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».
_Engine_cutout_r_TCE.jpg/1280px-M%C3%BCnch_(=NSU)_Engine_cutout_r_TCE.jpg)
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 « перекрестным 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 одним распределительным валом 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 общим размером не более диаметра 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.
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, способные извлекать больше мощности при меньших выбросах из любого конкретного процесса 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]