Полусферическая камера сгорания: история и применение

Введение

Камера сгорания с куполообразной головкой цилиндра

Полусферическая камера сгорания – это тип камеры сгорания в поршневом двигателе внутреннего сгорания с куполообразной головкой цилиндра, форма которой приблизительно соответствует полусфере (в реальности обычно представляет собой сферический сегмент). Двигатель, оснащенный таким типом полусферической камеры, известен как двигатель типа "hemi".

История

Полусферные камеры сгорания были применены в одних из самых первых автомобильных двигателей вскоре после демонстрации работоспособности двигателя внутреннего сгорания. Их название отражает куполообразную головку блока цилиндров и верхнюю часть поршня, образующих пространство, близкое к половине сферы (геми + сфера + ический), хотя на практике объем этого пространства обычно меньше половины. Полусферные головки цилиндров используются как минимум с 1901 года; их применяла бельгийская компания Pipe в 1905 году, а также гоночный автомобиль Fiat 130 HP Grand Prix 1907 года. Гоночные автомобили Peugeot Grand Prix 1912 года и Alfa Romeo Grand Prix 1914 года были оснащены четырехклапанными двигателями, а компании Daimler и Riley также использовали полусферные камеры сгорания в то время. Начиная с 1912 года, Stutz использовала четырехклапанные двигатели, предвосхитив концептуально современные автомобильные двигатели. Среди других примеров – конструкция BMW с двойным толкателем (принятая Bristol Cars), Peugeot 403, двигатели Toyota T и Toyota V (первый V-образный двигатель V8 от Toyota), гоночные двигатели Miller и двигатель Jaguar XK.

Альфа Ромео

Alfa Romeo на протяжении многих лет выпускала успешные двигатели с полусферической камерой сгорания. Пожалуй, одним из самых любимых примеров является оригинальный 2,5-литровый V6 Джузеппе Буссо, который некоторые считают одним из лучших и наиболее узнаваемых по звучанию серийных двигателей (даже в его поздних 24-клапанных версиях) за всю историю. Эта высокая оценка, вероятно, связана с тем, что полусферические головки блока оригинального двухклапанного двигателя обеспечивали практически прямой выпускной канал, что приводило к более чистому и четкому звучанию, позволяя Alfa Romeo использовать менее шумные стандартные выхлопные системы, не теряя при этом характерного и любимого рычащего звука, унаследованного от гоночных двигателей.

Астон Мартин

Знаменитый DOHC (4 распредвала) V8 от Aston Martin использовал полусферическую камеру с конца 1960-х до конца 1980-х годов. Каждый распредвал управлял одним набором клапанов – либо рядом впускных клапанов, либо рядом выпускных клапанов. Aston Martin V8 объемом 5.3 л (5340 куб. см / 325 куб. дюймов) выдавал.

Крайслер

Возможно, корпорация Chrysler – самый известный сторонник полусферической камеры сгорания. Chrysler прославилась прежде всего благодаря регистрации товарного знака "Hemi" и его активному использованию в рекламных кампаниях, начиная с 1960-х годов. Chrysler выпустила три поколения таких двигателей: первый (двигатель Chrysler FirePower) – в 1950-х годах, второй (426 Hemi), разработанный для NASCAR в 1964 году и производившийся до начала 1970-х, и, наконец, "новый HEMI" в начале 2000-х годов.

