Полусферическая камера сгорания

Полусферическая камера сгорания — это камера сгорания в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания с куполообразной « полусферической » формой. Двигатель с таким типом полусферической камеры называется полусферическим двигателем . На практике обычно используются формы, меньшие полной полусферы, а также вариации (или огранка в деталях) истинного полусферического профиля. Основным преимуществом таких форм является повышенная компрессия (что приводит к большей мощности) и очень большие впускные и выпускные клапаны (обеспечивающие лучший поток впускных и выхлопных газов, что также приводит к улучшению объемной эффективности и большей мощности); основными недостатками являются сложные клапанные механизмы (вызванные расположением клапанов друг напротив друга в головке) и расходы (на механическую обработку головок и поршней, а также дополнительных компонентов клапанного механизма).

Хотя полусферические камеры сгорания все еще встречаются в 2000-х годах, многоклапанные конструкции (четыре и даже пять клапанов на цилиндр) и популярность схем с верхним расположением распредвалов (включая двойные верхние распредвалы ) изменили традиционные компромиссы при использовании «полусферических головок».

Полусферические камеры сгорания были введены в некоторых из самых ранних автомобильных двигателей вскоре после того, как жизнеспособность двигателя внутреннего сгорания была впервые продемонстрирована. Их название отражает куполообразную выемку в головке цилиндра и соответствующую форму верхней части поршня, охватывающую пространство, которое приблизительно равно половине сферы ( hemi- + -sphere + -ical ), хотя на практике фактическое замкнутое пространство обычно меньше половины.

Головки цилиндров с полусферическим сечением использовались по крайней мере с 1901 года; ^[1] они использовались бельгийским автопроизводителем Pipe в 1905 году ^[2] и гоночным автомобилем Fiat 130 HP Grand Prix 1907 года. ^[3] Автомобиль Peugeot Grand Prix 1912 года и автомобиль Alfa Romeo Grand Prix 1914 года были оба с четырехклапанными двигателями, и Daimler и Riley также использовали полусферические камеры сгорания в то время. Начиная с 1912 года, Stutz использовал четырехклапанные двигатели, ^[4] концептуально предвосхищая современные автомобильные двигатели. Другие примеры включают конструкцию BMW с двойным толкателем (принятую Bristol Cars ), Peugeot 403 , двигатель Toyota T и двигатель Toyota V (первый двигатель Toyota V8), гоночные двигатели Miller и двигатель Jaguar XK . ^[5]

Полусферическая головка («полуголовка») обеспечивает эффективную камеру сгорания с минимальными потерями тепла в головке и допускает два больших клапана . Однако полусферическая головка обычно допускает не более двух клапанов на цилиндр из-за сложности размещения клапанного механизма для четырех клапанов под расходящимися углами, и эти большие клапаны обязательно тяжелее, чем в многоклапанном двигателе с аналогичной площадью клапана, а также, как правило, требуют большего подъема клапана. Впускные и выпускные клапаны находятся на противоположных сторонах камеры и требуют конструкции головки « с поперечным потоком ». Поскольку камера сгорания фактически представляет собой полусферу, поршень с плоским верхом обеспечивает более низкую степень сжатия, если не используется камера меньшего размера.

Значительные проблемы в коммерциализации двигателей, использующих полусферические камеры, вращались вокруг конструкции привода клапана и того, как сделать его эффективным, действенным и надежным по приемлемой цене, ^[2] что обычно требует использования либо системы с двумя коромыслами, либо двух распределительных валов для управления впускными и выпускными клапанами. Сложность упоминалась в начале разработки Chrysler своего двигателя Hemi 1950-х годов: головка упоминалась в рекламе компании как головка с двойным коромыслом . ^[2] Двигатель Ford CVH (Compound Valve Hemispherical) 1980-х годов решил эту проблему путем использования сложной геометрии угла клапана в сочетании с конфигурацией кулачка в головке, которая позволяла управлять полусферическими клапанами с помощью одного распределительного вала и без необходимости в двух коромысловых валах.

Хотя конструкция с клиновидной головкой обеспечивает упрощенное приведение в действие клапана, обычно это достигается путем размещения клапанов бок о бок внутри камеры с параллельными осями штока. Это может ограничить поток впуска и выпуска в камеру и из нее, ограничивая диаметры головок клапанов до общего размера, не превышающего диаметр отверстия цилиндра в конфигурации с двумя клапанами на цилиндр. В случае полусферической камеры с распущенным углом штока клапана это ограничение увеличивается на угол, что позволяет общему размеру диаметра клапана превышать размер отверстия в конфигурации с верхним расположением клапанов . См. двигатель IOE для другого метода.

Кроме того, расширенный угол клапана приводит к наклону плоскости седла клапана, что обеспечивает более прямой путь потока для впуска и выпуска в/из порта, выходящего из головки цилиндра. Инженеры узнали, что хотя увеличение размера клапана с более прямым портом полезно для увеличения максимальной мощности на высоких оборотах, это замедляет скорость потока впуска, не обеспечивая наилучшего события сгорания для выбросов, эффективности или мощности в нормальном диапазоне оборотов.

