Motor de cinco cilindros em linha - Straight-five engine
A e cinco linear motor ou motor em linha e cinco é um motor de combustão interna com cinco cilindros alinhados em uma linha ou plano, que partilham um único bloco do motor e do cárter . A justificativa para um motor de cinco cilindros é que ele é quase tão compacto quanto um quatro em linha e quase tão suave quanto um motor de seis cilindros em linha .
Uma variação do cinco em linha é o V5 de ângulo estreito (como o motor V5 da Volkswagen ), que tem uma única cabeça de cilindro e bloco de cilindros, mas usa o deslocamento do cilindro de ângulo estreito para reduzir o comprimento total em comparação com um cinco em linha convencional . Não estava disponível na América do Norte.
História
Henry Ford teve um motor de cinco em linha desenvolvido no final dos anos 1930 ao início dos anos 1940 para um design de carro econômico compacto, que nunca foi produzido devido à falta de demanda por carros pequenos nos Estados Unidos. A Lancia da Itália desenvolveu um motor diesel de 5 cilindros no final dos anos 1930 para uso em sua série de caminhões RO para substituir os motores a diesel de 2 cilindros e a gasolina de 3 cilindros usados anteriormente. O modelo subsequente ficou conhecido como 3RO e foi usado pelas forças armadas italianas e alemãs durante a 2ª Guerra Mundial. Este caminhão permaneceu em produção até 1950.
Um motor de cinco cilindros em linha não foi produzido para automóveis de passageiros até que a Mercedes-Benz introduziu o diesel OM617 em 1974. A primeira produção a gasolina de cinco cilindros em linha foi o 2.1 R5 introduzido pelo Grupo Volkswagen no Audi 100 no final da década de 1970, desenvolvimentos dos quais impulsionou o carro de rally Audi Quattro . Eles eram frequentemente usados por marcas do mercado intermediário que buscavam estender suas gamas de motores para capacidades mais altas, sem optar pela opção de seis cilindros. Nos últimos anos, o motor tem caído em desgraça, com a Volvo anunciando em 2014 que interromperia a fabricação deles, por exemplo.
Características
Suavidade
A vantagem do motor de cinco cilindros em relação a um motor de quatro cilindros comparável é melhor compreendida considerando os golpes de potência e sua frequência. Em um ciclo de quatro tempos, o motor dispara todos os cilindros uma vez a cada 720 graus - cada pistão dispara a cada duas rotações do virabrequim. Presumindo um motor de ignição uniforme , divida 720 graus pelo número de cilindros para determinar a frequência com que ocorre um golpe de potência. Para um motor de quatro cilindros , 720 ° ÷ 4 = 180 °, portanto, há um curso de força a cada 180 graus, que é dois tempos de força por rotação do virabrequim. Um motor V8 de plano cruzado obtém um curso de potência a cada 90 graus: 720 ° ÷ 8 = 90 °, que é quatro cursos de potência para cada rotação do virabrequim.
Um determinado curso de potência não pode durar mais do que 180 graus de rotação do virabrequim, portanto, os cursos de potência de um motor de quatro cilindros são sequenciais, sem sobreposição. No final do curso de força de um cilindro, outro cilindro dispara.
Em um motor de um, dois ou três cilindros, há momentos em que não ocorre curso de força. Em um motor de três cilindros, um curso de potência ocorre a cada 240 graus (720 ° ÷ 3 = 240 °). Como um curso de força não pode durar mais do que 180 graus, isso significa que um motor de três cilindros tem 60 graus de "silêncio" quando nenhum curso de força ocorre.
Os motores de cinco cilindros têm uma manivela com ângulos de 72 graus (exceto para o VW V5, que tem um deslocamento na manivela que corresponde ao ângulo entre os cilindros; apesar da configuração em V, o motor tem intervalos de ignição uniformes). A maioria dos motores de cinco cilindros (Audi 2.5, VW 2.5 R5) tem a ordem de ignição 1-2-4-5-3. O disparo de um cilindro após o outro (por exemplo, 1-2-3-4-5 no caso de um motor de cinco cilindros) nunca é usado, exceto em motores de 3 cilindros onde não há alternativa e em alguns motores V6. A razão para isso é que o motor resultante terá uma forte tendência a balançar de ponta a ponta e, geralmente, não terá equilíbrio.
