Motor de cinco cilindros en línea

Henry Ford tenía un motor de cinco cilindros en línea desarrollado 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.^[1] Lancia en Italia desarrolló un motor diésel de 5 cilindros a finales de la década de 1930 para usar en su serie de camiones RO, con el fin de reemplazar los motores diésel de 2 cilindros y gasolina de 3 cilindros utilizados anteriormente. El modelo posterior se conoció como 3RO y fue utilizado por las fuerzas armadas italianas y alemanas durante la Segunda Guerra Mundial. Este camión permaneció en producción hasta 1950.^[2][3]

No se fabricó un motor de cinco cilindros en línea para automóviles de pasajeros hasta que Mercedes-Benz presentó el motor OM617 diésel en 1974. La primera producción de gasolina de cinco cilindros en línea fue el 2.1 R5 introducido por Volkswagen en el Audi 100 a finales de la década de 1970, cuyo desarrollo impulsó el coche de rally Audi Quattro.^[4]

A partir de entonces, los motores de cinco cilindros pasaron a ser 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 perdiendo su relativa popularidad anterior, y por ejemplo Volvo anunció en 2014 que dejaría de fabricarlos.^[5]

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La ventaja del motor de cinco cilindros sobre un motor de cuatro cilindros comparable se comprende mejor considerando las "carreras de potencia" y su frecuencia. En un ciclo de cuatro tiempos, el motor enciende todos los cilindros una vez cada 720 grados (dos giros completos), de forma que cada pistón se dispara una vez por cada dos rotaciones del cigüeñal. De acuerdo con el orden de explosión que determina el funcionamiento de un motor de cuatro tiempos, se debe dividir 720 grados (dos ciclos de giro completos) por el número de cilindros para determinar la frecuencia con la que se produce una carrera de potencia. Para un motor de cuatro cilindros en línea, 720°÷4 = 180°, por lo que se produce una carrera de potencia cada 180 grados, que son dos carreras de potencia por cada revolución del cigüeñal. Un motor V8 con un cigüeñal crossplane (con las manivelas desfasadas en ciertos ángulos) 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 se dispara.

En un motor de uno, dos o tres cilindros, hay lapsos en los que no se está produciendo una carrera de potencia. Por ejemplo, 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 un intervalo de 60 grados de "silencio" (sin empuje activo) entre carreras de explosión consecutivas.

Los motores de cinco cilindros tienen las manivelas del cigüeñal distribuidas con ángulos de 72 grados^[6] (a excepción del motor Volkswagen V5, que tiene un desfase en las manivelas ajustado al ángulo entre los cilindros, y que a pesar de su configuración en V, presenta 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.^[7] 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 usa excepto en motores de 3 cilindros donde no hay alternativa y en algunos motores V6.^[8][9] Esto se debe a que el motor resultante tendría una fuerte tendencia a oscilar de un extremo a otro y, en general, presentaría 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 impulso alguno. Debido a los niveles desiguales de par motor durante las carreras de expansión divididas entre los cinco cilindros, aumentan las vibraciones de segundo orden. A velocidades de giro más altas del motor, se produce una vibración desigual de tercer orden en el cigüeñal que aparece 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 de rango medio, donde las vibraciones de segundo y tercer orden son más bajas.^[10]

Cada cilindro agregado más allá de cinco aumenta la superposición de las carreras de potencia y reduce la vibración de orden primario. Un motor de seis cilindros en línea dispone de una carrera de potencia cada 120 grados, por lo que generalmente no hay superposición de los periodos de explosión. 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 por fricción que 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 montarlo transversalmente.

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^[11] llegaron a la conclusión de que estos costos se veían compensados por su mayor capacidad en un espacio más pequeño que el necesario para un motor de seis cilindros.

Los motores turbo de cinco cilindros se han utilizado en más de una ocasión en aplicaciones deportivas y de carreras por su equilibrio y cualidades de rendimiento. El Volvo S60 R utiliza un motor de 2.5 litros turboalimentado de cinco cilindros en línea que es capaz de generar 300 HP (304 CV) y 295 lb·pie (400 N·m) de par motor en un amplio régimen de giro. 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 de cuatro ruedas motrices 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.^[12]

Una desventaja de un motor de cinco cilindros en línea con respecto a uno de seis es que no está inherentemente equilibrado. Cualquier diseño de cinco cilindros en línea de ignición uniforme tiene momentos libres de empuje, lo que genera vibraciones de primer y de segundo orden, mientras que un motor de seis cilindros en línea no tiene ningún desequilibrio de primer o de segundo orden, lo que implica que no necesita utilizar ejes de equilibrado adicionales. En comparación, un motor de cuatro cilindros en línea no tiene momentos libres de primer o de segundo orden, pero tiene una gran fuerza libre de segundo orden que contribuye a la vibración típica estos diseños.^[13][14]

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 pero sin uno de los cilindros intermedios; esto eliminó cualquier par oscilante (y redujo la torsión del cigüeñal debido a la inercia del pistón, una característica ideal para las altas velocidades del motor a las que funcionaría), mientras que dejaba fuerzas libres equivalentes a un solo cilindro de 25 cc de construcción similar.^[15]

El uso de motores de gasolina de cinco cilindros en línea en automóviles de producción en masa solo se volvió realmente viable con la llegada de la inyección de combustible. Un motor de cinco cilindros que utilizase un sistema de alimentación mediante un carburador tiene un problema inevitable, ya que la distancia al carburador varía demasiado entre los cilindros en los extremos del motor y los que están más cerca para lograr una entrega de combustible fiable 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 e implica serias dificultades para equilibrar su funcionamiento. Multi-point inyección de combustible 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, usaron inyección de combustible desde el principio, razón por la cual los motores diésel de cinco cilindros grandes se veían comúnmente décadas antes de la adopción del tipo para uso automotriz.

