Полусферическая камера сгорания

Полусферическая камера сгорания — это камера сгорания в головке блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, имеющая куполообразную « полусферическую » форму. Двигатель с полусферической камерой такого типа известен как полудвигатель . На практике обычно используются формы размером меньше полного полушария, а также вариации (или частичная огранка) истинного профиля полушария. Основным преимуществом таких форм являются повышенная степень сжатия (ведущая к большей мощности) и очень большие впускные и выпускные клапаны (обеспечивающие лучший поток впускных и выхлопных газов, что также приводит к повышению объемного КПД и большей мощности); Основными недостатками являются сложные клапанные механизмы (вызванные тем, что клапаны расположены друг напротив друга в головке) и затраты (на 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 верхних распредвалов (включая два верхних распредвала ) изменили традиционные компромиссы при использовании «полуголовок». .

История

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 выемку в головке блока цилиндров соответствующей формы, и верхнюю часть поршня заключающую в себе пространство, приблизительно равное половине сферы ( полу- + -сфера + -ическое ), хотя на практике фактическое закрытое пространство обычно составляет меньше половины сферы. .

Полусферические головки цилиндров используются как минимум с 1901 года; ^[1] они использовались бельгийским автопроизводителем Pipe в 1905 году. ^[2] и при Fiat 130 HP 1907 года. гонщиком Гран- ^[3] Автомобиль Peugeot Гран-при 1912 года и автомобиль Гран-при Alfa Romeo 1914 года имели четырехклапанные двигатели, а Даймлер и Райли 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]

Технология и реализация

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 двойной рокерной системы, либо двойных распределительных валов 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 без необходимости для двух коромысел.

Преимущества и недостатки

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 впускных и выпускных газов 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 . см. в разделе Механизм IOE Другой метод .

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 себестоимость производства и большой относительный вес (по словам он на 25 % тяжелее аналогичной клиновой камеры). инженеров Chrysler, ^[6]). В современную эпоху они вытеснили полукруглую головку из моды, пока в 2003 году компания Chrysler не провела редизайн, который оказался популярным.

SOHC в разрезе, демонстрирующий конструкцию с поперечным потоком,
полусферическая форма камеры,
центральное положение верхнего кулачка
с боковыми опорами для коромысел.

Двигатель Hemi требует запчастей.
большей сложности и количества.
Верхние фотографии двойной рокерной системы
за пару головок Hemi
и его сложная отливка поршня.
Нижние фотографии сопоставимых запчастей для
пара клиновых головок.

Основным недостатком конструкции Hemi является ее большой размер.
размер головки относительно общего размера двигателя.
Распредваленные клапаны, необходимые для перетока напора
требуют более широкого литья, что требует больших моторных отсеков.
Инженеры стремятся уменьшить физический размер двигателей
(при сохранении или увеличении своей мощности).

Использовать

Альфа Ромео

Alfa Romeo на протяжении многих лет производила успешные двигатели с полукруглой головкой. Возможно, одним из их самых любимых примеров является Джузеппе Буссо оригинальный 2,5-литровый двигатель V6 , 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 стандартные выхлопные трубы, не теряя при этом большей части их четкости. и любимый гоночный шум двигателя.

Астон Мартин

Aston Martin В DOHC V8 использовалась полусферическая камера 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 л (5340 куб.см/325 дюймов) ³) производил 315 л.с. (235 кВт) брутто.

BMW

BMW стала всемирной маркой благодаря своему отзывчивому, но надежному рядному 4- цилиндровому двигателю SOHC SOHC, который наиболее известен с рабочим объемом 2 л (122 куб. Дюймов) на спортивном седане 2002 года выпуска 1960-х и 1970-х годов.

Крайслер

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: двигатель Chrysler FirePower в 1950-х годах; 426 Hemi ), разработанный для NASCAR в 1964 году и производившийся до начала 1970-х годов; и «новый HEMI» с 2003 по 2024 год. В самой последней версии двигателя Chrysler «Hemi» в форме головки используется часть сплюснутого сфероида (сплющенная сфера), чтобы улучшить эффективность сгорания по сравнению с настоящей полусферической головкой. ^[8]

Форд

В 1964 году Ford произвел одиночный верхний распредвал объемом 425 куб.см на базе Hemi V8 на базе FE, известный как «427 SOHC «Cammer» ». Разработанный за 90 дней интенсивных инженерных усилий для использования в гонках, ^[9] он никогда не появлялся в серийных автомобилях Ford, а продавался как дополнительный двигатель на прилавках запчастей Ford. ^[10] Результаты динамометрического стенда показывают, что SOHC Hemi выдавал почти 700 л.с. (522 кВт) в ящике (100 л.с. на литр). ^[11]^{[ сомнительно – обсудить ]} В нем использовался блок двигателя с боковой масленкой, модифицированный для замены кулачка в блоке на натяжной вал, приводящий в движение распределитель и масляный насос, а также для устранения других проблем с верхним распределительным валом. ^[9] Верхние распредвалы означали, что он не был так ограничен по оборотам, как Chrysler Hemis 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, ему запретили участвовать в гонках NASCAR, хотя это разрешено в некоторых классах дрэг-рейсинга. ^{[ сомнительно – обсудить ]}

