Přímý motor pět - Straight-five engine
Motor s přímým pětiválcem nebo řadový pětiválec je spalovací motor s pěti válci uspořádanými v jedné řadě nebo rovině, sdílející jeden blok motoru a klikovou skříň . Odůvodnění pro pětiválcový motor je, že je téměř stejně kompaktní jako řadový čtyřválec a téměř tak hladký jako u řadového šestiválce .
Variací řadové pětky je V5 s úzkým úhlem (jako je například motor Volkswagen V5 ), který má jedinou hlavu válců a blok válců, ale využívá úzký úhel válce ke snížení celkové délky ve srovnání s konvenční řadovou pětkou . V Severní Americe nebyl k dispozici.
Dějiny
Henry Ford nechal na konci třicátých a na začátku čtyřicátých let vyvinout řadový pětiválec pro kompaktní ekonomický design vozu, který nikdy neviděl výrobu kvůli nedostatku poptávky po malých automobilech ve Spojených státech. Italská Lancia vyvinula na konci třicátých let 5válcový vznětový motor, který byl použit v řadě nákladních vozidel RO a nahradil tak dříve používané dvouválcové vznětové a tříválcové zážehové motory. Následující model se stal známým jako 3RO a během 2. světové války jej používaly italské i německé ozbrojené síly. Tento nákladní vůz zůstal ve výrobě až do roku 1950.
Motor s přímým pětiválcem neviděl výrobu pro osobní automobily, dokud Mercedes-Benz v roce 1974 neuvedl vznětový motor OM617 . První sériově vyráběnou benzínovou přímočarou motorkou byl 2.1 R5 představený koncernem Volkswagen v Audi 100 na konci 70. let 20. století. z toho pohánělo soutěžní auto Audi Quattro . Často je používaly značky na středním trhu, které se snažily rozšířit rozsah svých motorů na vyšší kapacity, aniž by se rozhodly pro šestiválcovou variantu. V posledních letech motor upadá v nemilost, například společnost Volvo oznámila v roce 2014, že by je například přestala stavět.
Charakteristika
Hladkost
Výhodu pětiválcového motoru oproti srovnatelnému čtyřválcovému motoru nejlépe pochopíme s ohledem na silové zdvihy a jejich frekvenci. Ve čtyřtaktním cyklu motor vypálí každý válec jednou za 720 stupňů-každý píst vystřelí každé dvě otáčky klikového hřídele. Za předpokladu rovnoměrného spalování motoru vydělte 720 stupňů počtem válců, abyste určili, jak často dochází k zdvihu. U čtyřválcového motoru je 720 ° ÷ 4 = 180 °, takže každých 180 stupňů je silový zdvih, což jsou dva silové zdvihy na otáčku klikového hřídele. Crossplane V8 motor dostane elektrickou mrtvici každých 90 stupňů: 720 ° ÷ 8 = 90 °, což je čtyři výkonové trestné rány za každou otáčku klikového hřídele.
Daný silový zdvih může trvat maximálně 180 stupňů otáčení klikového hřídele, takže silové zdvihy čtyřválcového motoru jsou sekvenční, bez překrývání. Na konci silového zdvihu jednoho válce vystřelí další válec.
V jedno-, dvou- nebo tříválcovém motoru jsou chvíle, kdy nedochází k žádnému zdvihu. V tříválcovém motoru dochází k silovému zdvihu každých 240 stupňů (720 ° ÷ 3 = 240 °). Jelikož silový zdvih nemůže trvat déle než 180 stupňů, znamená to, že tříválcový motor má 60 stupňů „ticha“, když neprobíhá žádný silový zdvih.