Um motor de cinco cilindros obtém um curso de potência a cada 144 graus (720 ° ÷ 5 = 144 °). Como, devido ao sincronismo do eixo de comando, cada curso de potência dura aproximadamente 120 graus [terminando quando a válvula de escape se abre], isso significa que há um período muito curto de cerca de 24 graus quando o virabrequim não recebe torque. Por causa dos níveis desiguais de torque durante os cursos de expansão divididos entre os cinco cilindros, há vibrações de segunda ordem aumentadas. Em velocidades mais altas do motor, há uma vibração irregular de terceira ordem do virabrequim que ocorre a cada 144 graus. Como os cursos de força têm menos tempo de inatividade, um motor de cinco cilindros pode funcionar mais suavemente do que um motor de quatro cilindros, mas apenas em velocidades intermediárias limitadas onde as vibrações de segunda e terceira ordem são mais baixas.
Cada cilindro adicionado além de cinco aumenta a sobreposição de golpes de tiro e reduz a vibração de ordem primária. Um seis em linha obtém um curso de força a cada 120 graus, portanto, geralmente não há sobreposição de golpes de força. No entanto, esse aumento na suavidade de um motor de seis cilindros em relação a um motor de cinco cilindros não é tão pronunciado quanto o de um motor de cinco cilindros em relação a um motor de quatro cilindros. O cinco em linha perde menos potência com o atrito em comparação com um seis em linha. Também usa menos peças e é fisicamente mais curto, por isso requer menos espaço no compartimento do motor, permitindo a montagem transversal .
Embalagem e desempenho
Um motor de cinco cilindros é mais longo e mais caro de fabricar do que um motor de quatro cilindros comparável, mas alguns fabricantes como a Volvo acham que esses custos são superados por sua maior capacidade em um espaço menor do que um motor de seis cilindros.
Turbos de cinco cilindros foram usados em mais de uma ocasião em aplicações de esporte e corrida por seu equilíbrio de qualidades de desempenho. O Volvo S60 R tem um motor de cinco cilindros em linha turboalimentado de 2,5 litros que é capaz de gerar 300 bhp (224 kW ) e 295 lbf⋅ft (400 N⋅m) de torque em grande parte de suas faixas de rpm. O carro de desempenho Ford Focus RS Mk2 usa o mesmo motor Volvo de 5 cilindros, desenvolvido (pela Ford) para níveis de potência muito semelhantes, e é um dos carros de produção FWD mais potentes já criados. Outro exemplo de carro de 5 cilindros de alta potência é o Audi RS2 , com seu motor 2.2 turboalimentado produzindo 311 cv.
Equilíbrio
Uma desvantagem de um motor de cinco direto em relação a um motor de seis direto é que um motor de cinco direto não é inerentemente balanceado. Qualquer projeto de cinco direto de disparo uniforme tem momentos livres (vibrações) de primeira e segunda ordem, enquanto um seis direto não tem desequilíbrio na primeira ou segunda ordem. Isso significa que nenhum eixo de equilíbrio adicional é necessário em um seis em linha. Em comparação, um motor de quatro em linha não tem momentos livres de primeira ou segunda ordem, mas tem uma grande força livre de segunda ordem que contribui para a vibração encontrada em designs de quatro cilindros desequilibrados.
A motocicleta RC149 GP da Honda de 1966 usava um motor de 5 cilindros em linha de 125 cc que foi configurado como um seis cilindros em linha com um dos cilindros do meio faltando; isso eliminou qualquer par de oscilação (e reduziu a torção da manivela devido à inércia do pistão, ideal nas altas rotações do motor em que funcionaria), enquanto deixava forças livres equivalentes a um único cilindro de 25 cc de construção semelhante.
Abastecimento
O uso de cinco motores a gasolina em carros de produção em massa só se tornou verdadeiramente viável com o advento da injeção de combustível confiável . Um motor de cinco cilindros usando um sistema de combustível de carburador tem um problema inevitável em que o comprimento do coletor de admissão entre o carburador varia muito entre os cilindros nas extremidades do motor e aqueles mais próximos do carburador para entrega de combustível confiável e consistente. Usar vários carburadores (dois ou três) sempre resulta em um carburador alimentando mais cilindros do que o outro, o que também produz problemas de funcionamento e afinação. Em teoria, carburadores individuais poderiam ser usados para cada cilindro, mas essa abordagem é cara e ainda traz consigo as dificuldades inerentes em equilibrar os vários carboidratos. A injeção de combustível multiponto contorna todos os problemas acima, abastecendo cada cilindro individualmente. Esse problema de abastecimento nunca esteve presente em motores a diesel (exceto o Volvo D5) que, como todos os motores a diesel, usaram injeção de combustível desde o início, razão pela qual grandes motores a diesel de cinco cilindros eram comumente vistos décadas antes da adoção do tipo para uso automotivo.