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. ^[13] Толкатели привода клапанов верхнего распредвала располагались почти горизонтально. В 1968 году Ford представил совершенно новое семейство двигателей 385-й серии , в котором использовался модифицированный двигатель Semi-Hemi. ^{[ объяснить ]} Форма полусферической камеры. ^[14]

В 1970-х годах Форд разработал и выпустил малоблочный двигатель «Виндзор». ^{[ который? ]} с полусферическими головками ^{[ нужна ссылка ]} для решения растущей озабоченности по поводу экономии топлива. К сожалению, даже с опережающей время системой непосредственного впрыска топлива , питающей послойную зарядную камеру, ^[15]^[16] Выбросы Hemi невозможно было сделать достаточно чистыми, чтобы соответствовать нормам. Это, а также 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 моделях с низкой производительностью, не использующих многоточечный впрыск топлива - 1,4, 1,6, 1,8 в Европе, хотя в просторечии ее все еще называли ХВХ.

Ягуар

с полукруглой головкой Двигатель Jaguar XK , представленный в 1949 году, устанавливался на автомобили, начиная от победившего в Ле-Мане D-Type и кончая XJ6 . ^[17]

Ламборджини

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

Лэнс

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

Лотос

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

Mercedes Benz

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. ^[18]

МГ

MGA Twin-Cam был вариантом толкателя MGA 1600 MkI MG MGA, выпускавшегося с 1958 по 1960 год. Оригинальный чугунный блок толкателя объемом 1588 куб.см был оснащен литой алюминиевой двухклапанной головкой блока цилиндров с двумя распредвалами. Ранние версии оказались хрупкими на улице и на 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.

Мицубиси

Mitsubishi произвела несколько полудвигателей, включая агрегаты «Орион» , «Астрон» и «Сатурн» .

Ниссан

В двигателях Nissan Z , VG (только версия SOHC) и DOHC VQ используются полусферические камеры сгорания. Z и VG имеют настоящую полусферическую форму, в то время как VQ имеет сложную форму пятискатной крыши.

Порше

Компания Porsche широко использовала двигатели с полукруглой головкой с воздушным охлаждением , в том числе оппозитный шестицилиндровый двигатель в моделях Porsche 911 с 1963 по 1999 год. Версия объемом 2,7 л 1973 года развивала 56 л.с. на литр атмосферного поршня . ^[19]

Тойота

Toyota V Семейство двигателей представляло собой продольно установленные двигатели V8, которые использовались в престижной Toyota Century с 1960-х по 1990-е годы. 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.

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

Эволюция конструкции современных двигателей

В современную эпоху выбросов полукамера превратилась в более сложные и сложные конструкции, которые способны извлекать больше энергии 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. ^[20] Эти камеры обычно выглядят как фасоль или две слившиеся небольшие «полушария», окруженные плоскими областями закалки над поршнями. ^[21]