Pětiválcové motory mají kliku s úhly 72 stupňů (kromě VW V5, který má v klice offset, který odpovídá úhlu mezi válci; navzdory konfiguraci V má motor dokonce intervaly střelby). Většina (Audi 2.5, VW 2.5 R5) pětiválcových motorů má pořadí vypalování 1-2-4-5-3. Spalování jednoho válce za druhým (např. 1-2-3-4-5 v případě pětiválcového motoru) se nikdy nepoužívá s výjimkou tříválcových motorů, kde není alternativa, a u některých motorů V6. Důvodem je to, že výsledný motor bude mít silnou tendenci houpat se od konce do konce a bude mít obecně špatnou rovnováhu.
Pětiválcový motor dostává výkonový zdvih každých 144 stupňů (720 ° ÷ 5 = 144 °). Protože díky časování vačkového hřídele trvá každý zdvih přibližně 120 stupňů [končí, když se otevře výfukový ventil], znamená to, že tam je velmi krátká doba asi 24 stupňů, kdy klikový hřídel nedostává žádný točivý moment. Kvůli nerovnoměrným úrovním točivého momentu během expanzních zdvihů rozdělených mezi pět válců dochází ke zvýšeným vibracím druhého řádu. Při vyšších otáčkách motoru dochází k nerovnoměrným vibracím klikového hřídele třetího řádu, ke kterým dochází každých 144 stupňů. Protože mají zdvihy menší prostoje, může pětiválcový motor běžet plynuleji než čtyřválcový motor, ale pouze při omezených rychlostech středního rozsahu, kde jsou vibrace druhého a třetího řádu nižší.
Každý válec přidaný za pět zvyšuje překrývání palebných zdvihů a snižuje vibrace primárního řádu. Řadová šestka dostává výkonový zdvih každých 120 stupňů, takže obvykle nedochází k překrývání silových tahů. Toto zvýšení plynulosti šestiválcového motoru oproti pětiválcovému motoru však není tak výrazné jako u pětiválcového motoru u čtyřválcového motoru. Řadová pětka ztrácí méně síly na tření ve srovnání s řadovou šestkou. Využívá také méně dílů a je fyzicky kratší, takže vyžaduje méně místa v motorovém prostoru, což umožňuje příčnou montáž.
Balení a výkon
Pětiválcový motor je delší a nákladnější na výrobu než srovnatelný čtyřválcový motor, ale někteří výrobci, jako je Volvo, mají pocit, že tyto náklady jsou převáženy jeho větší kapacitou na menším prostoru než šestiválec.
Pětiválcová turba byla použita pro více než jednu příležitost ve sportovních a závodních aplikacích kvůli vyváženosti výkonnostních kvalit. Volvo S60 R má 2,5 litr přeplňovaný řadový pěti-válec motor, který je schopen generovat 300 koní (224 kW ) a 295 (400 lbf⋅ft N⋅m) točivého momentu přes velké množství jeho rozsahu otáček. Výkonný vůz Ford Focus RS Mk2 používá stejný 5válcový motor Volvo, vyvinutý (společností Ford) na velmi podobné úrovně výkonu, a je jedním z nejsilnějších sériových vozů s pohonem všech kol, jaké kdy byly vytvořeny. Dalším příkladem vysoce výkonného pětiválce je Audi RS2 s přeplňovaným motorem 2,2 a výkonem 311 koní.
Zůstatek
Nevýhodou motoru s přímou pětkou oproti šestiválci je, že motor s řadovou pětkou není ze své podstaty vyvážený. Jakákoli rovnoměrně pálící konstrukce s přímou pětkou má volné momenty (vibrace) prvního a druhého řádu, zatímco přímá šestka ve skutečnosti nemá žádnou nerovnováhu v prvním nebo druhém řádu. To znamená, že v šestkové řadě nejsou potřeba žádné další vyvažovací hřídele. Pro srovnání, řadový čtyřválec nemá žádné volné momenty prvního nebo druhého řádu, ale má velkou volnou sílu druhého řádu, což přispívá k vibracím vyskytujícím se u nevyvážených řadových čtyřválců.
