Moteur cinq cylindres en ligne - Straight-five engine
Le moteur linéaire à cinq ou moteur inline-cinq est un moteur à combustion interne à cinq cylindres alignés dans une rangée ou un plan, en partageant un seul bloc moteur et le carter . La justification d'un moteur cinq cylindres est qu'il est presque aussi compact qu'un quatre cylindres en ligne et presque aussi fluide qu'un moteur six cylindres en ligne .
Une variante du cinq cylindres en ligne est le V5 à angle étroit (comme le moteur Volkswagen V5 ) qui a une seule culasse et un bloc-cylindres mais utilise le décalage des cylindres à angle étroit pour réduire la longueur totale par rapport à un cinq cylindres en ligne conventionnel. . Il n'était pas disponible en Amérique du Nord.
Histoire
Henry Ford avait un moteur cinq cylindres en ligne développé à la fin des années 1930 au début des années 1940 pour une conception de voiture économique compacte, qui n'a jamais vu la production en raison du manque de demande pour les petites voitures aux États-Unis. Lancia d'Italie a développé un moteur diesel 5 cylindres à la fin des années 1930 pour une utilisation dans sa série de camions RO pour remplacer les anciens moteurs diesel 2 cylindres et 3 cylindres à essence utilisés. Le modèle suivant est devenu connu sous le nom de 3RO et a été utilisé par les forces armées italiennes et allemandes pendant la Seconde Guerre mondiale. Ce camion est resté en production jusqu'en 1950.
Un moteur à cinq cylindres en ligne n'a pas vu la production pour les voitures particulières jusqu'à ce que Mercedes-Benz présente le diesel OM617 en 1974. Le premier cinq cylindres en ligne à essence de production était le 2.1 R5 introduit par le groupe Volkswagen dans l' Audi 100 vers la fin des années 1970, les développements dont propulsé la voiture de rallye Audi Quattro . Ils étaient souvent utilisés par des marques intermédiaires cherchant à étendre leurs gammes de moteurs à des capacités plus élevées sans opter pour l'option six cylindres. Ces dernières années, le moteur est tombé en disgrâce, Volvo ayant annoncé en 2014 qu'il cesserait de les fabriquer, par exemple.
Caractéristiques
Douceur
L'avantage du moteur à cinq cylindres par rapport à un moteur à quatre cylindres comparable est mieux compris en considérant les courses de puissance et leur fréquence. Dans un cycle à quatre temps, le moteur déclenche chaque cylindre une fois tous les 720 degrés - chaque piston se déclenche toutes les deux rotations du vilebrequin. En supposant un moteur à allumage uniforme , divisez 720 degrés par le nombre de cylindres pour déterminer la fréquence à laquelle un coup de puissance se produit. Pour un moteur quatre cylindres , 720° ÷ 4 = 180° donc il y a un coup moteur tous les 180 degrés, soit deux coups moteur par tour de vilebrequin. Un moteur V8 crossplane reçoit une course motrice tous les 90 degrés : 720° ÷ 8 = 90°, ce qui correspond à quatre courses motrices pour chaque tour du vilebrequin.
Une course motrice donnée ne peut pas durer plus de 180 degrés de rotation du vilebrequin, de sorte que les courses motrices d'un moteur à quatre cylindres sont séquentielles, sans chevauchement. À la fin de la course motrice d'un cylindre, un autre cylindre se déclenche.
Dans un moteur à un, deux ou trois cylindres, il arrive parfois qu'aucune course de puissance ne se produise. Dans un moteur à trois cylindres, une course de puissance se produit tous les 240 degrés (720° ÷ 3 = 240°). Étant donné qu'une course motrice ne peut pas durer plus de 180 degrés, cela signifie qu'un moteur à trois cylindres a 60 degrés de "silence" lorsqu'aucune course motrice n'a lieu.
