Halbkugelförmige Brennkammer - Hemispherical combustion chamber
Eine halbkugelförmige Brennkammer ist eine Art Brennkammer in einer Hubkolben- Brennkraftmaschine mit einem gewölbten Zylinderkopf in ungefährer Form einer Halbkugel . Ein Motor mit dieser Art von halbkugelförmiger Kammer wird als Hemi-Motor bezeichnet .
Geschichte
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Halbkugelförmige Brennkammern wurden bei einigen der frühesten Automobilmotoren eingeführt, kurz nachdem die Lebensfähigkeit des Verbrennungsmotors erstmals demonstriert wurde. Ihr Name spiegelt den gewölbten Zylinderkopf und die Oberseite des Kolbens wider, die einen Raum umschließen, der ungefähr einer halben Kugel entspricht ( hemi- + -sphere + -ical ), obwohl der tatsächlich umschlossene Raum in der Praxis im Allgemeinen weniger als die Hälfte beträgt.
Halbkugelförmige Zylinderköpfe werden mindestens seit 1901 verwendet; sie wurden 1905 vom belgischen Autohersteller Pipe und 1907 vom Fiat 130 PS Grand Prix- Rennwagen verwendet . Der Peugeot Grand-Prix-Wagen von 1912 und der Alfa Romeo-Grand-Prix- Wagen von 1914 waren beides Vierventilmotoren, und Daimler und Riley verwendeten damals ebenfalls halbkugelförmige Brennkammern. Ab 1912 verwendete Stutz Vierventilmotoren und nahm konzeptionell moderne Automotoren vorweg. Andere Beispiele sind das BMW- Doppelstoßstangen-Design (von Bristol Cars übernommen ), der Peugeot 403 , der Toyota T-Motor und der Toyota V-Motor (Toyotas erster V8-Motor), Miller -Rennmotoren und der Jaguar XK-Motor .
Technik und Umsetzung
Ein halbkugelförmiger Kopf ("Halbkopf") ergibt eine effiziente Brennkammer mit minimalem Wärmeverlust an den Kopf und ermöglicht zwei große Ventile . Ein Halbkopf lässt jedoch normalerweise nicht mehr als zwei Ventile pro Zylinder zu, da es schwierig ist, den Ventiltrieb für vier Ventile in divergierenden Winkeln anzuordnen, und diese großen Ventile sind notwendigerweise schwerer als die in einem Mehrventilmotor mit ähnlicher Ventilfläche , sowie im Allgemeinen mehr Ventilhub erfordern. Die Einlass- und Auslassventile liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Kammer und erfordern eine „ Querstrom “-Kopfkonstruktion. Da die Brennkammer praktisch eine Halbkugel ist, ergibt ein Kolben mit abgeflachter Spitze ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis, wenn keine kleinere Kammer verwendet wird.
Wesentliche Herausforderungen bei der Kommerzialisierung von Motoren, die halbkugelförmige Kammern verwenden, drehten sich um die Gestaltung der Ventilbetätigung und wie man sie zu akzeptablen Kosten effektiv, effizient und zuverlässig macht. Auf diese Komplexität wurde schon früh bei Chryslers Entwicklung des Halbmotors aus den 1950er Jahren Bezug genommen: Der Kopf wurde in der Firmenwerbung als Double Rocker Head bezeichnet.
Vorteile und Nachteile
Obwohl eine Keilkopfkonstruktion eine vereinfachte Ventilbetätigung bietet, geschieht dies normalerweise durch die Anordnung der Ventile nebeneinander in der Kammer mit parallelen Spindelachsen. Dies kann die Strömung des Einlasses und des Auslasses in die und aus der Kammer begrenzen, indem die Durchmesser der Ventilköpfe auf insgesamt nicht mehr als die Bohrung des Zylinders in einer Anordnung mit zwei Ventilen pro Zylinder begrenzt werden. Bei einer halbkugelförmigen Kammer mit gespreiztem Ventilschaftwinkel wird diese Begrenzung um den Winkel erhöht, wodurch es möglich ist, dass der Gesamtdurchmesser des Ventils die Bohrungsgröße innerhalb einer obenliegenden Ventilkonfiguration überschreitet . Siehe IOE-Engine für eine andere Methode.
Außerdem bewirkt der gespreizte Ventilwinkel, dass die Ventilsitzebene geneigt wird, was einen geraderen Strömungsweg für den Einlass und Auslass zu/von der aus dem Zylinderkopf austretenden Öffnung ergibt. Ingenieure haben gelernt, dass eine Vergrößerung der Ventilgröße mit einem geraderen Anschluss zwar für die Erhöhung der maximalen Leistung bei hohen Drehzahlen von Vorteil ist, jedoch die Einlassströmungsgeschwindigkeit verlangsamt und nicht das beste Verbrennungsereignis für Emissionen, Effizienz oder Leistung im normalen Drehzahlbereich bietet.