Motocykl Honda RC149 GP z roku 1966 používal motor o objemu 125 ccm s přímým řazením 5, který byl konfigurován jako přímý šestiválec s chybějícím jedním ze středních válců; to eliminovalo jakýkoli houpací pár (a snížilo točení kliky v důsledku setrvačnosti pístu, ideální při vysokých otáčkách motoru, na které by se točilo), přičemž zůstaly volné síly ekvivalentní 25 ccm jednoválci podobné konstrukce.
Tankování
Použití zážehových motorů s přímým pohonem v sériových automobilech se stalo skutečně životaschopným až s příchodem spolehlivého vstřikování paliva . Pětiválcový motor využívající palivový systém karburátoru má nevyhnutelný problém v tom, že délka sacího potrubí mezi karburátorem se příliš liší mezi válci na koncích motoru a těmi, které jsou blíže karburátoru, kvůli spolehlivému a konzistentnímu přívodu paliva. Použití více karburátorů (dva nebo tři) vždy vede k tomu, že jeden karburátor napájí více válců než druhý, což také způsobuje problémy s chodem a laděním. Pro každý válec by teoreticky mohly být použity jednotlivé karburátory, ale tento přístup je drahý a stále s sebou přináší doprovodné potíže při vyvažování více sacharidů. Vícebodové vstřikování paliva obchází všechny výše uvedené problémy tím, že tankuje každý válec samostatně. Tento problém s tankováním nikdy nebyl u vznětových motorů (kromě Volva D5), které jako všechny vznětové motory používaly od samého začátku vstřikování paliva , a proto byly velké pětiválcové diesely běžně k vidění desítky let před přijetím typu pro automobilové použití.
Pořadí střelby
Běžné palebné příkazy pro inline pětky jsou 1-2-4-5-3 (na obrázku) a 1-5-2-3-4, nebo jejich obrácení.
Pokud vezmeme v úvahu pouze motory s rovnoměrným spalováním , na rozdíl od čtyřtaktního řadového čtyřválcového, šestiválcového nebo šestiválcového motoru bude každá konfigurace pětiválcové kliky podporovat pouze jedno pořadí střelby (plus zpětný chod).
Naproti tomu standardní konstrukci klikové hřídele s přímým šestým motorem, vzhledem k tomu, že je šest házení rozloženo pouze ve třech jedinečných úhlech nebo fázích , lze provozovat na kterémkoli ze čtyř různých příkazů střelby za předpokladu nezbytných změn ventilu, zapalování a tankování ( případně) byly vytvořeny systémy časování. To znamená, že jen velmi málo se odchyluje od 1-5-3-6-2-4 kvůli uklizenému sání a výfuku, které nabízí (viz část o tankování výše).
Čtyřtaktní řadová pětka nemůže mít mezi válci sdílené fáze pístu, aniž by docházelo také k nerovnoměrnému odpalování, protože 720 stupňů (4 zdvihy pístu) děleno 5 je 144, což není dělitel 360, takže musí mít vždy pět fází klikového hřídele . Tímto způsobem je rovnováha řadového motoru zvlášť a bytostně spojena s jeho pořadí spalování a naopak v tom, že nemohou být vybrány samostatně.
V případě dvoudobých motorů jsou všechny řadové motory podobně omezeny v tom, že mají pro danou konfiguraci kliky jediné pořadí vypalování; protože k úplnému cyklu dochází každých 360 stupňů, není šance sdílet fáze pístu bez současného zapalování, takže řadový pět není v tomto případě nijak nevýhodný.
Vypočítat celkový počet možných příkazů ke střelbě vyžaduje pouze jednoduchou kombinatoriku ; konkrétně: kruhové permutace . Vypalovací příkazy jsou cyklické nebo kruhové; 1-2-3 je tedy stejné jako 2-3-1 a 3-1-2 atd. To znamená, že celkový počet permutací lze snížit faktorem počtu válců; v tomto případě pět.
