半球燃烧室

跳到导航跳跃搜索半球燃烧室是具有圆顶气缸盖的往复式内燃机的一种燃烧室类型。以这种半球形燃烧室为特色的发动机被称为半发动机。

在证明了内燃机概念之后不久，在一些最早的汽车发动机上引入了半球形燃烧室。它们的名字反映了圆顶气缸盖的概念，活塞的顶部包围了大约半个球体(半+球体+-球体)的空间，尽管在实践中通常不到一半。

半球气缸盖至少从1901年就开始使用了；[1]比利时汽车制造商PIPE在1905年[2]和1907年的菲亚特130马力大奖赛车手都使用了半球气缸盖。[3]1912年的标致大奖赛(Peugeot Grand Prix)和1914年的阿尔法·罗密欧(Alfa Romeo)大奖赛车都是四气门发动机，戴姆勒(Daimler)和莱利(Riley)也使用半球燃烧室。斯图兹从1912年开始使用四气门发动机，[4]从概念上预见了现代汽车发动机。其他例子包括宝马双推杆设计(布里斯托尔汽车采用)，标致403，丰田T发动机，丰田V发动机(丰田的第一个V8发动机)，米勒赛车发动机，以及捷豹XK发动机。[5]。

半球形头部(半球形头部)提供了一个高效的燃烧室，头部的热损失最小，并允许两个大阀门。然而，由于难以将四个气门的配气机构布置成分流角度，半封头通常每个气缸不允许超过两个气门，而且这些大气门必然比具有相似气门面积的多气门发动机的气门重，而且通常需要更多的气门升程。进气阀和排气阀位于腔室的相对两侧，必须采用横流头部设计。由于燃烧室实际上是一个半球，除非使用较小的燃烧室，否则平顶活塞会产生较低的压缩比。

使用半球形气室的发动机商业化的重大挑战围绕着气门驱动的设计，以及如何以可接受的成本使其有效、高效和可靠。[需要引用]克莱斯勒在20世纪50年代开发半发动机时就提到了这种复杂性：在公司广告中，这种头被称为双摇杆头。[2]。

虽然楔形头部结构简化了阀门的驱动，但通常是通过将阀门并排放置在阀腔内，阀杆轴线平行来实现的。这可以通过将阀头直径的总和限制在每个气缸两个气门的布置中不超过气缸的内径，来限制进气和排气流入和流出室。对于带有张开阀杆角度的半球形腔体，这一限制随角度增加，使得在顶置阀门配置中，阀门总径尺寸有可能超过内径尺寸。另一种方法请参见IOE引擎。

此外，张开的气门角度会导致气门座平面倾斜，从而使进排气进入/离开气缸盖的端口有更直的流动路径。工程师们已经了解到，虽然增加阀口更直的尺寸有利于提高高转速下的最大功率，但它会减缓进气流速，在正常转速范围内无法提供最佳的排放、效率或功率燃烧事件。

圆顶活塞通常用于保持较高的机械压缩比，这往往会增加火焰传播距离，也不利于高效燃烧，除非增加每个气缸的火花塞数量。

火焰温度非常高，导致NOx排放量过高，这可能需要废气再循环和其他排放控制措施来满足现代标准。半球形腔的其他缺点包括增加生产成本和较高的相对重量(根据克莱斯勒的工程师的说法，比可比的楔形头重25%[6])。这些在现代已经使半头失去了青睐，直到克莱斯勒2003年的重新设计被证明是受欢迎的。

SOHC切面显示横流设计、腔体的半球形形状、顶置凸轮的中心位置以及摇杆轴带侧翼支撑的顶置凸轮的中心位置。

半引擎需要更复杂、数量更多的部件。上图为一对半头的双摇杆系统及其复杂的活塞铸件。下图为一对楔头的可比部件。

半圆设计的一个主要缺点在这里是显而易见的-相对于整体发动机尺寸而言，头部铸件较大。横向流头所需的敞开式阀门需要较宽的铸件，这需要较大的发动机间隔。工程师们正在寻求缩小和减小车辆和为其提供动力的发动机的尺寸。

阿尔法·罗密欧多年来一直在生产成功的半头发动机。可以说，他们最喜爱的例子之一是朱塞佩·巴索(Giuseppe Busso)最初的2.5升V6发动机，它被一些人称为有史以来最好、最独特的探空生产发动机之一(即使是后24V的形式)。[7]这种赞誉的部分原因可能是因为原来的2气门发动机的半球形头部允许几乎完全直的排气口，从而减少了发动机声音的稀释或混浊，使阿尔法罗密欧能够使用更安静的排气，而不会损失他们独特的、深受喜爱的种族培育的发动机噪音。