Gewölbte Kolben werden üblicherweise verwendet, um ein höheres mechanisches Verdichtungsverhältnis aufrechtzuerhalten, was dazu neigt, die Flammenausbreitungsstrecke zu vergrößern, was auch für eine effiziente Verbrennung schädlich ist, es sei denn, die Anzahl der Zündkerzen pro Zylinder wird erhöht.
Die Flammentemperaturen sind sehr hoch, was zu einem übermäßigen NOx-Ausstoß führt, der eine Abgasrückführung und andere Maßnahmen zur Emissionsbegrenzung erforderlich machen kann, um moderne Standards zu erfüllen. Andere Nachteile der halbkugelförmigen Kammer sind erhöhte Produktionskosten und ein hohes relatives Gewicht (25 % schwerer als ein vergleichbarer Keilkopf laut Chrysler -Ingenieuren). Diese hatten den Hemi-Kopf in der Neuzeit in Ungnade gedrängt, bis Chryslers 2003-Redesign, das sich als beliebt erwiesen hat.
 SOHC Cutaway mit Cross-Flow-Design, |
 Der Hemi-Motor erfordert Teile |
 Ein großer Nachteil des Hemi-Designs ist hier offensichtlich – |
Verwenden
Alfa Romeo
Alfa Romeo hat im Laufe der Jahre erfolgreiche Halbkopfmotoren hergestellt. Eines ihrer beliebtesten Beispiele ist wohl Giuseppe Bussos originaler 2,5-Liter-V6 , der von einigen als einer der am besten und charakteristischsten klingenden Serienmotoren (selbst in seinen letzten 24V-Formen) aller Zeiten bezeichnet wurde. Ein Teil dieses Lobes ist wahrscheinlich, weil die halbkugelförmigen Köpfe des ursprünglichen 2-Ventil-Motors einen fast vollständig geraden Auspuff ermöglichten, was zu einem weniger verdünnten oder schlammigen Motorsound führte, sodass Alfa Romeo leisere Serienauspuffe verwenden konnte, ohne viel von ihrer Besonderheit zu verlieren und geliebtes Rennmotorgeräusch.
Aston Martin
Aston Martins berühmter DOHC (4 Nocken) V8 verwendete während der späten 1960er bis Ende der 1980er Jahre eine halbkugelförmige Kammer. Jeder Nocken steuerte einen Ventilsatz, entweder eine Reihe von Einlassventilen oder eine Reihe von Auslassventilen. Der Aston Martin V8 5,3 L (5340 ccm/325 in 3 ) produzierte 315 PS (235 kW).
Chrysler
Der vielleicht bekannteste Befürworter des halbkugelförmigen Kammerdesigns ist die Chrysler Corporation . Chrysler wurde in erster Linie dadurch identifiziert, dass er den Namen "Hemi" als Warenzeichen einsetzte und ihn dann ab den 1960er Jahren ausgiebig in seinen Werbekampagnen verwendete. Chrysler hat drei Generationen solcher Motoren produziert: die erste (den Chrysler FirePower-Motor ) in den 1950er Jahren, die zweite (den 426 Hemi ), die 1964 für NASCAR entwickelt und bis in die frühen 1970er Jahre produziert wurde, und schließlich den "neuen HEMI" in den Anfang der 2000er Jahre. Derzeit produziert Chrysler 5 Variationen des Hemi-Motors: einen 5,7 L, der je nach Konfiguration zwischen 360 und 395 PS und 390-407 lb*ft (529-552 N*m) Drehmoment leistet, einen 6,4 L (auch bekannt) wie der 392 Kubikzoll), der 485 PS und 475 lb⋅ft (644 Nm) Drehmoment macht, ein 6,1 L, der 425 PS und 425 lb⋅ft (576 Nm) Drehmoment macht, ein aufgeladener 6,2 L ( allgemein bekannt als Hellcat), der 707 PS und 650 lb⋅ft (881 Nm) Drehmoment leistet, und zuletzt ein weiterer 6,2 Liter Kompressor, der 797-840 PS und 707-770 lb*ft (958-1043 N*) leistet. m) Drehmoment, mit der 797 PS/707 lb*ft Version im Hellcat Redeye und der 840 PS/770 lb*ft Version im Demon.
Chrysler brachte in Australien auch einen Hemi 6 mit einer nicht vollen halbkugelförmigen Kammer auf den Markt, aber der Spitzenmotor der Linie 4,3 L, 265 Kubikzoll leistete 302 PS (225 kW). Sie kamen als 215 120 PS 245 160 PS 265 (std) 203 PS heraus.