Celkový počet potenciálních příkazů ke střelbě je tedy:
Kde 5! znamená faktoriál 5.
To také v jistém smyslu odpovídá 24 unikátním uspořádáním fází klikového čepu {0 °, 72 °, 144 °, 216 °, 288 °} podél délky klikového hřídele. Tyto fázové údaje jsou relativní; při použití jednoho jako počátečního bodu existují pouze čtyři další možné fáze, čímž se získá stejný výsledek 24 permutací.
Bez intuitivního chápání, která z možných 24 konfigurací klikového hřídele přinese optimální výsledky, pokud jde o vyvážení nebo torze klikového hřídele atd., Bylo ponecháno na inženýrech, aby zvážili každou z nich postupně, alespoň na počáteční teoretické úrovni. V praxi se však možnost prostoru 24 palebných příkazů ve skutečnosti zmenšila na pouhé dva.
Pro čtyřtakty:
- Výsledkem 1-2-4-5-3 je houpací dvojice s minimální primární (rychlostí kliky), stejně jako ta, která byla vybrána pro řadové pětky určené pro silniční vozy, jako jsou například vozy Volvo (používá také Renault), VW / Audi , GM a Honda .
- Výsledkem 1-5-2-3-4 je maximální primární houpací pár, ale minimální sekundární nerovnováha, a jen zřídka najde využití v inline-pěti. Je to však pořadí, které se někdy používá pro každou banku některých V10, např. Liché palby Dodge Viper , Audi R8 a BMW E60/61 M5 a E63/64 M6 .
Motor 1-5-2-3-4 našel uplatnění také u dvoudobých závěsných motorů , např. Mercury Force 150.
Všimněte si toho, že daná konfigurace klikového hřídele vyvolává pro dvojtaktní aplikaci jiné pořadí střelby, než jaké určuje ve čtyřtaktním případě, a naopak. Klikový hřídel pro pořadí střelby 1-2-4-5-3 ve čtyřtaktu by poskytl pořadí střelby 1-5-2-3-4 jako dvoutakt. Klikový hřídel by tedy měl v obou případech fáze klikového čepu {0 °, 144 °, 216 °, 288 °, 72 °}. Obrácené pořadí střelby vyžaduje jiný klikový hřídel se zrcadlovým obrazem (pokud není povoleno otáčení motoru dozadu).
Více najdete v sekci vyvážení .
Zvuk
Čtyřtaktní inline-Five 5 pálení impulsy na každých dvou klikových rotací vytváří charakteristický zvuk, který může být reprezentována hudební interval 5: 2. Zvuky motoru (dokonce i jednotlivé válce), které jsou periodické povahy, zaujímají řadu frekvencí, které mohou být reprezentovány jako vzestupné násobky, jako v Fourierově řadě ; to začíná základní frekvencí (poloviční rychlost kliky) a stoupá v celočíselných násobcích, přičemž každý násobek je v konečném zvuku přítomen v různých množstvích. Vezmutí oktávy jedné výšky v intervalu má za následek související interval (tj. Prostřednictvím inverze ); je to jako výběr vyššího násobku v dříve popsané sérii frekvencí. Takový převrácený interval může být 5: 4, přes 5: 2; tedy hlavní třetinu z právě druhu. To je čistě harmonické , ale není to příliš daleko od 12tónové, stejně temperované hlavní třetiny, kterou najdete ve velké části západní hudby.
Podobně lze zjistit i další intervaly pro jiné sudé motory s různým počtem válců. Například trojky a deriváty (6, 12 válců atd.): 3: 2 ; řadová čtyřka a deriváty: 2: 1 ; inline-sedm : 7: 4 ; a tak dále.