Les moteurs à cinq cylindres ont une manivelle avec des angles de 72 degrés (sauf pour le VW V5, qui a un décalage dans la manivelle qui correspond à l'angle entre les cylindres ; malgré la configuration en V, le moteur a des intervalles d'allumage réguliers). La plupart des moteurs cinq cylindres (Audi 2.5, VW 2.5 R5) ont l'ordre d'allumage 1-2-4-5-3. Le tir d'un cylindre après l'autre (par exemple 1-2-3-4-5 dans le cas d'un moteur à cinq cylindres) n'est jamais utilisé sauf dans les moteurs à 3 cylindres où il n'y a pas d'alternative et dans certains moteurs V6. La raison en est que le moteur résultant aura une forte tendance à basculer d'un bout à l'autre et aura généralement un mauvais équilibre.
Un moteur cinq cylindres reçoit une course motrice tous les 144 degrés (720° ÷ 5 = 144°). Étant donné qu'en raison du calage de l'arbre à cames, chaque course motrice dure environ 120 degrés [se terminant lorsque la soupape d'échappement s'ouvre], cela signifie qu'il y a une très courte période d'environ 24 degrés pendant laquelle le vilebrequin ne reçoit aucun couple. En raison des niveaux inégaux de couple pendant les courses de détente répartis entre les cinq cylindres, il y a une augmentation des vibrations de second ordre. À des régimes moteur plus élevés, il y a une vibration inégale de troisième ordre du vilebrequin qui se produit tous les 144 degrés. Étant donné que les temps d'arrêt sont réduits, un moteur à cinq cylindres peut fonctionner plus facilement qu'un moteur à quatre cylindres, mais uniquement à des vitesses moyennes limitées où les vibrations de deuxième et de troisième ordre sont plus faibles.
Chaque cylindre ajouté au-delà de cinq augmente le chevauchement des coups d'allumage et réduit les vibrations d'ordre primaire. Un six cylindres en ligne reçoit un coup de puissance tous les 120 degrés, il n'y a donc généralement pas de chevauchement des coups de puissance. Cependant, cette augmentation de la douceur d'un moteur six cylindres par rapport à un moteur cinq cylindres n'est pas aussi prononcée que celle d'un moteur cinq cylindres par rapport à un moteur quatre cylindres. Le cinq cylindres en ligne perd moins de puissance à cause de la friction qu'un six cylindres en ligne. Il utilise également moins de pièces et il est physiquement plus court, il nécessite donc moins de place dans le compartiment moteur, ce qui permet un montage transversal .
Emballage et performances
Un moteur cinq cylindres est plus long et plus cher à fabriquer qu'un moteur quatre cylindres comparable, mais certains constructeurs comme Volvo estiment que ces coûts sont compensés par sa plus grande capacité dans un espace plus petit qu'un six cylindres.
Les turbos à cinq cylindres ont été utilisés à plusieurs reprises dans des applications de sport et de course pour leur équilibre de qualités de performance. La Volvo S60 R est équipée d'un moteur cinq cylindres en ligne turbocompressé de 2,5 litres capable de générer 300 ch (224 kW ) et 295 lbf⋅ft (400 N⋅m) de couple sur une grande partie de ses plages de régime. La voiture de performance Ford Focus RS Mk2 utilise le même moteur Volvo 5 cylindres, développé (par Ford) à des niveaux de puissance très similaires, et est l'une des voitures de production à traction avant les plus puissantes jamais créées. Un autre exemple de voiture 5 cylindres de grande puissance est l' Audi RS2 , avec son moteur 2,2 turbocompressé développant 311 ch.
Équilibre
Un inconvénient d'un moteur à cinq cylindres en ligne par rapport à un moteur à six cylindres en ligne est qu'un moteur à cinq cylindres en ligne n'est pas intrinsèquement équilibré. Toute conception à cinq cylindres en ligne à tir régulier a des moments libres (vibrations) du premier et du deuxième ordre, tandis qu'un six cylindres en ligne n'a effectivement aucun déséquilibre dans le premier ou le deuxième ordre. Cela signifie qu'aucun arbre d'équilibrage supplémentaire n'est nécessaire dans un six cylindres en ligne. En comparaison, un moteur à quatre cylindres en ligne n'a pas de moments libres du premier ou du deuxième ordre, mais il a une grande force libre du deuxième ordre qui contribue aux vibrations trouvées dans les conceptions à quatre cylindres en ligne déséquilibrées.