Купольные поршни обычно используются для поддержания более высокой механической степени сжатия, что приводит к увеличению расстояния распространения пламени, а также отрицательно сказывается на эффективности сгорания, если только не увеличить количество свечей зажигания на цилиндр.

Температура пламени очень высока, что приводит к чрезмерному выходу NOx, что может потребовать рециркуляции выхлопных газов и других мер по контролю выбросов для соответствия современным стандартам. Другие недостатки полусферической камеры включают повышенную стоимость производства и высокий относительный вес (на 25% тяжелее, чем сопоставимая клиновидная головка, согласно инженерам Chrysler ^[6] ). Это вытеснило полусферическую головку из моды в современную эпоху, пока в 2003 году Chrysler не провела редизайн, который оказался популярным.

Разрез SOHC, демонстрирующий конструкцию с поперечным потоком, полусферическую форму камеры, центральное положение верхнего кулачка с боковыми опорами для осей коромысел.

Двигатель Hemi требует деталей большей сложности и количества. Верхние фотографии двухкоромысловой системы для пары головок Hemi и ее сложного литья поршня. Нижние фотографии сопоставимых деталей для пары головок Wedge.

Основным недостатком конструкции hemi является большой размер головки относительно общего размера двигателя. Расширяющиеся клапаны, необходимые для поперечной головки, требуют более широкого литья, что требует больших отсеков двигателя. Инженеры стремятся уменьшить физический размер двигателей (при сохранении или увеличении их мощности).

Alfa Romeo выпускала успешные двигатели с полусферической головкой на протяжении многих лет. Вероятно, одним из самых любимых примеров является оригинальный 2,5-литровый V6 Джузеппе Буссо , который некоторые называли одним из лучших и наиболее характерно звучащих серийных двигателей (даже в его более поздних формах 24v) всех времен. ^[7] Часть этой похвалы, вероятно, объясняется тем, что полусферические головки на оригинальном 2-клапанном двигателе позволили использовать почти полностью прямой выпускной канал, что привело к менее разбавленному или мутному звуку двигателя, что позволило Alfa Romeo использовать более тихие стандартные выхлопные системы, не теряя при этом большую часть своего отличительного и любимого гоночного шума двигателя.

DOHC V8 от Aston Martin использовал полусферическую камеру в период с конца 1960-х до конца 1980-х годов. Каждый из четырех кулачков управлял одним набором клапанов на ряд цилиндров. Aston Martin V8 5.3 L (5340 cc/325 in ³ ) выдавал 315 л.с. (235 кВт) брутто.

BMW стала всемирно известной маркой благодаря своему отзывчивому, но надежному рядному 4-цилиндровому двигателю SOHC M10 , наиболее известному своим рабочим объемом 2 л (122 куб. дюйма) и устанавливаемому на спортивный седан 2002 года выпуска 1960-х и 1970-х годов.

Возможно, наиболее известным сторонником конструкции полусферической камеры является Chrysler Corporation . Chrysler стал узнаваем в первую очередь благодаря торговой марке «Hemi», а затем широко использовал ее в своих рекламных кампаниях, начиная с 1960-х годов. Chrysler выпустил три поколения таких двигателей: двигатель Chrysler FirePower в 1950-х годах; 426 Hemi ), разработанный для NASCAR в 1964 году и выпускавшийся до начала 1970-х годов; и «новый HEMI» с 2003 по 2024 год. Самая последняя версия двигателя Chrysler «Hemi» использует часть сплющенного сфероида (уплощенной сферы) для формы головки, чтобы улучшить эффективность сгорания по сравнению с настоящей полусферической головкой. ^[8]

В 1964 году Ford выпустил одинарный верхний распредвал 425 куб. см в hemi V8 на базе FE, известный как "427 SOHC "Cammer" ". Разработанный за 90 дней интенсивных инженерных усилий для использования в гонках, ^[9] он так и не появился в серийном автомобиле Ford, вместо этого продавался как дополнительный двигатель на прилавках Ford. ^[10] Результаты динамометрического стенда того периода показывают, что SOHC Hemi выдавал почти 700 л. с. (522 кВт) в сборе (100 л. с. на литр). ^{[11] [ сомнительно – обсудить ]} Он использовал блок двигателя с боковой смазкой, модифицированный для замены блочного распредвала на промежуточный вал, приводящий в движение распределитель и масляный насос, а также для решения других проблем с верхним распредвалом. ^[9] Верхние распредвалы означали, что он не был таким ограниченным по оборотам, как Chrysler Hemi с их толкателями и тяжелыми и сложными клапанными механизмами. ^[12]

Из-за его выходной мощности и того факта, что Chrysler показал руководителю NASCAR Биллу Франсу, что DOHC 426 Hemi находится в разработке, его запретили использовать в гонках NASCAR, хотя и разрешили в некоторых классах дрэг-рейсинга. ^{[ сомнительно – обсудить ]}