Automobilové použití
Diesel
Prvním sériově vyráběným řadovým motorem pro osobní vozidla byl Mercedes-Benz OM617 , 3,0 l vznětový motor představený v roce 1974 a používaný v modelu Mercedes-Benz 300D , považovaný za jeden z nejspolehlivějších motorů, jaký kdy byl vyroben, často přesahující 400 000 kilometry, aniž by byl přestavěn. Poprvé bylo přeplňováno turbodmychadlem v roce 1978. Jeho nástupce OM602, používaný v modelech Mercedes-Benz W124, G-Klasse a Sprinter, je v některých případech také známý tím, že přesáhl 500 000 mil. Po 5válci OM602 následoval čtyřventilový motor OM605 (E250D 20V) a později OM612 a OM647 s turbodmychadlem a přímým vstřikováním common rail (C/E/ML 270CDI). Mercedes-Benz pokračoval v používání 5válcových vznětových motorů až do roku 2006, kdy motory OM612 a OM647 ukončily výrobu, nicméně SsangYong Motor Company je nadále používá ve svých SUV.
V letech 1978 až 1997 vyrobila společnost Audi pro Audi 100 a Audi A6 řadu pětiválcových vznětových motorů . Tento motor se používá v několika dodávkách Volv a Volkswagen.
Volvo navrhlo svůj vlastní motor D5, který byl k dispozici ve většině jejich modelových řad od roku 2001. V roce 2015 však byl upuštěn ve prospěch menších čtyřválcových motorů , které nahradily většinu motorů D5. V současné době se nevyrábějí žádné další 5válcové vznětové motory Volvo.
Jeep Grand Cherokee byl dostupný s inline pět vznětových motorů v Evropě. Od roku 1999 do roku 2001 s 3,1l motorem VM Motori a od roku 2002 do roku 2004 s 2,7litrovým motorem Mercedes-Benz .
Na konci devadesátých let vyvinula společnost Rover Group vlastní řadový vznětový motor Td5 pro Land Rover Discovery a Defender .
Od roku 2006, Ford produkoval přeplňovaný 3,2 L pětiválcový motor pod Duratorq název pro Ford Transit , Ford Ranger a Mazda BT-50 . Stejný motor se bude v severoamerickém Transitu prodávat pod názvem Power Stroke .
V 90. letech vyráběl Fiat přeplňovaný řadový vznětový motor o objemu 2,4 l. Tento motor byl použit v modelech Fiat Marea , Lancia Kappa , Lancia Lybra , Lancia Thesis , Alfa Romeo 156 , Alfa Romeo 166 a Alfa Romeo 159 .
Benzín
První kroky směrem k benzínové řadě 5 provedl Rover , který v roce 1966 vyvinul 2,5litrový pětiválcový motor jako prostředek pro dodávku většího výkonu pro sedan Rover P6 . Nicméně konstrukce poháněná třemi karburátory (jeden jiné velikosti než druhý pár) trpěl problémy s tankováním a nepokračoval za fází prototypu.
Audi představilo první sériově vyráběný benzínový řadový pětiválec, motor 2,1 L DOHC, v Audi 100 z roku 1976. V roce 1981 bylo Audi 100 k dispozici také s nejmenším sériovým řadovým pětiválcem, 1,9 l variantou. Mezi lety 1976 a počátkem devadesátých let používalo Audi v řadě svých motorů 2,2 l řadový pětiválec, včetně Audi Sport Quattro s výkonem 305 koní a Audi RS2 Avant s výkonem 315 koní. Motor Audi Inline 5 je hojně využíván v motoristickém sportu, zejména v rallye ve slavné skupině B s 600 hp Audi S1 Sport Quattro E2 a v IMSA GT Championship s 2,1 20V řadovým 5 720 hp Audi 90 quattro IMSA GTO.
Za rok 1987 tovární tým testoval 1000 hp verzi inline-5 poháněl Audi S1 Sport Quattro, ale prototyp byl nikdy použit v závodech následuje odstranění skupiny B .