Los órdenes de disparo comunes para los motores de cinco cilindros en línea son 1-2-4-5-3 (en la imagen) y 1-5-2-3-4, o sus inversos.

Teniendo en cuenta únicamente los motores con intervalo de disparo uniformemente espaciado, a diferencia de un motor de cuatro, seis u ocho cilindros en línea, cada configuración de un cigüeñal para cinco cilindros admitirá un solo orden de encendido (si no se considera su inverso).

Por el contrario, el diseño estándar de cigüeñal de seis cilindros en línea, debido a que sus seis igniciones se distribuyen en solo tres ángulos únicos, o fases, se puede ejecutar en cualquiera de cuatro órdenes de encendido diferentes, asumiendo los cambios necesarios en las válvulas, el encendido y el abastecimiento de combustible (y cuando proceda, en el espaciamiento entre los ciclos de ignición). Dicho esto, la mayoría de los motores de seis cilindros utilizan la secuencia 1-5-3-6-2-4 debido a la ordenada distribución de admisión y escape que ofrece (consúltese la sección anterior Alimentación).

Un motor de cinco cilindros en línea de cuatro tiempos no puede tener fases de pistón compartidas entre sus cilindros sin introducir un tiempo de disparo desigual, porque 720 grados (4 golpes de pistón) divididos por 5 son 144, que no es un divisor de 360, por lo que debe disponer de un cigüeñal con cinco fases de manivela. 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 a tener un solo orden de encendido para una configuración de manivelas dada. Debido a que se produce un ciclo completo cada 360 grados, no hay posibilidad de compartir fases de pistón sin tener encendidos simultáneos, por lo que el motor de cinco cilindros en línea no tiene ninguna desventaja en este caso.

Para determinar el número total de órdenes de encendido posibles, solo se requiere un simple cálculo combinatorio, hallando las permutaciones posibles. Las órdenes de encendido son cíclicas o circulares; entonces 1-2-3 es lo mismo que 2-3-1 o que 3-1-2. Esto significa que el número total de permutaciones se puede reducir por un factor del número de cilindros; cinco en este caso.

Por tanto, el número total de posibles órdenes de ignición es:

${\displaystyle {\frac {5!}{5}}\;=\;4!\;=\;4\times 3\times 2\times 1\;=\;24}$

donde 5! significa el factorial de 5.

Esto también corresponde en cierto sentido a los 24 ordenamientos únicos de las fases de las manivelas del cigüeñal {0°, 72°, 144°, 216°, 288°} a lo largo de su longitud. Recordando que el cigüeñal puede girar libremente, estas cifras de fase son solo relativas; usando uno como referencia, solo hay otras cuatro fases posibles, dando el mismo resultado de 24 permutaciones.

Sin un sentido intuitivo de cuál de las 24 configuraciones posibles del cigüeñal producirá resultados óptimos en términos de equilibrio o de torsión del cigüeñal, se dejó a los ingenieros considerar cada una de ellas, al menos inicialmente a nivel teórico. Sin embargo, los 24 órdenes de disparo posibles se han reducido a solo dos en la práctica.

Para cuatro tiempos:

• 1-2-4-5-3 da como resultado el par de balanceo primario mínimo (velocidad del cigüeñal). Es el orden elegido para los motores de cinco cilindros en línea destinados a automóviles de carretera como los fabricados por Volvo (también utilizados por Renault), Volkswagen/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 los motores de cinco cilindros en línea. Sin embargo, es el orden que a veces se emplea para cada banco de algunos motores V10, como por ejemplo en los Dodge Viper, Audi R8 y BMW E60/61 M5 y E63/64 M6.

El orden de ignición 1-5-2-3-4 también se ha utilizado en motores fueraborda de dos tiempos, como por ejemplo el Force 150 de Mercury.^[16]

Se debe tener en cuenta que una configuración de cigüeñal determinada genera un orden de encendido diferente para una aplicación de dos tiempos de la necesaria en el caso de cuatro tiempos, y viceversa. El cigüeñal para un orden de encendido 1-2-4-5-3 en un motor de cuatro tiempos produciría un orden de encendido de 1-5-2-3-4 en un motor de dos tiempos. Entonces, el cigüeñal tendría fases de manivela 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).

Consúltese la sección Equilibrio para obtener más información.

Los 5 pulsos de encendido del ciclo de cuatro tiempos en un motor de cinco cilindros en línea por cada dos rotaciones del cigüeñal generan un sonido distintivo, que puede ser representado por el intervalo musical 5:2. Los sonidos del motor (incluso los de un solo cilindro), al ser de naturaleza periódica, ocupan una extensión de frecuencias que se puede representar como múltiplos ascendentes, como en una serie de Fourier, que comienza con una frecuencia fundamental (media velocidad) y aumenta en múltiplos enteros, con cada uno presente en diferentes cantidades en el sonido final. Tomando una amplitud de una octava en un intervalo da como resultado otro intervalo relacionado (es decir, a través de una inversión), en un proceso equivalente a seleccionar un múltiplo más alto en la serie de frecuencias descrita anteriormente. Tal intervalo invertido podría ser 5:4, a través de 5:2; es decir, una tercera mayor del tipo temperado. Este patrón sonoro genera una serie armónica pura, que no está muy alejada de la tercera principal de 12 tonos-uniformemente temperada que se encuentra en gran parte de la música occidental.

De manera similar, se pueden descubrir otros intervalos para el orden de encendido regular de otros motores con diferentes números de cilindros. Por ejemplo, los motores en línea de tres cilindros y derivados (6 o 12 cilindros) emiten una quinta perfecta 3:2; los de cuatro cilindros y derivados una octava 2:1; y los de siete cilindros una séptima armónica 7:4.