Полусферическая камера сгорания — это тип камеры сгорания в поршневом двигателе внутреннего сгорания с куполообразной головкой блока цилиндров , условно имеющей форму полусферы (на самом деле обычно ее сферическое сечение ). Двигатель с полусферической камерой такого типа известен как полудвигатель .
_Engine_cutout_r_TCE.jpg/1280px-M%C3%BCnch_(=NSU)_Engine_cutout_r_TCE.jpg)
Полусферические камеры сгорания были установлены на некоторых из первых автомобильных двигателей вскоре после того, как была впервые продемонстрирована жизнеспособность двигателя внутреннего сгорания. Их название отражает куполообразную головку блока цилиндров и верхнюю часть поршня , заключающую в себе пространство, приблизительно равное половине сферы ( полу- + -сфера + -ическое ), хотя на практике фактическое закрытое пространство обычно меньше половины.
Полусферические головки цилиндров используются как минимум с 1901 года; [1] они использовались бельгийским автопроизводителем Pipe в 1905 году [2] и гонщиком Fiat 130 HP Grand Prix 1907 года. [3] Автомобиль Гран-при Peugeot 1912 года и автомобиль Гран-при Alfa Romeo 1914 года имели четырехклапанные двигатели, а Daimler и Riley в то время также использовали полусферические камеры сгорания. Начиная с 1912 года Штутц 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 позволяет использовать два больших клапана . Однако полуголовка обычно допускает не более двух клапанов на цилиндр из-за сложности расположения клапанного механизма на четыре клапана под расходящимися углами, и эти большие клапаны обязательно тяжелее, чем в многоклапанном двигателе с аналогичной площадью сечения клапана. , а также, как правило, требует большего подъема клапана. Впускной и выпускной клапаны расположены на противоположных сторонах камеры и требуют конструкции головки с поперечным потоком . Поскольку камера сгорания представляет собой практически полусферу, поршень с плоской вершиной обеспечивает более низкую степень сжатия, если не используется камера меньшего размера.
Серьезные проблемы при коммерциализации двигателей, в которых используются полусферические камеры, связаны с конструкцией привода клапана и тем, как сделать его эффективным, действенным и надежным по приемлемой цене, [2] что обычно требует использования либо системы с двойным коромыслом, либо системы с двойным коромыслом. или двойные распределительные валы для управления впускными и выпускными клапанами. Сложность упоминалась в начале разработки компанией Chrysler своего полудвигателя Hemi в 1950-х годах: в рекламе компании головка упоминалась как головка Double Rocker . [2] Двигатель Ford CVH (составной полусферический клапан) 1980-х годов решил проблему за счет использования сложной геометрии угла клапана в сочетании с конфигурацией кулачка в головке, которая позволяла клапанам с полусферическим расположением клапанов управляться одним распределительным валом и без необходимости использования двух коромысел.
Хотя конструкция с клиновой головкой обеспечивает упрощенное приведение в действие клапана, обычно это достигается путем размещения клапанов рядом друг с другом внутри камеры с параллельными осями штока. Это может ограничить поток впуска и выпуска в камеру и из нее, ограничивая диаметры головок клапанов до значения, не превышающего диаметр цилиндра в конструкции с двумя клапанами на цилиндр. В случае полусферической камеры с выдвинутым углом штока клапана это ограничение увеличивается на угол, что делает возможным превышение общего диаметра клапана над размером отверстия в конфигурации верхнего клапана . Другой метод см . в разделе Механизм IOE .
Кроме того, наклон клапана приводит к наклону плоскости седла клапана, обеспечивая более прямой путь потока для впуска и выпуска к/из порта, выходящего из головки блока цилиндров. Инженеры поняли, что, хотя увеличение размера клапана с более прямым отверстием полезно для увеличения максимальной мощности на высоких оборотах, оно замедляет скорость впускного потока, не обеспечивая наилучшего сгорания с точки зрения выбросов, эффективности или мощности в нормальном диапазоне оборотов.
Куполообразные поршни обычно используются для поддержания более высокой степени механического сжатия, что приводит к увеличению расстояния распространения пламени, что также вредно для эффективного сгорания, если только количество свечей зажигания на цилиндр не увеличено.
Температура пламени очень высока, что приводит к чрезмерному выбросу NOx, что может потребовать рециркуляции выхлопных газов и других мер по контролю выбросов в соответствии с современными стандартами. К другим недостаткам полусферической камеры относятся повышенная стоимость производства и большой относительный вес (по мнению инженеров Chrysler [ 6] ), он на 25% тяжелее, чем сопоставимая клиновая головка. В современную эпоху они вытеснили полуголовку из моды, пока в 2003 году компания Chrysler не провела редизайн, который оказался популярным.