Ford
Ardun-Köpfe für den Ford-Flathead waren vielleicht die erste Verwendung eines halbkugelförmigen Kopfes an einem leicht verfügbaren amerikanischen V8 . Diese Köpfe wurden erstmals 1947 als Aftermarket-Produkt angeboten und verwandelten den Ford-Flachkopf in hängende Ventile, die in einer halbkugelförmigen Kammer betrieben wurden. Zora Ar kus- Dun tov, der später für GM gearbeitet und war eine treibende Kraft hinter der Entwicklung des Chevrolet Corvette , und sein Bruder Yura, waren die „AR“ „DUN“ von „Ardun.“
Mitte der 1960er Jahre produzierte Ford einen Motor mit zwei obenliegenden Nocken (eine Nocke pro Kopf) und halbkugelförmigen Kammern. Der Motor, der 425 Kubikzoll verdrängte und zur FE- Familie von Ford- Motoren gehörte, war als "427 SOHC " bekannt; es war auch als Cammer bekannt . Es war ein Satz SOHC-Halbköpfe, die an Fords FE -Motorblock geschraubt wurden . Der Motor von 1964 wurde in 90 Tagen intensiver Entwicklungsarbeit für den Einsatz im Rennsport entwickelt. Der 427 SOHC verwendete den seitlichen Öler-Motorblock, der leicht modifiziert wurde, um neben anderen OHC- Problemen mit der fehlenden In-Block-Nockenwelle umzugehen . Aufgrund ihrer Leistungsstärke und der Tatsache, dass Chrysler Bill France gezeigt hatte, dass ein DOHC 426 Hemi in Arbeit war, wurde er von NASCAR- Rennen verboten , obwohl er in bestimmten Drag-Racing-Klassen zugelassen war. Nach dem NASCAR-Verbot produzierte Ford weiterhin den SOHC und verkaufte ihn rezeptfrei an Rennfahrer und andere, die damit viele A / FX-Mustangs mit geändertem Radstand und Top-Fuel- Dragster mit Kompressor antreiben. Connie Kalitta , Pete Robinson und "Snake" Prudhomme verwendeten alle den Motor in ihren Top Fuel-Rennwagen. 1967 gewann Connie Kalittas SOHC-betriebener "Bounty Hunter" bei den Wintertreffen der AHRA, NHRA und NASCAR die Top Fuel-Auszeichnungen und wurde der einzige "Triple Crown"-Gewinner in der Geschichte des Drag Racing. Die Ergebnisse des Tages zeigten, dass der SOHC Hemi fast 700 PS (522 kW) in Kistenform (100 PS pro Liter) leistete. Die obenliegenden Nocken bedeuteten, dass es nicht so drehzahlbegrenzt war wie die Chrysler Hemis mit ihren Stößelstangen und schweren und komplexen Ventiltrieben.
Spätere Ford-Motorkonstruktionen mit halbkugelförmigen Kammern umfassten den Calliope , der zwei übereinander angeordnete Nocken im Block verwendet, um 3 Ventile pro halbkugelförmige Kammer anzutreiben. Die Stößelstangen, die die Ventile von der oberen Nockenwelle ansteuerten, waren fast horizontal. 1968 brachte Ford eine völlig neue Motorenfamilie namens 385-Serie auf den Markt . Die Köpfe dieses Motors verwendeten eine modifizierte Form der halbkugelförmigen Kammer namens Semi-Hemi .
In den 1970er Jahren entwarf und produzierte Ford einen Small-Block- Motor mit halbkugelförmigen Köpfen, um den wachsenden Bedenken hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs Rechnung zu tragen. Leider konnten die Emissionen des Hemi selbst mit einer der Zeit vorauseilenden Direkteinspritzung , die eine geschichtete Ladungskammer speist , nicht sauber genug gemacht werden, um die Vorschriften einzuhalten. Dies sowie die Kosten für die Ventilbetätigungssysteme, die Kosten für die Hochdruckpumpe, die den Kraftstoff direkt in die Kammer fördert , sowie den Gilmer-Riemenantrieb zum Antrieb der Pumpe machten eine Weiterentwicklung zu dieser Zeit sinnlos. Die meisten 4-Zylinder-Fords der 1980er Jahre verwendeten den Ford CVH-Motor , CVH bedeutet "Compound Valve, Hemispherical (Head)".
Jaguar
Jaguar verwendete dieses Kopfdesign ab 1949 bei den legendären XK-Motoren , die Autos vom Le Mans-Sieger D-Type bis zum XJ6 antreiben.
Lancia
Der Lancia V4-Motor und der Lancia V6-Motor verwendeten beide halbkugelförmige Brennkammern.
Lotus
Lotus hat in einigen seiner Motoren halbkugelförmige Kammern verwendet (siehe Foto rechts). Die relativ großen Ventile, die in einer solchen Kammer möglich sind, ermöglichten, dass große Volumina an Luft-Kraftstoff-Gemisch schnell in die Kammer eintreten und sie verlassen; nicht immer vollständig verbrannt.