Ordem de despedida
Ordens de disparo comuns para cincos em linha são 1-2-4-5-3 (foto) e 1-5-2-3-4, ou seus reversos.
Considerando apenas motores de acionamento uniforme , ao contrário de um motor de quatro tempos em linha, seis ou oito cilindros, cada configuração de manivela de cinco cilindros suportará apenas uma única ordem de disparo (mais reverso).
Em contraste, o projeto padrão do virabrequim de seis cilindros em linha, por conta de seus seis lançamentos serem distribuídos em apenas três ângulos ou fases exclusivos , pode ser executado em qualquer uma das quatro ordens de disparo diferentes, assumindo as alterações necessárias na válvula, ignição e abastecimento ( quando apropriado) sistemas de cronometragem foram feitos. Dito isso, muito poucos se desviam de 1-5-3-6-2-4 por causa da entrada organizada e embalagem de escape que oferece (consulte a seção de abastecimento acima).
Um cinco tempos em linha de quatro tempos não pode ter fases de pistão compartilhadas entre seus cilindros sem também disparar irregularmente, porque 720 graus (4 tempos de pistão) dividido por 5 é 144, que não é um divisor de 360, então deve sempre ter cinco fases de pino de manivela . Desta forma, o equilíbrio de um motor de cinco em linha está especial e intrinsecamente ligado à sua ordem de ignição, e vice-versa, na medida em que não podem ser escolhidos separadamente.
No caso de motores de dois tempos, todos os motores em linha são igualmente limitados por terem uma única ordem de disparo para uma determinada configuração de manivela; como um ciclo completo ocorre a cada 360 graus, não há chance de compartilhar as fases do pistão sem ter ignições simultâneas, portanto, o cinco em linha não está em desvantagem neste caso.
Para calcular o número total de ordens de tiro possíveis requer apenas uma combinação simples ; especificamente: permutações circulares . As ordens de disparo são cíclicas ou circulares; então 1-2-3 é igual a 2-3-1 e 3-1-2 etc. Isso significa que o número total de permutações pode ser reduzido por um fator do número de cilindros; cinco neste caso.
O número total de ordens de demissão em potencial é, portanto:
Onde 5! significa o fatorial de 5.
Isso também corresponde, em certo sentido, às 24 ordens exclusivas de fases do pino de manivela {0 °, 72 °, 144 °, 216 °, 288 °} ao longo do comprimento do virabrequim. Lembrando que o virabrequim é livre para girar, essas figuras de fase são apenas relativas; usando um como dado , existem apenas quatro outras fases possíveis, produzindo o mesmo resultado de 24 permutações.
Sem nenhum senso intuitivo de qual das 24 configurações de virabrequim possíveis produzirá resultados ótimos em termos de equilíbrio ou torção do virabrequim, etc., foi deixado para os engenheiros considerar cada uma delas, pelo menos no nível teórico inicial. No entanto, o espaço de possibilidade de 24 ordens de tiro foi efetivamente reduzido para apenas dois no uso prático.
Para quatro tacadas:
- 1-2-4-5-3 resulta no par de balanço primário mínimo (velocidade da manivela) e, portanto, é aquele escolhido para os cincos em linha destinados a carros de estrada como os fabricados pela Volvo (também usados pela Renault), VW / Audi , GM e Honda .
- 1-5-2-3-4 resulta no par de balanço primário máximo, mas desequilíbrio secundário mínimo e raramente encontra uso em cincos em linha. No entanto, é a ordem às vezes usada para cada banco de alguns V10s, por exemplo, o Dodge Viper , Audi R8 e BMW E60 / 61 M5 e E63 / 64 M6 .
O 1-5-2-3-4 também encontrou uso em motores de popa de dois tempos , por exemplo, Mercury 's Force 150.
Observe que uma determinada configuração de virabrequim gera uma ordem de disparo diferente para uma aplicação de dois tempos daquela que ela dita no caso de quatro tempos e vice-versa. O virabrequim para uma ordem de disparo de 1-2-4-5-3 em quatro tempos produziria uma ordem de disparo de 1-5-2-3-4 em dois tempos. Portanto, o virabrequim teria fases de eixo de manivela de {0 °, 144 °, 216 °, 288 °, 72 °} em ambos os casos. As ordens de disparo reverso requerem um virabrequim diferente, com imagem espelhada (a menos que o motor possa girar para trás).
Veja a seção de saldo para mais.