Alfa Romeo на протяжении многих лет производила успешные двигатели с полукруглой головкой. Возможно, одним из их самых любимых примеров является оригинальный 2,5-литровый двигатель V6 Джузеппе Буссо , который некоторые называют одним из лучших и наиболее характерно звучащих серийных двигателей (даже в его последних 24-вольтовых версиях) всех времен. [7] Частично эта похвала, вероятно, связана с тем, что полусферические головки оригинального 2-клапанного двигателя позволили создать почти полностью прямое выхлопное отверстие, что привело к менее разбавленному или мутному звуку двигателя, что позволило Alfa Romeo использовать более тихие штатные выхлопные трубы без особых потерь. об их характерном и любимом гоночном шуме двигателя.
Знаменитый двигатель V8 DOHC (4 распредвала) Aston Martin использовал полусферическую камеру с конца 1960-х до конца 1980-х годов. Каждый кулачок управлял одним набором клапанов: либо блоком впускных клапанов, либо блоком выпускных клапанов. Aston Martin V8 объемом 5,3 л (5340 куб.см/325 дюймов 3 ) производил 315 л.с. (235 кВт).
Пожалуй, самым известным сторонником конструкции полусферической камеры является корпорация Chrysler . Chrysler стал известен в первую очередь благодаря регистрации товарного знака «Hemi», а затем широкому его использованию в своих рекламных кампаниях, начиная с 1960-х годов. Компания Chrysler выпустила три поколения таких двигателей: первое ( двигатель Chrysler FirePower ) в 1950-х годах, второе ( 426 Hemi ), разработанное для NASCAR в 1964 году и производившееся до начала 1970-х годов, и, наконец, «новый HEMI» в начало 2000-х.
Головки Ardun для плоской головки Ford были, пожалуй, первым применением полусферической головки на легкодоступном американском V8 . [8] Впервые предложенные в 1947 году в качестве вторичного продукта, эти головки превратили фордовскую плоскую головку в верхние клапаны, работающие в полусферической камере. Зора Аркус - Дунтов , который позже работал в GM и был основной движущей силой разработки Chevrolet Corvette , и его брат Юра были «АР» «ДУН» «Ардуна».
В середине 1960-х годов Форд произвел двигатель с двумя верхними распредвалами (по одному на каждую головку) и полусферическими камерами. Двигатель объемом 425 кубических дюймов, принадлежащий к семейству двигателей Ford FE , был известен как «427 SOHC »; он был также известен как Каммер . Это был набор полуголовок SOHC, которые крепились болтами к блоку цилиндров Ford FE . Двигатель 1964 года был разработан за 90 дней интенсивных инженерных усилий [9] для использования в гонках. В модели 427 SOHC использовался слегка модифицированный блок двигателя с боковой масленкой, чтобы решить проблему отсутствия кулачка в блоке среди других проблем с OHC . [9] Из-за их уровня мощности и того факта, что Крайслер показал Биллу Франсу, что DOHC 426 Hemi находится в разработке, он был запрещен к участию в гонках NASCAR , хотя разрешен в некоторых классах дрэг-рейсинга. После запрета NASCAR Форд продолжал производить SOHC, продавая его без рецепта гонщикам и другим людям [10] , которые использовали его для привода многих Мустангов A/FX с измененной колесной базой и драгстеров Top Fuel с наддувом. Конни Калитта , Пит Робинсон и «Снейк» Прюдомм использовали этот двигатель в своих гонках Top Fuel. В 1967 году «Bounty Hunter» Конни Калитты с двигателем SOHC завоевал награду Top Fuel на зимних соревнованиях AHRA, NHRA и NASCAR, став единственным обладателем «тройной короны» в истории дрэг-рейсинга. [11] Результаты динамометрического стенда того дня показали, что SOHC Hemi производит почти 700 л.с. (522 кВт) в ящике (100 л.с. на литр). [12] Верхние распредвалы означали, что он не был так ограничен по оборотам, как Chrysler Hemis с их толкателями и тяжелыми и сложными клапанными механизмами. [13]
Более поздние конструкции двигателей Ford с полусферическими камерами включали Calliope , в которой использовались два кулачка в блоке, расположенные один над другим, для привода трех клапанов на полусферическую камеру. [14] Толкатели, приводящие в действие клапаны верхнего распределительного вала, располагались почти горизонтально. В 1968 году Ford представил совершенно новое семейство двигателей под названием 385-й серии . В головках этого двигателя использовалась модифицированная форма полусферической камеры под названием Semi-Hemi . [15]
В 1970-х годах Форд разработал и выпустил малоблочный двигатель с полусферическими головками, чтобы решить растущую озабоченность по поводу экономии топлива. К сожалению, даже с опережающей время системой прямого впрыска топлива, питающей стратифицированную зарядную камеру, [16] [17] выбросы Hemi не удалось сделать достаточно чистыми для соответствия нормативам. Это плюс стоимость систем привода клапана, а также стоимость насоса высокого давления, необходимого для подачи топлива непосредственно в камеру, а также системы ременного привода Гилмера, необходимого для привода насоса, сделали дальнейшую разработку в то время бессмысленной.