Mercedes Benz
Halbkugelförmige Kammern waren ein Merkmal des 1980 eingeführten M102- Motors, der zusammen mit dem Crossflow-Kopfdesign eine höhere Effizienz gegenüber dem M115- Motor förderte, den er ersetzte.
MG
Die MG-Fabrik in Abingdon-On-Thames produzierte von 1958 bis 1960 eine Twin-Cam-Variante der Stößelstange MGA 1600 MkI MG MGA Linie je ein Einlass- und Auslassventil pro Zylinder. Diese Konfiguration ermöglichte eine Querstrom-"Halbkopf"-Zirkulation innerhalb der Brennkammer, die eine verbesserte Atmung (volumetrische Effizienz) sowie die Verwendung von vergrößerten Ventilen und gewölbten Kolben ermöglichte. Frühe Versionen erwiesen sich auf der Straße und im Wettbewerb aufgrund von Frühzündung (Detonation) und Ölverlust als fragil, was zu einer Verringerung des Verdichtungsverhältnisses von 9,1 führte. bis 8.3 mit neu konstruierten Kolben. Es war ein erfolgreiches Update, aber die Verkäufe gingen so schnell zurück, dass das Unternehmen die Twin Cam-Produktion einstellte und das passende Chassis für einige MGAs mit Schubstangenmotoren verwendete, die als MGA 1600 MkI und MkII DeLuxe-Modelle bekannt sind.
Mitsubishi
Mitsubishi produzierte mehrere Hemi-Motoren, darunter die Einheiten "Orion" , "Astron" und "Saturn" .
Nissan
Nissans Z- , VG- (nur SOHC-Version) und VQ- Motoren verwenden halbkugelförmige Brennkammern. Die Z und VG sind echt halbkugelförmig, während die VQ eine zusammengesetzte Pultdachform verwendet.
Porsche
Porsche hat von 1963 bis 1999 in großem Umfang Halbkopfmotoren eingesetzt , darunter den luftgekühlten Sechszylinder- Boxermotor in den Porsche 911- Modellen von 1963 bis 1999. Die 2,7-Liter-Version von 1973 leistete 56 PS pro Liter Hubraum .
Toyota
Toyota Motor Corporation ‚s V - Familie von Motoren waren ein längs eingebaute V8 - Motor - Design. Sie wurden von den 1960er bis in die 1990er Jahre verwendet. Der Motor der V-Familie wurde im prestigeträchtigen Toyota Century verwendet . Toyota hatte mit Yamaha zusammengearbeitet, um den ersten japanischen Vollaluminium-Blockmotor zu produzieren. Die V-Familie wird oft als Toyota HEMI bezeichnet, da der Motor ein ähnliches Zylinderkopfdesign wie beim Chrysler Hemi aufweist, obwohl der Großteil des Motordesigns völlig anders ist.
Der V 2.6L-Motor wurde erstmals von 1964 bis 1967 im Crown Eight als Teil der Crown- Reihe der zweiten Generation verwendet . Danach wurde der Crown Eight durch den gehobenen Toyota Century ersetzt .
Die 3V-, 4V- und 5V-Motoren wurden im Toyota Century bis 1997 verwendet, als er ein komplettes Redesign erhielt und den 5.0 L 1GZ-FE V12 erhielt .
Die Motoren der V-Serie, wie mehrere Motoren der Toyota Motor Corporation (zB 2T-C , 2M , 4M usw.) hatten damals eine halbkugelförmige Brennkammer. Die Zündkerzen befanden sich oben im Brennraum.
Design-Evolution in modernen Motoren
In der modernen Emissionsära hat die Halbkammer begonnen, aus der Weiterentwicklung zu verschwinden. Die halbkugelförmige Brennkammer ist die einfachste und einfachste Konstruktion. Es dient seit mehr als einem Jahrhundert als Grundkonstruktion von Verbrennungsmotoren, aus der viele weitere Verbesserungen und technische Entwicklungen hervorgehen. Mit der Verbesserung und Weiterentwicklung der Technik neuer Motoren hat sich die echte halbkugelförmige Kammer in anspruchsvollere und komplexere Designs verwandelt, die mehr Leistung bei geringeren Emissionen aus jedem gegebenen Verbrennungsereignis gewinnen sollen.
Viele der heutigen Motoren verwenden aktive Brennkammern, die dafür ausgelegt sind, das Kraftstoff/Luft-Gemisch innerhalb der Kammer für einen möglichst effizienten Verbrennungsvorgang zu taumeln und zu verwirbeln. Diese aktiven Kammern sehen normalerweise aus wie Kidneybohnen oder zwei verschmolzene kleine „Hemi“-Bereiche, die von flachen Abschreckbereichen über den Kolben umgeben sind.