que reemplazaron a la mayoría de los motores D5. Actualmente, no se fabrican otros motores diesel Volvo de 5 cilindros.
El Jeep Grand Cherokee estaba disponible con cinco motores diésel en línea en Europa. Desde 1999 hasta 2001 con un motor VM Motori de 3,1 litros y desde 2002 hasta 2004 con un motor Mercedes-Benz de 2,7 litros .
A finales de la década de 1990, Rover Group desarrolló un motor diésel de cinco cilindros en línea interno, el Td5 , para Land Rover Discovery y Defender .
Desde 2006, Ford ha producido un motor turboalimentado de cinco cilindros y 3,2 L con el nombre Duratorq para Ford Transit , Ford Ranger y Mazda BT-50 . El mismo motor se venderá en el North American Transit con el nombre Power Stroke .
Fiat produjo un motor diesel turboalimentado de 2.4 L en línea y cinco en los años 90. Este motor se utilizó en Fiat Marea , Lancia Kappa , Lancia Lybra , Lancia Thesis , Alfa Romeo 156 , Alfa Romeo 166 y Alfa Romeo 159 .
Gasolina
Los primeros pasos hacia un motor de gasolina en línea 5 fueron realizados por Rover , que desarrolló un motor de cinco cilindros y 2.5 litros en 1966 como un medio para suministrar más potencia a la berlina Rover P6 . Sin embargo, el diseño, alimentado por tres carburadores (uno de un tamaño diferente al otro par), sufrió problemas de abastecimiento de combustible y no pasó de la etapa de prototipo.
Audi presentó la primera producción de gasolina de cinco cilindros en línea, un motor 2.1 L DOHC, en el Audi 100 de 1976. En 1981, el Audi 100 también estuvo disponible con el modelo más pequeño de producción de cinco cilindros en línea, una variante de 1.9 L. Audi usó motores 2.2L de cinco cilindros en línea en muchos de sus autos entre 1976 y principios de la década de 1990, incluido el Audi Sport Quattro de 305 hp y el Audi RS2 Avant con 315 hp. El motor Audi Inline 5 se utiliza ampliamente en los deportes de motor, particularmente en los rallyes del famoso Grupo B con 600 CV Audi S1 Sport Quattro E2 y en el IMSA GT Championship con 2.1 20V en línea 5 720 CV Audi 90 quattro IMSA GTO.
Para el equipo de la fábrica del año 1987 probado una versión de 1000 caballos de fuerza de la línea 5-alimentado Audi S1 Sport Quattro, pero ese prototipo nunca fue utilizado en las carreras seguido de abolición de Grupo B .
Un motor Audi de cinco cilindros como opción de potencia es muy popular en el Campeonato de Europa de Drag Racing, particularmente en los países escandinavos. Con una modificación extrema para Drag Racing, el Audi producido motores 2.2 20V Inline 5 (como 3B, AAN, ABY, ADU) ha demostrado ser capaz de generar más de 1 megavatio (1340 hp).
También se utilizó un motor Audi de cinco cilindros en el concept car Italdesign Aztec . En 2009, Audi comenzó a utilizar un nuevo motor turboalimentado de cinco cilindros en el Audi TT RS y más tarde en el Audi RS3 y el Audi quattro concept .
Desde que Volvo presentó su Volvo 850 en 1991, gran parte de su gama ha cambiado a su motor modular de cinco cilindros , y sus motores también se utilizan en los modelos Focus ST y RS de Ford . Todos los motores de gasolina de 5 cilindros en línea utilizados por Volvo y Ford se fabricaron en la planta de motores Volvo Skövde en Skövde , Suecia , hasta su descontinuación en 2016.
Honda produjo el motor de cinco cilindros de la serie G a partir de 1989 y lo usó en Vigor , Inspire , Ascot , Rafaga y Acura TL .
Volkswagen usó motores de cinco en línea en su Eurovan y desarrolló un motor de cinco en línea diferente que se usó en el Jetta , Passat , Golf , Rabbit y New Beetle en América del Norte hasta principios de la década de 2010. En Sudáfrica , el conocido VW Microbus / Caravelle (un vehículo de pasajeros) se equipó más tarde con un motor Audi de 5 cilindros 2.5 L (1991-1994) y aún más tarde con un motor refrigerado por agua de 2.6 L (1995-2002), reemplazando al viejo Plantas de energía Volkswagen de 1.800 y 2.100 cc refrigeradas por aire que dieron un rendimiento deficiente al gran autobús familiar. El alto motor Audi de cinco cilindros en línea tenía que estar inclinado para encajar debajo de la plataforma del motor trasero, empleando un ventilador de enfriamiento eléctrico adicional en el apagado, para evitar la deformación de la cabeza de aluminio caliente y el colector de admisión.
Fiat también hace uso de sus propios motores de gasolina de cinco cilindros en línea en el Fiat Marea europeo (2.0 L, 20v, 155 hp), Fiat Bravo , Fiat Coupé (2.0 L, 20v, turboalimentado, 220 hp) y Fiat Stilo (2.4 L, 20v). , 170 CV) y en el brasileño Fiat Marea con 3 variantes: 2.0L, 20v, N / A, 142 CV; 2.0L, 20v, turboalimentado, 182 hp y 2.4 L, 20v, N / A, 162 hp.
Lancia también utiliza los motores Fiat de cinco cilindros en línea en los últimos Lancia Kappa , Lancia Lybra y Lancia Thesis .
La familia Atlas de motores en línea de General Motors incluyó dos motores en línea de cinco cilindros en línea, uno de 3.5 y uno de 3.7 L, usados en su familia de camionetas de tamaño mediano GMT 355 (incluyendo la Chevrolet Colorado y la Hummer H3 ) de 2004 a 2012.
Uso de motocicleta
El motor de cinco cilindros en línea más pequeño se encontró en la motocicleta de carreras Honda, la RC148 de clase 125 cc de 1965 y la RC149 , compitida en 1966. La configuración de cinco cilindros se usó porque compartía componentes (y por lo tanto desarrollo simultáneo) con los dos. -Motor de cilindro, 50 cc, RC116 . Sin embargo, esto fue inusual en lo que respecta a los cinco en línea, en el sentido de que se configuró de manera bastante inteligente como un seis en línea con uno de los cilindros centrales quitado. Vale la pena señalar que Honda ya tenía experiencia con seis en línea ( RC165 , RC166 ), mientras que, por el contrario, un cinco en línea de alta velocidad y encendido uniforme (y su multiplicidad de configuraciones potenciales) habría sido todo un desafío de ingeniería debido a una vibración. Punto de vista.