La moto RC149 GP de Honda de 1966 utilisait un moteur 5 cylindres en ligne de 125 cm3 configuré comme un six cylindres en ligne avec l'un des cylindres du milieu manquant; cela a éliminé tout couple de bascule (et réduit la torsion du vilebrequin en raison de l'inertie du piston, idéal aux régimes moteur élevés auxquels il fonctionnerait) tout en laissant des forces libres équivalentes à un monocylindre de 25 cc de construction similaire.
Ravitaillement
L'utilisation de moteurs à essence à cinq cylindres en ligne dans les voitures de série n'est devenue vraiment viable qu'avec l'avènement de l'injection de carburant fiable . Un moteur à cinq cylindres utilisant un système de carburant à carburateur présente un problème inévitable en ce sens que la longueur du collecteur d' admission entre le carburateur varie trop entre les cylindres aux extrémités du moteur et ceux plus proches du carburateur pour une distribution de carburant fiable et cohérente. L'utilisation de plusieurs carburateurs (deux ou trois) a toujours pour résultat qu'un carburateur alimente plus de cylindres que l'autre, ce qui entraîne également des problèmes de fonctionnement et de réglage. En théorie, des carburateurs individuels pourraient être utilisés pour chaque cylindre, mais cette approche est coûteuse et entraîne toujours les difficultés inhérentes à l'équilibrage des multiples glucides. L' injection de carburant multipoint contourne tous les problèmes ci-dessus en alimentant chaque cylindre individuellement. Ce problème de ravitaillement n'a jamais été présent dans les moteurs diesel (à l'exception du Volvo D5) qui, comme tous les moteurs diesel, utilisait l'injection de carburant dès le début, c'est pourquoi les gros diesels à cinq cylindres étaient couramment observés des décennies avant l'adoption du type pour une utilisation automobile.
Ordre de tir
Les ordres de tir courants pour les cinq en ligne sont 1-2-4-5-3 (photo) et 1-5-2-3-4, ou leurs inverses.
Considérant uniquement les moteurs à allumage régulier, contrairement à un moteur à quatre cylindres en ligne, à six ou à huit cylindres en ligne, chaque configuration de manivelle à cinq cylindres ne prendra en charge qu'un seul ordre d'allumage (plus l'inverse).
En revanche, la conception standard du vilebrequin à six cylindres en ligne, en raison de ses six jets distribués à seulement trois angles ou phases uniques , peut être exécutée sur l'un des quatre ordres d'allumage différents, en supposant les changements nécessaires à la soupape, à l'allumage et au ravitaillement ( le cas échéant) des systèmes de chronométrage ont été réalisés. Cela dit, très peu s'écartent de 1-5-3-6-2-4 en raison de l'emballage d'admission et d'échappement bien rangé qu'il offre (voir la section de ravitaillement ci-dessus).
Un cinq cylindres en ligne à quatre temps ne peut pas avoir des phases de piston partagées entre ses cylindres sans être également un tir inégal, car 720 degrés (4 coups de piston) divisés par 5 est 144 qui n'est pas un diviseur de 360, il doit donc toujours avoir cinq phases de maneton . Ainsi, l'équilibre d'un cinq cylindres en ligne est surtout et intrinsèquement lié à son ordre d'allumage, et inversement, dans la mesure où ils ne peuvent être choisis séparément.
Dans le cas des moteurs à deux temps, tous les moteurs en ligne sont limités de la même manière à avoir un seul ordre d'allumage pour une configuration de manivelle donnée ; comme un cycle complet se produit tous les 360 degrés, il n'y a aucune chance de partager les phases de piston sans avoir des allumages simultanés, donc le cinq en ligne n'est pas désavantagé dans ce cas.
Calculer le nombre total d'ordres de tir possibles ne nécessite qu'une simple combinatoire ; spécifiquement : permutations circulaires . Les ordres de tir sont cycliques ou circulaires ; donc 1-2-3 est identique à 2-3-1 et 3-1-2 etc. Cela signifie que le nombre total de permutations peut être réduit d'un facteur du nombre de cylindres ; cinq dans ce cas.