Ссылки

^ «Прототип ХЕМИ» . Curtis Boat & Woodworking Co. Проверено 14 марта 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Происхождение двигателя Mopar Hemi, автомобилей Ardun Heads и Riley» . Форумы Allpar . 16 ноября 2020 г. . Проверено 14 марта 2022 г.
^ «Фиат 130 л.с.» . ddavid.com . Архивировано из оригинала 27 октября 2012 года . Проверено 28 октября 2012 г.
^ Катцелл, Раймонд А. (1996). Великолепный Штутц . Клуб Штутц. ISBN 0-9654709-0-3 .
^ «Миллер 91» . ddavid.com . Архивировано из оригинала 22 января 2008 г. Проверено 8 января 2008 г.
^ Мюллер, Майк (2006). Американские лошадиные силы: 100 лет отличным автомобильным двигателям . Издательство МБИ. стр. 112, 113. ISBN. 978-0-7603-2327-4 .
^ Эво . Август 2011 г. стр. 77.
^ «Плюсы и минусы двигателя Hemi» . Motortrend.com . 28 апреля 2020 г. Проверено 10 июня 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б «63 Галакси Легкая» . Журнал «Мустанги и Форды» . Август 2005 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2006 г.
^ «427 SOHC — Мастерская по производству двигателей Ford V-8» . phystutor.tripod.com . Проверено 14 марта 2022 г.
^ Фламманг, Джеймс М., изд. (2005). Хроники маслкаров . Публикации Интернешнл. стр. 168. ИСБН 9781412712019 .
^ Генат, Роберт (2007). Hemi: лучший американский V-8 . Издательство МБИ. п. 14. ISBN 978-0-7603-2747-0 .
^ «Автомобильный двигатель Ford «Каллиопа» V-8, 1968 год» . Генри Форд . Проверено 23 октября 2019 г.
^ Фламманг, Джеймс М., изд. (2005). Хроники маслкаров . Публикации Интернешнл. стр. 214. ИСБН 9781412712019 .
^ «Тотальная революция Детройта» , Time , 19 марта 1979 г.
^ "Достигнет ли наконец непосредственный впрыск бензина?" , Чаба Чере , Автомобиль и водитель , июнь 2004 г.
^ «История Jaguar DOHC» . ДжагВеб. Архивировано из оригинала 6 февраля 2008 года . Проверено 14 марта 2022 г.
^ Лонг, Брайан (2015). Серия Mercedes-Benz W123: все модели с 1976 по 1986 годы . Издательство Велос. п. 114. ИСБН 978-1-8458-4792-0 .
^ «Технические характеристики Porsche 911» . Квартира-6. Архивировано из оригинала 24 мая 2024 г. Проверено 30 июня 2010 г.
^ Генат, Роберт (2007). Hemi: лучший американский V-8 . Издательство МБИ. п. 13. ISBN 978-0-7603-2747-0 .
^ «Угасить падение и вихрь» . Дэвид и Джемма. Архивировано из оригинала 5 мая 2010 года . Проверено 30 июня 2010 г.

[1] «Прототип ХЕМИ» . Curtis Boat & Woodworking Co. Проверено 14 марта 2022 г.

[Allpar-2] Jump up to: ^а ^б ^с «Происхождение двигателя Mopar Hemi, автомобилей Ardun Heads и Riley» . Форумы Allpar . 16 ноября 2020 г. . Проверено 14 марта 2022 г.

[3] «Фиат 130 л.с.» . ddavid.com . Архивировано из оригинала 27 октября 2012 года . Проверено 28 октября 2012 г.

[4] Катцелл, Раймонд А. (1996). Великолепный Штутц . Клуб Штутц. ISBN 0-9654709-0-3 .

[ddavid.com-5] «Миллер 91» . ddavid.com . Архивировано из оригинала 22 января 2008 г. Проверено 8 января 2008 г.

[6] Мюллер, Майк (2006). Американские лошадиные силы: 100 лет отличным автомобильным двигателям . Издательство МБИ. стр. 112, 113. ISBN. 978-0-7603-2327-4 .

[7] Эво . Август 2011 г. стр. 77.

[8] «Плюсы и минусы двигателя Hemi» . Motortrend.com . 28 апреля 2020 г. Проверено 10 июня 2024 г.

[63galaxie-9] Jump up to: ^а ^б «63 Галакси Легкая» . Журнал «Мустанги и Форды» . Август 2005 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2006 г.

[10] «427 SOHC — Мастерская по производству двигателей Ford V-8» . phystutor.tripod.com . Проверено 14 марта 2022 г.

[11] Фламманг, Джеймс М., изд. (2005). Хроники маслкаров . Публикации Интернешнл. стр. 168. ИСБН 9781412712019 .

[12] Генат, Роберт (2007). Hemi: лучший американский V-8 . Издательство МБИ. п. 14. ISBN 978-0-7603-2747-0 .

[13] «Автомобильный двигатель Ford «Каллиопа» V-8, 1968 год» . Генри Форд . Проверено 23 октября 2019 г.

[14] Фламманг, Джеймс М., изд. (2005). Хроники маслкаров . Публикации Интернешнл. стр. 214. ИСБН 9781412712019 .

[15] «Тотальная революция Детройта» , Time , 19 марта 1979 г.

[16] "Достигнет ли наконец непосредственный впрыск бензина?" , Чаба Чере , Автомобиль и водитель , июнь 2004 г.

[17] «История Jaguar DOHC» . ДжагВеб. Архивировано из оригинала 6 февраля 2008 года . Проверено 14 марта 2022 г.

[18] Лонг, Брайан (2015). Серия Mercedes-Benz W123: все модели с 1976 по 1986 годы . Издательство Велос. п. 114. ИСБН 978-1-8458-4792-0 .

[19] «Технические характеристики Porsche 911» . Квартира-6. Архивировано из оригинала 24 мая 2024 г. Проверено 30 июня 2010 г.

[20] Генат, Роберт (2007). Hemi: лучший американский V-8 . Издательство МБИ. п. 13. ISBN 978-0-7603-2747-0 .

[21] «Угасить падение и вихрь» . Дэвид и Джемма. Архивировано из оригинала 5 мая 2010 года . Проверено 30 июня 2010 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]