Som
Os 5 pulsos de disparo do cinco tempos em linha de quatro tempos para cada duas rotações da manivela geram um som distinto, que pode ser representado pelo intervalo musical 5: 2. Os sons do motor (mesmo os de um único cilindro), sendo de natureza periódica, ocupam uma variedade de frequências que podem ser representadas como múltiplos ascendentes, como em uma série de Fourier ; isso começa com a frequência fundamental (meia velocidade de manivela) e aumenta em múltiplos inteiros , com cada múltiplo presente em quantidades diferentes no som final. Tomar a oitava de uma altura em um intervalo resulta em um intervalo relacionado (isto é, por meio de inversão ); é como selecionar um múltiplo mais alto na série de frequências descrita anteriormente. Esse intervalo invertido pode ser 5: 4, via 5: 2; ou seja, um terço maior do tipo justo . Isso é puramente harmônico , mas não está muito longe da terça maior de 12 tons de temperamento igual, encontrada em grande parte da música ocidental.
Outros intervalos para outros motores de disparo uniforme de diferentes contagens de cilindros podem ser descobertos de forma semelhante. Por exemplo, triplos e derivados (6, 12 cilindros, etc.): 3: 2 ; quatro em linha e derivados: 2: 1 ; em linha sete : 7: 4 ; e assim por diante.
Uso de automóvel
Diesel
O primeiro motor de produção em linha de cinco para um veículo de passageiros foi o Mercedes-Benz OM617 , um motor a diesel de 3,0 L introduzido em 1974 e usado no Mercedes-Benz 300D , considerado um dos motores mais confiáveis já produzidos, muitas vezes excedendo 400.000 milhas sem ser reconstruído. Foi turboalimentado pela primeira vez em 1978. Seu sucessor, o OM602, usado no Mercedes-Benz W124, G-Klasse e Sprinter também é conhecido por exceder 500.000 milhas em alguns casos. O OM602 de 5 cilindros foi sucedido pelo motor de quatro válvulas OM605 (E250D 20V) e posteriormente pelo OM612 e OM647 com turbocompressor e injeção direta common rail (C / E / ML 270CDI). Mercedes-Benz continua a utilizar motores a diesel de 5 cilindros até 2006, quando o OM612 e OM647 motores terminou a produção, no entanto SsangYong Motor Company continua a usá-los em seus SUVs.
Audi produziu uma série de motores diesel de cinco cilindros para o Audi 100 e Audi A6 de 1978 a 1997. Este motor é usado em várias vans Volvos e Volkswagen.
A Volvo projetou seu próprio motor D5, que está disponível na maioria de sua linha de veículos desde 2001. Em 2015, no entanto, ele foi abandonado em favor de motores menores de 4 cilindros , que substituíram a maioria dos motores D5. Atualmente, não há nenhum outro motor a diesel Volvo de 5 cilindros sendo fabricado.
O Jeep Grand Cherokee estava disponível com cinco motores diesel em linha na Europa. De 1999 a 2001 com um motor VM Motori de 3.1l e de 2002 a 2004 com um motor Mercedes-Benz de 2,7 litros .
No final da década de 1990, o Rover Group desenvolveu um motor diesel interno de cinco unidades, o Td5 , para o Land Rover Discovery and Defender .
Desde 2006, a Ford produziu um motor de cinco cilindros de 3.2 L com turboalimentação sob o nome Duratorq para a Ford Transit , Ford Ranger e Mazda BT-50 . O mesmo motor será vendido na North American Transit com o nome Power Stroke .
A Fiat produziu um motor diesel de cinco cilindros em linha de 2.4 L turboalimentado nos anos 90. Este motor foi usado no Fiat Marea , Lancia Kappa , Lancia Lybra , Tese Lancia , Alfa Romeo 156 , Alfa Romeo 166 e Alfa Romeo 159 .
Gasolina
Os primeiros movimentos em direção a um motor inline 5 a gasolina foram feitos pela Rover , que desenvolveu um motor de cinco cilindros de 2,5 litros em 1966 como um meio de fornecer mais potência para o sedã Rover P6 . No entanto, o projeto, alimentado por três carburadores (um de tamanho diferente do outro par), sofreu problemas de abastecimento e não passou do estágio de protótipo.