В большинстве 4-цилиндровых автомобилей Ford 1980-х годов использовался двигатель Ford CVH , «CVH» означает составной полусферический клапан (камера сгорания). После 1986 года головка блока цилиндров этого двигателя была переработана в камеру сгорания с обедненной смесью в форме сердца и использовалась в маломощных моделях, не использующих многоточечный впрыск топлива - 1,4, 1,6, 1,8 в Европе, хотя в просторечии ее все еще называли ХВХ.
Jaguar использовал эту конструкцию головки, начиная с 1949 года, на легендарных двигателях XK , которые приводили в движение автомобили, от D-Type, победившего в Ле-Мане, до XJ6. [18]
В Lamborghini V12 , спроектированном 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 в некоторых своих двигателях (см. фото справа). Относительно большие клапаны, возможные в такой камере, позволяли большим объемам топливовоздушной смеси быстро входить и выходить из камеры; не всегда полностью сгорает.
Полусферические камеры были особенностью двигателя M102, представленного в 1980 году, что вместе с конструкцией головки с перекрестным потоком способствовало большей эффективности по сравнению с двигателем M115 , который он заменил. [19]
Завод MG в Абингдоне-на-Темзе производил вариант толкателя с двумя распредвалами MGA 1600 MkI линейки MG MGA с 1958 по 1960 год. Оригинальный чугунный блок толкателей объемом 1588 куб.см был увенчан литой алюминиевой двухраспредваловой головкой блока цилиндров, которая включала в себя по одному впускному и выпускному клапану на каждый цилиндр. Эта конфигурация обеспечила перекрестную циркуляцию «полуголовки» внутри камеры сгорания, что позволило улучшить дыхание (объемный КПД), а также использовать увеличенные клапаны и куполообразные поршни. Ранние версии оказались хрупкими на улице и в соревнованиях из-за преждевременного зажигания (детонации) и потери масла, что привело к снижению степени сжатия с 9,1. до 8.3 с переработанными поршнями. Это было успешное обновление, но продажи упали так быстро, что компания остановила производство Twin Cam и использовала подходящее шасси для некоторых MGA с двигателями с толкателем, известных как модели MGA 1600 MkI и MkII DeLuxe.
Компания Mitsubishi произвела несколько полудвигателей, включая агрегаты «Орион» , «Астрон» и «Сатурн» .
В двигателях Nissan Z , VG (только версия SOHC) и VQ используются полусферические камеры сгорания. Z и VG имеют настоящую полусферическую форму, в то время как VQ имеет сложную форму пятискатной крыши.
Компания Porsche широко использовала двигатели с полукруглой головкой , в том числе оппозитный шестицилиндровый двигатель с воздушным охлаждением в моделях Porsche 911 с 1963 по 1999 год. Версия объемом 2,7 л 1973 года развивала 56 л.с. на литр атмосферного поршня . [20]
Семейство двигателей V компании Toyota Motor Corporation представляло собой продольно установленный двигатель V8 . Они использовались с 1960-х по 1990-е годы. Двигатель семейства V использовался в престижном автомобиле Toyota Century . Toyota работала с Yamaha над производством первого японского двигателя с блоками цилиндров из алюминиевого сплава. Семейство V часто называют Toyota HEMI, поскольку двигатель имеет конструкцию головки блока цилиндров, аналогичную той, что используется на Chrysler Hemi, хотя большая часть конструкции двигателя совершенно другая.
Двигатель V 2,6 л впервые использовался в Crown Eight с 1964 по 1967 год как часть линейки Crown второго поколения . После этого Crown Eight была заменена престижной Toyota Century .
Двигатели 3V, 4V и 5V использовались в Toyota Century вплоть до 1997 года, когда она была полностью модернизирована и получила 5,0-литровый 1GZ-FE V12 .
Двигатели серии V, как и некоторые двигатели Toyota Motor Corporation (например, 2T-C , 2M , 4M и т. д.), в то время имели полусферическую камеру сгорания. Свечи зажигания располагались в верхней части камеры сгорания.
В современную эпоху выбросов полукамера начала исчезать из-за продолжающегося развития. Полусферическая камера сгорания – самая простая и легкая конструкция. На протяжении более столетия он служил базовой конструкцией двигателей внутреннего сгорания, на основе которой произошли многие другие усовершенствования и инженерные разработки. [ нужна цитата ] По мере того, как технология создания новых двигателей совершенствовалась и развивалась, настоящая полусферическая камера трансформировалась и превращалась в более сложные и сложные конструкции, которые предназначены для извлечения большей мощности с меньшими выбросами в любом конкретном случае сгорания.
Во многих современных двигателях используются активные камеры сгорания, предназначенные для перемешивания и завихрения топливно-воздушной смеси внутри камеры для максимально эффективного сгорания. [21] Эти активные камеры обычно выглядят как фасоль или две слившиеся небольшие «полушария», окруженные плоскими областями гашения над поршнями. [22]