Le nombre total d'ordres de licenciement potentiels est donc :
Où 5 ! signifie la factorielle de 5.
Cela correspond également dans un sens aux 24 ordres uniques de phases de maneton {0°, 72°, 144°, 216°, 288°} le long du vilebrequin. Sachant que le vilebrequin est libre en rotation, ces chiffres de phase ne sont que relatifs ; en utilisant une comme donnée , il n'y a que quatre autres phases possibles, donnant le même résultat de 24 permutations.
Sans sens intuitif quant à laquelle des 24 configurations possibles de vilebrequin donnera des résultats optimaux en termes d'équilibre ou de torsion du vilebrequin, etc. Cependant, l'espace de possibilité de 24 ordres de tir a été effectivement réduit à seulement deux dans la pratique.
Pour les quatre temps :
- 1-2-4-5-3 se traduit par le couple de bascule primaire minimal (vitesse de manivelle), de même que celui choisi pour les cinq cylindres en ligne destinés aux voitures de route telles que celles fabriquées par Volvo (également utilisées par Renault), VW / Audi , GM et Honda .
- 1-5-2-3-4 entraîne le couple de bascule primaire maximal, mais un déséquilibre secondaire minimal, et trouve rarement une utilité dans les cinq en ligne. Cependant, c'est l'ordre parfois utilisé pour chaque banc de certains V10, par exemple les Dodge Viper à tir irrégulier , les Audi R8 et les BMW E60/61 M5 et E63/64 M6 .
Le 1-5-2-3-4 a également trouvé une utilisation dans les moteurs hors - bord à deux temps , par exemple Mercury 's Force 150.
A noter qu'une configuration de vilebrequin donnée engendre un ordre d'allumage différent pour une application à deux temps de celui qu'elle dicte dans le cas à quatre temps, et vice versa. Le vilebrequin pour un ordre d'allumage de 1-2-4-5-3 dans un quatre temps donnerait un ordre d'allumage de 1-5-2-3-4 en tant que deux temps. Ainsi, le vilebrequin aurait des phases de maneton {0°, 144°, 216°, 288°, 72°} dans les deux cas. Les ordres de mise à feu inversés nécessitent un vilebrequin à image miroir différent (à moins que le moteur ne puisse être autorisé à tourner en arrière).
Voir la section solde pour en savoir plus.
Sonner
Les 5 impulsions de tir du cinq cylindres en ligne à quatre temps toutes les deux rotations de la manivelle génèrent un son distinctif, qui peut être représenté par l' intervalle musical 5:2. Les bruits de moteurs (même monocylindres), étant de nature périodique, occupent un étalement de fréquences que l'on peut représenter comme des multiples ascendants, comme dans une série de Fourier ; cela commence par la fréquence fondamentale (demi-vitesse de manivelle) et augmente par multiples entiers , chaque multiple étant présent en quantités différentes dans le son final. Prendre l' octave d'une hauteur dans un intervalle donne un intervalle lié (c'est-à-dire par inversion ) ; cela revient à sélectionner un multiple plus élevé dans la série de fréquences décrite précédemment. Un tel intervalle inversé pourrait être 5:4, via 5:2; c'est-à-dire un tiers majeur du genre juste . C'est purement harmonique , mais il n'est pas trop éloigné de la tierce majeure à 12 tons de tempérament égal que l'on trouve dans une grande partie de la musique occidentale.
D'autres intervalles pour d'autres moteurs à allumage régulier de nombres de cylindres différents peuvent également être découverts. Ex : triplets et dérivés (6, 12 cylindres etc.) : 3:2 ; quatre en ligne et dérivés : 2 : 1 ; sept en ligne : 7:4 ; etc.