A Audi revelou a primeira produção em linha de cinco a gasolina, um motor DOHC 2.1 L, no Audi 100 de 1976. Em 1981, o Audi 100 também se tornou disponível com a menor produção em linha de cinco, uma variante de 1.9 L. A Audi usou motores 2.2L de cinco cilindros em linha em muitos de seus carros entre 1976 e o início dos anos 1990, incluindo o Audi Sport Quattro de 305 cv e o Audi RS2 Avant com 315 cv. O motor Audi Inline 5 é amplamente utilizado no automobilismo, especialmente em rally no famoso Grupo B com 600 hp Audi S1 Sport Quattro E2 e no IMSA GT Championship com 2.1 20V inline 5 720 cv Audi 90 quattro IMSA GTO.
Para a equipa de fábrica 1987 testou uma versão 1.000 hp do inline-5 alimentado Audi S1 Esporte Quattro, mas isso protótipo nunca foi usado em corridas seguido de abolição do Grupo B .
Um motor Audi de cinco cilindros como opção de potência é muito popular no Campeonato Europeu de Drag Racing, especialmente nos países escandinavos. Com modificações extremas para Drag Racing, o Audi produziu motores 2.2 20V Inline 5 (como 3B, AAN, ABY, ADU) e demonstrou ser capaz de uma potência superior a 1 megawatt (1.340 hp).
Um motor Audi de cinco cilindros também foi usado no carro-conceito da Italdesign Aztec . Em 2009, a Audi começou a usar um novo motor turbo de cinco cilindros no Audi TT RS e mais tarde no Audi RS3 e no conceito Audi quattro .
Desde que a Volvo lançou seu Volvo 850 em 1991, grande parte de sua linha mudou para o motor modular de cinco cilindros , com seus motores também sendo usados nos modelos Ford Focus ST e RS. Todos os motores a gasolina em linha 5 usados pela Volvo e pela Ford foram construídos na fábrica de motores da Volvo Skövde em Skövde , Suécia , até sua descontinuação em 2016.
A Honda produziu o motor de cinco cilindros da série G no início de 1989 e o usou no Vigor , Inspire , Ascot , Rafaga e Acura TL .
A Volkswagen usou motores de cinco em linha em seu Eurovan e desenvolveu um motor de cinco em linha diferente que foi usado no Jetta , Passat , Golf , Rabbit e New Beetle na América do Norte até o início de 2010. Na África do Sul , o conhecido VW Microbus / Caravelle (um transportador de passageiros) foi mais tarde equipado com um Audi 5 cilindros 2,5 L (1991-1994) e ainda mais tarde um motor 2.6 L (1995-2002) refrigerado a água, substituindo o antigo Usinas de energia Volkswagen 1.800 e 2.100 cc refrigeradas a ar que deram um desempenho abaixo do padrão ao grande ônibus familiar. O alto motor Audi de cinco cilindros em linha teve que ser inclinado para caber abaixo do deck do motor traseiro, empregando um soprador de resfriamento elétrico extra no desligamento, para evitar empenamento da cabeça de alumínio quente e do coletor de admissão.
A Fiat também faz uso de seus próprios motores de cinco em linha a gasolina no Fiat Marea europeu (2.0 L, 20v, 155 cv), Fiat Bravo , Fiat Coupé (2.0 L, 20v, turboalimentado, 220 cv) e Fiat Stilo (2.4 L, 20v , 170 cv) e no Fiat Marea brasileiro com 3 variantes: 2.0L, 20v, N / A, 142 cv; 2.0L, 20v, turboalimentado, 182 cv e 2,4 L, 20v, N / A, 162 cv.
Lancia também usa os cinco motores Fiat no final do Lancia Kappa , Lancia Lybra e Lancia Thesis .
General Motors 's Atlas família de motores em linha incluiu dois inline-fives, um 3.5 e um 3.7 L, utilizadas na sua GMT 355 família caminhão de tamanho médio (incluindo o Chevrolet Colorado e do Hummer H3 ) 2004-2012.
Uso de motocicleta
O menor cinco cilindros em linha foi encontrado na motocicleta de corrida Honda, a 125 cc-class RC148 de 1965 e a RC149 , corrida em 1966. A configuração de cinco cilindros foi usada porque compartilhava componentes (e, portanto, desenvolvimento simultâneo) com os dois -motor de cilindro, 50 cc, RC116 . No entanto, isso era incomum no que diz respeito aos cinco em linha, no sentido de que foi habilmente configurado como um seis em linha com um dos cilindros do meio removido. É importante notar que a Honda já tinha experiência com seis em linha ( RC165 , RC166 ), ao passo que, em contraste, um cinco em linha de disparo uniforme em alta rotação (e sua multiplicidade de configurações potenciais) teria sido um grande desafio de engenharia de uma vibração ponto de vista.