Форд

Головы Ардуна для двигателя Ford с плоской головкой блока цилиндров, возможно, стали первым применением полусферической головки на доступном американском V8. Впервые предложенные в 1947 году как продукт для вторичного рынка, эти головки преобразовывали Ford с плоской головкой в двигатель с верхними клапанами, работающими в полусферической камере сгорания. Зора Аркус-Дантов, впоследствии работавший в GM и сыгравший ключевую роль в разработке Chevrolet Corvette, и его брат Юра, были "AR" и "DUN" в названии "Ardun". В середине 1960-х годов Ford создал двигатель с двумя верхними распредвалами (по одному на головку) и полусферическими камерами сгорания. Этот двигатель объемом 425 кубических дюймов, относящийся к семейству Ford FE, был известен как "427 SOHC"; его также называли Cammer. Он представлял собой комплект полусферических голов SOHC, которые крепились к блоку двигателя Ford FE. Двигатель 1964 года был разработан за 90 дней напряженной инженерной работы для использования в гонках. 427 SOHC использовал блок двигателя с боковой подачей масла, слегка модифицированный для решения проблем, связанных с отсутствием распредвала в блоке и другими особенностями конструкции OHC. Он применялся для привода множества модифицированных Mustang A/FX с измененной колесной базой и наддувных дрэгстеров Top Fuel. Конни Калитта, Пит Робинсон и "Змея" Прудхоум использовали этот двигатель в своих гоночных болидах Top Fuel. В 1967 году "Bounty Hunter" Конни Калитты с двигателем SOHC выиграл соревнования Top Fuel на зимних встречах AHRA, NHRA и NASCAR, став единственным обладателем "тройной короны" в истории дрэг-рейсинга. Динамометрические испытания того времени показали, что SOHC Hemi развивал почти 700 л.с. (522 кВт) в стандартной комплектации (100 л.с. на литр). Верхние распредвалы позволяли двигателю работать на более высоких оборотах, чем Chrysler Hemis с их толкателями и тяжелыми, сложными системами привода клапанов. Более поздние конструкции двигателей Ford с полусферическими камерами включали Calliope, который использовал два распредвала в блоке, расположенных один над другим, для привода 3 клапанов на каждую полусферическую камеру. Штанги толкателей, приводящие клапаны от верхнего распредвала, были почти горизонтальными. В 1968 году Ford представил совершенно новое семейство двигателей под названием серия 385. Головки этого двигателя использовали модифицированную форму полусферической камеры, называемую Semi Hemi. В 1970-х годах Ford разработал и выпустил малолитражный двигатель с полусферическими головками, чтобы решить растущие проблемы с экономией топлива. К сожалению, даже с опережающей свое время системой непосредственного впрыска топлива, подающей расслоенную топливовоздушную смесь, выбросы Hemi не удавалось снизить до уровня, соответствующего требованиям экологических норм. Это, наряду со стоимостью систем привода клапанов, стоимостью насоса высокого давления, необходимого для подачи топлива непосредственно в камеру, а также системой привода ремнем Gilmer для привода насоса, делали дальнейшую разработку бессмысленной в то время. Большинство 4-цилиндровых двигателей Ford 1980-х годов использовали двигатель Ford CVH, где "CVH" означало Compound Valve, Hemispherical (камера сгорания). После 1986 года головка цилиндров этого двигателя была переработана в камеру сгорания в форме сердца и использовалась в моделях с низкой производительностью, не оснащенных многоточечным впрыском топлива – 1.4, 1.6 и 1.8 в Европе, хотя в разговорной речи она по-прежнему называлась CVH.

Ardun heads for the Ford flathead were perhaps the first use of a hemispherical head on a readily available American V8. First offered in 1947 as an aftermarket product, these heads converted the Ford flathead to overhead valves operating in a hemispherical chamber. Zora Arkus Duntov, who later worked for GM and was a major force behind the development of the Chevrolet Corvette, and his brother Yura, were the "AR" "DUN" of "Ardun". Ford produced an engine with two overhead cams (one cam per head) and hemispherical chambers in the mid 1960s. The engine, displacing 425 cubic inches and belonging to the FE family of Ford engines, was known as the "427 SOHC"; it was also known as the Cammer. It was a set of SOHC hemi heads that bolted onto Ford's FE engine block. The 1964 engine was designed in 90 days of intensive engineering effort for use in racing. The 427 SOHC used the side oiler engine block modified slightly to deal with the missing in block cam among other OHC issues. who used it to power many altered wheelbase A/FX Mustangs and supercharged Top Fuel dragsters. Connie Kalitta, Pete Robinson, and "Snake" Prudhomme all used the engine in their Top Fuel racers. In 1967 Connie Kalitta's SOHC powered "Bounty Hunter" won Top Fuel honors at AHRA, NHRA and NASCAR winter meets, becoming the only "triple crown" winner in drag racing history. Dynamometer results of the day showed the SOHC Hemi producing almost 700 hp (522 kW) in crate form (100 hp per liter). The overhead cams meant that it was not as rpm limited as the Chrysler Hemis were with their pushrods and heavy and complex valvetrains. Later Ford engine designs with hemispherical chambers included the Calliope, which used two in block cams, arranged one over the other, to drive 3 valves per hemispherical chamber. The pushrods activating the valves from the top camshaft were almost horizontal. In 1968, Ford brought out a completely new engine family called the 385 series. This engine's heads used a modified form of the hemispherical chamber called Semi Hemi. In the 1970s, Ford designed and produced a small block engine with hemispherical heads to address the growing concerns about fuel economy. Unfortunately, even with an ahead of its time direct fuel injection system feeding a stratified charge chamber, the hemi's emissions could not be made clean enough for compliance with regulations. This plus the cost of the valve actuation systems, along with the cost of the high pressure pump needed to deliver fuel directly into the chamber, as well as the gilmer belt drive system needed to drive the pump, made further development pointless at the time. Most 1980s 4 cylinder Fords used the Ford CVH engine, "CVH" meaning Compound Valve, Hemispherical (combustion chamber). Post 1986 the cylinder head of this engine was reworked to heart shaped lean burn combustion chambers, and used in low performance models not benefiting from multipoint fuel injection 1.4, 1.6, 1.8 in Europe, though was still referred to colloquially as the CVH.