Utilisation automobile
Diesel
Le premier moteur cinq cylindres en ligne de production pour un véhicule de tourisme était le Mercedes-Benz OM617 , un moteur diesel de 3,0 L introduit en 1974 et utilisé dans le Mercedes-Benz 300D , considéré comme l'un des moteurs les plus fiables jamais produits, dépassant souvent les 400 000 miles sans être reconstruit. Il a été turbocompressé pour la première fois en 1978. Son successeur, l'OM602, utilisé dans les Mercedes-Benz W124, G-Klasse et Sprinter est également connu pour dépasser les 500 000 milles dans certains cas. Le 5 cylindres OM602 a été remplacé par le moteur à quatre soupapes OM605 (E250D 20V) et plus tard par les OM612 et OM647 avec turbocompresseur et injection directe à rampe commune (C/E/ML 270CDI). Mercedes-Benz a continué à utiliser des moteurs diesel 5 cylindres jusqu'en 2006, lorsque les moteurs OM612 et OM647 ont cessé leur production, mais SsangYong Motor Company continue de les utiliser dans ses SUV.
Audi a produit un certain nombre de moteurs diesel cinq cylindres pour l' Audi 100 et l' Audi A6 de 1978 à 1997. Ce moteur est utilisé dans plusieurs camionnettes Volvo et Volkswagen.
Volvo a conçu son propre moteur D5 qui est disponible dans la plupart de sa gamme de véhicules depuis 2001. En 2015, cependant, il a été abandonné au profit de moteurs 4 cylindres plus petits , qui ont remplacé la plupart des moteurs D5. Actuellement, il n'y a pas d'autres moteurs diesel Volvo 5 cylindres en cours de fabrication.
Le Jeep Grand Cherokee était disponible avec cinq moteurs diesel en ligne en Europe. De 1999 à 2001 avec un moteur VM Motori 3,1l et de 2002 à 2004 avec un moteur Mercedes-Benz 2,7 litres .
À la fin des années 1990, Rover Group a développé en interne un moteur diesel cinq cylindres en ligne, le Td5 , pour les Land Rover Discovery et Defender .
Depuis 2006, Ford a produit un moteur cinq cylindres turbocompressé de 3,2 L sous le nom de Duratorq pour le Ford Transit , le Ford Ranger et le Mazda BT-50 . Le même moteur sera vendu dans le North American Transit sous le nom de Power Stroke .
Fiat a produit un moteur diesel turbocompressé de 2,4 L à cinq cylindres en ligne dans les années 90. Ce moteur a été utilisé dans les Fiat Marea , Lancia Kappa , Lancia Lybra , Lancia Thesis , Alfa Romeo 156 , Alfa Romeo 166 et Alfa Romeo 159 .
Essence
Les premiers pas vers une essence 5 cylindres en ligne ont été réalisés par Rover , qui a développé un moteur cinq cylindres de 2,5 litres en 1966 afin de fournir plus de puissance à la berline Rover P6 . Cependant, la conception, alimentée par trois carburateurs (un de taille différente de l'autre paire), a souffert de problèmes de ravitaillement et n'a pas dépassé le stade du prototype.
Audi a dévoilé le premier cinq cylindres en ligne à essence de série, un moteur à DACT de 2,1 L, dans l'Audi 100 de 1976. En 1981, l'Audi 100 est également devenue disponible avec le plus petit cinq cylindres en ligne de production, une variante de 1,9 L. Audi a utilisé des moteurs à cinq cylindres en ligne de 2,2 L dans bon nombre de ses voitures entre 1976 et le début des années 1990, notamment l' Audi Sport Quattro de 305 ch et l' Audi RS2 Avant de 315 ch. Le moteur Audi Inline 5 est largement utilisé en sport automobile, notamment en rallye dans le célèbre Groupe B avec 600 ch Audi S1 Sport Quattro E2 et en IMSA GT Championship avec 2.1 20V inline 5 720 ch Audi 90 quattro IMSA GTO.
Pour l'année 1987 l' équipe d'usine testé une version 1000 ch de la ligne 5-alimenté Audi S1 Sport Quattro, mais ce prototype n'a jamais été utilisé dans les courses suivie par l' abolition du groupe B .