Pětiválcový motor Audi jako volba výkonu je v evropském šampionátu dragsterů velmi populární, zejména ve skandinávských zemích. S extrémními úpravami pro Drag Racing Audi ukázalo, že motory 2,2 20V Inline 5 (jako 3B, AAN, ABY, ADU) jsou schopné vyvinout výkon přesahující 1 megawatt (1340 k).
V konceptu Italdesign Aztec byl také použit pětiválcový motor Audi . V roce 2009 Audi začalo používat nový přeplňovaný pětiválcový motor v Audi TT RS a později Audi RS3 a Audi quattro concept .
Od chvíle, kdy společnost Volvo představila v roce 1991 své Volvo 850 , přešla velká část jejich sortimentu na jejich pětiválcový modulární motor , přičemž jejich motory byly použity také v modelech Ford ST a RS. Všechna inline-5 zážehových motorů používaných společností Volvo a Ford byly postaveny v závodě motoru Volvo Skövde v Skövde , Švédsko , až do jejich ukončení v roce 2016.
Honda vyráběla pětiválcový motor řady G počínaje rokem 1989 a používala jej v modelech Vigor , Inspire , Ascot , Rafaga a Acura TL .
Volkswagen používal ve svém Eurovanu řadové pětiválce a vyvinul jiný řadový pětiválec, který se používal v Jettě , Passatu , Golfu , Králíkovi a New Beetle v Severní Americe až do začátku roku 2010. V Jižní Africe byl známý VW Microbus/Caravelle (osobní automobil) později vybaven 5válcovým motorem Audi 2,5 L (1991-1994) a ještě později 2,6 L (1995-2002) vodou chlazeným motorem, který nahradil starý vzduchem chlazené elektrárny Volkswagen o objemu 1 800 a 2 100 ccm, které velkému rodinnému autobusu poskytovaly nadstandardní výkon. Vysoký řadový pětiválec Audi musel být šikmý, aby se vešel pod zadní motorovou palubu, přičemž při vypínání používal přídavné elektrické chladicí dmychadlo, aby se zabránilo deformaci horké hliníkové hlavy a sacího potrubí.
Fiat také využívá své vlastní řadové benzinové motory v Evropě Fiat Marea (2,0 L, 20v, 155 k), Fiat Bravo , Fiat Coupé (2,0 L, 20v, přeplňovaný, 220 k) a Fiat Stilo (2,4 L, 20v (170 koní) a v brazilském Fiatu Marea se 3 variantami: 2,0 l, 20v, N/A, 142 koní; 2,0 l, 20 V, přeplňovaný turbodmychadlem, 182 k a 2,4 L, 20 V, N/A, 162 k.
Lancia také používá pětici motorů Fiat v pozdních Lancia Kappa , Lancia Lybra a Lancia Thesis .
General Motors ‚s Atlas Rodina řadových motorů zahrnovala dvě vložené do pěti let, 3,5 a 3,7 l použitého při jejich GMT 355 mid-size kamionu rodiny (včetně Chevrolet Colorado a Hummer H3 ) od roku 2004 do roku 2012.
Používání motocyklu
Nejmenší řadový pětiválec byl nalezen na závodním motocyklu Honda, RC148 třídy 125 ccm z roku 1965 a RC149 , závodil v roce 1966. Konfigurace s pěti válci byla použita, protože sdílela komponenty (a tedy současný vývoj) s těmito dvěma -válcový motor, 50 ccm, RC116 . To však bylo neobvyklé, pokud jde o řadové pětky v tom smyslu, že to bylo docela chytře nakonfigurováno jako řadová šestka s odstraněným jedním ze středních válců. Stojí za zmínku, že Honda již měla zkušenosti s řadovými šestkami ( RC165 , RC166 ), zatímco naopak vysokorychlostní rovnoměrně pálící řadová pětka (a její rozmanitost potenciálních konfigurací) by byly docela technickou výzvou z důvodu vibrací úhel pohledu.