Ягуар

Jaguar использовал эту конструкцию головки блока цилиндров, начиная с 1949 года, на легендарных двигателях XK, которые оснащали автомобили – от побеждавшего в Ле-Мане D-Type до XJ6.

Ламборгини

Lamborghini V12, разработанный в 1963 году и производившийся более 50 лет, использовал полусферические камеры сгорания.

Лансия

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

Лотос

Lotus использовал полусферические камеры сгорания в некоторых своих двигателях (см. фото справа). Относительно большие клапаны, которые можно было использовать в такой камере, позволяли большим объемам воздушно-топливной смеси быстро поступать в камеру и выходить из нее; при этом не всегда происходило полное сгорание.

Мерседес Бенц

Полусферические камеры сгорания были отличительной чертой двигателя M102, представленного в 1980 году, который, в сочетании с конструкцией головки блока цилиндров с поперечным потоком, обеспечивал более высокую эффективность по сравнению с двигателем M115, который он сменил.

МГ

Завод MG в Абингдоне на Темзе выпускал версию Twin Cam модели MGA 1600 MkI из линейки MG MGA с 1958 по 1960 год. Оригинальный блок цилиндров из чугуна объемом 1588 куб. см был оснащен литой алюминиевой головкой блока цилиндров с двумя распредвалами, включающей по одному впускному и выпускному клапану на цилиндр. Эта конструкция обеспечивала поперечный поток ("hemi head") в камере сгорания, что улучшало наполнение цилиндров (объемную эффективность), а также позволяло использовать увеличенные клапаны и поршни с выпуклой головкой. Ранние версии оказались недостаточно надежными в повседневной эксплуатации и в соревнованиях из-за детонации и потерь масла, что привело к снижению степени сжатия с 9,1 до 8,3 за счет перепроектированных поршней. Это было удачное обновление, но продажи упали настолько быстро, что компания прекратила производство Twin Cam и стала использовать те же шасси для MGAs с обычными двигателями (с толкателями), известные как модели MGA 1600 MkI и MkII DeLuxe.

Мицубиси

Mitsubishi выпустила несколько двигателей с полусферической камерой сгорания, включая модели "Orion", "Astron" и "Saturn".

Ниссан

Двигатели Nissan Z, VG (только версия SOHC) и VQ используют полусферические камеры сгорания. Z и VG имеют настоящую полусферическую форму, а VQ – комбинированную форму с плоской крышей.

Порше

Porsche широко использовал двигатели с полусферической камерой сгорания, включая оппозитный 6-цилиндровый двигатель с воздушным охлаждением в моделях Porsche 911 с 1963 по 1999 год. Версия 1973 года объемом 2,7 л развивала 56 л.с. на литр рабочего объема при атмосферном впуске.

Тойота

Семейство двигателей V от Toyota Motor Corporation представляло собой конструкцию двигателя V8 с продольным расположением. Они использовались с 1960-х по 1990-е годы. Двигатель семейства V применялся в престижной Toyota Century. Компания Toyota сотрудничала с Yamaha для создания первого в Японии двигателя с блоком цилиндров из алюминиевого сплава. Семейство V часто называют Toyota HEMI, так как конструкция головки блока цилиндров схожа с конструкцией двигателей Hemi от Chrysler, хотя в остальном конструкция двигателя существенно отличается. Двигатель V объемом 2.6 л впервые был установлен на Crown Eight с 1964 по 1967 год в рамках второго поколения Crown. Впоследствии Crown Eight была заменена на более роскошную Toyota Century. Двигатели 3V, 4V и 5V использовались в Toyota Century до 1997 года, когда автомобиль претерпел полную модернизацию и получил 5.0-литровый двигатель 1GZ-FE V12. Двигатели серии V, как и некоторые другие двигатели Toyota Motor Corporation того времени (например, 2T-C, 2M, 4M и т.д.), имели полусферическую камеру сгорания. Свечи зажигания располагались в верхней части камеры сгорания.

Эволюция конструкции в современных двигателях

В современную эпоху ужесточения норм выбросов гемисферическая камера постепенно уходит из активной разработки. Полусферическая камера сгорания – это самая простая и легкая в реализации конструкция. Более века она служила базовой для двигателей внутреннего сгорания, основой для множества последующих усовершенствований и инженерных разработок. С развитием технологий в новых двигателях, классическая гемисферическая камера трансформировалась в более сложные и изощренные конструкции, призванные извлекать больше мощности при снижении выбросов от каждого цикла сгорания. Многие современные двигатели используют активные камеры сгорания, предназначенные для создания турбулентности и завихрения топливно-воздушной смеси внутри камеры для достижения максимально эффективного сгорания. Эти активные камеры часто имеют форму фасоли или двух соединенных небольших полусферических областей, окруженных плоскими зонами гашения над поршнями.