Un moteur cinq cylindres Audi comme choix de puissance est très populaire dans le championnat européen de courses de dragsters, en particulier dans les pays scandinaves. Avec des modifications extrêmes pour Drag Racing, l'Audi a produit des moteurs 2.2 20V Inline 5 (comme 3B, AAN, ABY, ADU) qui sont capables d'une puissance supérieure à 1 mégawatt (1 340 ch).
Un moteur cinq cylindres Audi a également été utilisé dans le concept-car Italdesign Aztec . En 2009, Audi a commencé à utiliser un nouveau moteur cinq cylindres turbocompressé dans l' Audi TT RS et plus tard l' Audi RS3 et l' Audi quattro concept .
Depuis que Volvo a présenté sa Volvo 850 en 1991, une grande partie de sa gamme est passée à son moteur modulaire à cinq cylindres , ses moteurs étant également utilisés dans les modèles Ford Focus ST et RS. Tous les moteurs essence 5 cylindres en ligne utilisés par Volvo et Ford ont été construits dans l'usine de moteurs Volvo Skövde à Skövde , en Suède , jusqu'à leur arrêt en 2016.
Honda a produit le moteur cinq cylindres de la série G à partir de 1989 et l'a utilisé dans les modèles Vigor , Inspire , Ascot , Rafaga et Acura TL .
Volkswagen a utilisé des moteurs à cinq cylindres en ligne dans son Eurovan et a développé un moteur à cinq cylindres en ligne différent qui a été utilisé dans les Jetta , Passat , Golf , Rabbit et New Beetle en Amérique du Nord jusqu'au début des années 2010. En Afrique du Sud , le très connu VW Microbus/Caravelle (un transporteur de passagers) fut plus tard équipé d'un Audi 5 cylindres 2,5 L (1991-1994) et encore plus tard d'un moteur 2,6 L (1995-2002) refroidi par eau, remplaçant l'ancien Des centrales Volkswagen de 1 800 et 2 100 cm3 refroidies par air qui ont donné des performances inférieures à la norme au grand bus familial. Le grand moteur Audi à cinq cylindres en ligne devait être incliné pour s'adapter sous un pont moteur arrière, en utilisant un ventilateur de refroidissement électrique supplémentaire à l'arrêt, afin d'éviter le gauchissement de la tête en aluminium chaud et du collecteur d'admission.
Fiat utilise également ses propres moteurs essence cinq cylindres en ligne dans les Fiat Marea européennes (2,0 L, 20v, 155 ch), Fiat Bravo , Fiat Coupé (2,0 L, 20v, turbocompressé, 220 ch) et Fiat Stilo (2,4 L, 20v , 170 ch) et en Fiat Marea brésilienne avec 3 variantes : 2.0L, 20v, N/A, 142 ch ; 2,0 L, 20 V, turbocompressé, 182 ch et 2,4 L, 20 V, N/A, 162 ch.
Lancia utilise également les moteurs Fiat à cinq cylindres en ligne dans les dernières Lancia Kappa , Lancia Lybra et Lancia Thesis .
La famille de moteurs en ligne Atlas de General Motors comprenait deux cinq cylindres en ligne, un 3,5 et un 3,7 L, utilisés dans leur famille de camions intermédiaires GMT 355 (y compris le Chevrolet Colorado et le Hummer H3 ) de 2004 à 2012.
Utilisation de la moto
Le plus petit cinq cylindres en ligne a été trouvé sur la moto de course Honda, la classe 125 cc RC148 de 1965 et la RC149 , courue en 1966. La configuration à cinq cylindres a été utilisée car elle partageait des composants (et donc un développement simultané) avec les deux -moteur cylindre, 50 cc, RC116 . Cependant, c'était inhabituel en ce qui concerne les cinq cylindres en ligne dans le sens où il était plutôt intelligemment configuré comme un six cylindres en ligne avec l'un des cylindres du milieu retiré. Il convient de noter que Honda avait déjà de l'expérience avec les six cylindres en ligne ( RC165 , RC166 ), alors qu'en revanche, un cinq cylindres en ligne à régime uniforme (et sa multiplicité de configurations potentielles) aurait été tout un défi d'ingénierie à partir d'une vibration point de vue.