Более поздние конструкции двигателей Ford с полусферическими камерами включали Calliope , в котором использовались два кулачка в блоке, расположенных один над другим, для управления тремя клапанами на полусферическую камеру. ^[13] Толкатели, активирующие клапаны от верхнего распредвала, были почти горизонтальными. В 1968 году Ford выпустил совершенно новое семейство двигателей серии 385 , в котором использовалась модифицированная форма полусферической камеры Semi-Hemi ^{[ уточнить ]} . ^[14]

В 1970-х годах Ford спроектировал и выпустил двигатель «Windsor» с малым блоком ^{[ который? ]} с полусферическими головками ^{[ нужна ссылка ]} для решения растущей обеспокоенности по поводу экономии топлива. К сожалению, даже с опережающей свое время системой непосредственного впрыска топлива, питающей камеру с послойным зарядом , ^{[15] [16]} выбросы Hemi не могли быть достаточно чистыми для соответствия нормам. Это плюс стоимость систем привода клапанов, а также стоимость насоса высокого давления, необходимого для подачи топлива непосредственно в камеру, а также система привода ремня Гилмера , необходимая для привода насоса, сделали дальнейшую разработку бессмысленной в то время.

Большинство 4-цилиндровых Ford 1980-х годов использовали двигатель Ford CVH , «CVH» означает Compound Valve, Hemispherical (камера сгорания). После 1986 года головка цилиндра этого двигателя была переработана на камеры сгорания в форме сердца с обедненной смесью и использовалась в моделях с низкими характеристиками, не использующих многоточечный впрыск топлива — 1.4, 1.6, 1.8 в Европе, хотя в разговорной речи его все еще называли CVH.

Двигатель Jaguar XK с полуцилиндровой головкой , представленный в 1949 году, устанавливался на автомобили от победителя гонок в Ле-Мане D-Type до XJ6 . ^[17]

В двигателе Lamborghini V12 , разработанном в 1963 году и выпускавшемся более 50 лет, использовались полусферические камеры.

В двигателях Lancia V4 и Lancia V6 использовались полусферические камеры сгорания.

Lotus использовала полусферические камеры, как в Lotus-Ford Twin Cam .

Полусферические камеры были характерной чертой двигателя M102 , представленного в 1980 году, что в сочетании с конструкцией головки с поперечным потоком способствовало повышению эффективности по сравнению с двигателем M115 , который он заменил. ^[18]

MGA Twin-Cam был вариантом линейки MGA 1600 MkI MG MGA с толкателем с 1958 по 1960 год. Оригинальный чугунный блок с толкателем объемом 1588 куб. см был оснащен литой алюминиевой головкой цилиндров с двумя распредвалами и двумя клапанами. Ранние версии оказались хрупкими на дороге и в соревнованиях из-за предварительного зажигания ( детонации ) и потери масла, что привело к снижению степени сжатия с 9,1 до 8,3 с измененными поршнями. Это было успешное обновление, но продажи упали так быстро, что компания остановила производство Twin Cam и использовала соответствующее шасси для некоторых MGA с двигателями с толкателем, известными как модели MGA 1600 MkI и MkII DeLuxe.

Компания Mitsubishi выпустила несколько двигателей Hemi, включая модели «Orion» , «Astron» и «Saturn» .

Двигатели Nissan Z , VG (только версия SOHC) и DOHC VQ используют полусферические камеры сгорания. Z и VG являются настоящими полусферическими, в то время как VQ использует сложную форму односкатной крыши.

Porsche широко использовал двигатели с полусферической головкой , включая 6-цилиндровый оппозитный двигатель с воздушным охлаждением в моделях Porsche 911 с 1963 по 1999 год. Версия 1973 года объемом 2,7 л вырабатывала 56 л. с. на литр рабочего объема поршня без наддува . ^[19]

Семейство двигателей Toyota V представляло собой продольно установленные V8, использовавшиеся в престижной Toyota Century с 1960-х по 1990-е годы. Toyota сотрудничала с Yamaha для производства первого японского двигателя с полностью алюминиевым блоком цилиндров. Семейство двигателей V часто называют Toyota HEMI, поскольку двигатель имеет конструкцию головки блока цилиндров, похожую на ту, что используется в Hemi Chrysler, хотя большая часть конструкции двигателя совершенно другая.

Другие двигатели Toyota (например, T , 2M , 4M и т. д.) в то время использовали полусферическую камеру сгорания. ^{[ необходима ссылка ]} Свечи зажигания располагались в верхней части камеры сгорания.

В современную эпоху выбросов полукамера превратилась в более совершенные и сложные конструкции, которые способны извлекать больше мощности при меньших выбросах из любого конкретного события сгорания.

Во многих современных двигателях используются «активные камеры сгорания», предназначенные для перемешивания и завихрения топливно-воздушной смеси внутри камеры для максимально эффективного сгорания. ^[20] Эти камеры обычно выглядят как фасоль или две слитые небольшие «полукруглые» области, окруженные плоскими зонами закалки над поршнями. ^[21]