阿斯顿·马丁著名的DOHC(4个凸轮)V8在20世纪60年代末到80年代末使用了半球形的燃烧室。每个凸轮控制一组气门，要么是一组进气阀，要么是一组排气阀。阿斯顿马丁V8 5.3L(5340毫升/325英寸3)产生了315马力(235千瓦)。

也许最广为人知的半球形腔体设计的支持者是克莱斯勒公司。从20世纪60年代开始，克莱斯勒主要是通过为赫米这个名字注册商标，然后在他们的广告活动中广泛使用它而被识别出来的。克莱斯勒已经生产了三代这样的发动机：第一代(克莱斯勒火力发动机)在20世纪50年代，第二代(426 Hemi)于1964年为纳斯卡(NASCAR)开发，并一直生产到20世纪70年代初，最后一代是21世纪初的新型HEMI。目前，克莱斯勒生产4种不同型号的Hemi发动机：5.7L，根据配置的不同，扭矩在360-395马力和390-407lb*ft(529-552N*m)之间，6.4L(也称为392立方英寸)，485马力和475百万磅⋅ft(644N⋅m)扭矩，6.4L(不同)6.4L，410马力和425亿磅⋅ft(576。以及6.2L增压发动机(俗称地狱猫)，可产生707马力和650亿磅⋅ft(881N⋅m)的扭矩。

克莱斯勒还在澳大利亚发布了一款半球形6，带有非全球形腔体，但生产线顶部4.3L，265立方英寸电机制造了302马力(225千瓦)。他们出来的结果是215 120马力245 160马力265(STD)203马力。

阿登为福特平头设计的头部可能是第一次在现成的美国V8发动机上使用半球形头部。[8]1947年作为售后产品首次上市，这些头部将福特平板头改装成在半球室中操作的头顶阀门。佐拉·阿库斯·邓托夫(Zora Arkus-Duntov)后来在通用汽车工作，是雪佛兰克尔维特(Chevrolet Corvette)开发的主要推动者，他和他的兄弟尤拉(Yura)是阿登的兄弟。

福特在20世纪60年代中期生产了一种带有两个顶置凸轮(每个头部一个凸轮)和半球形燃烧室的发动机。这款发动机排水量为425立方英寸，属于福特FE系列发动机，被称为427SOHC；也被称为Cammer。这是一组SOHC半头螺栓固定在福特的FE发动机机体上。1964年的发动机是为赛车而设计的，经过90天的密集工程努力[9]。427SOHC使用侧注油器发动机块稍作修改，以处理丢失的块内凸轮，以及其他OHC问题。[9]由于他们的动力水平，而且克莱斯勒已经向比尔·法兰西展示了一辆DOHC426HEMI正在制造中，这款车被禁止参加纳斯卡比赛，尽管它在某些飙车级别是允许的。在纳斯卡被禁止后，福特继续生产SOHC，在柜台上出售给赛车手和其他人[10]，他们用它为许多改装的轴距A/FX野马和增压顶级燃料拖拉机提供动力。康妮·卡利塔(Connie Kalitta)、皮特·罗宾逊(Pete Robinson)和斯内克·普鲁德霍姆(Prudhomme)都在他们的顶级燃料赛车中使用了这种发动机。1967年，康妮·卡利塔(Connie Kalitta)的SOHC-Powered&34；赏金猎人(Bounty Hunter)在AHRA、NHRA和NASCAR冬季运动会上获得了最高燃油荣誉，成为飙车历史上唯一的三冠王。[11]当天的测功机结果显示，SOHC Hemi以板条箱形式(每升100马力)生产近700马力(522千瓦)。[12]头顶的凸轮意味着它不会像克莱斯勒的海米那样有转速限制，因为他们有推杆和沉重而复杂的配气机构。[13]。

后来福特设计的带有半球形室的发动机包括Calliope，它使用两个块内凸轮，一个在另一个之上布置，以驱动每个半球形室3个气门。[14]从顶部凸轮轴启动阀门的推杆几乎是水平的。1968年，福特推出了一个全新的发动机系列，名为385系列。这台发动机的头部使用了一种改进型的半球形燃烧室，称为半半球室(Semi-hemi)。[15]。

20世纪70年代，福特设计并生产了半球形头部的小块发动机，以解决人们对燃油经济性日益增长的担忧。不幸的是，即使采用了先进的直接燃油喷射系统为分层充气室提供燃料，半排废气的排放也不能做到足够清洁，不符合法规的要求。[16][17][16][17]半壁江山的排放不足以符合法规的要求。这加上阀门驱动系统的成本，以及将燃料直接输送到腔内所需的高压泵的成本，以及驱动泵所需的吉尔默皮带驱动系统，使得进一步的开发在当时变得毫无意义。大多数20世纪80年代的4缸福特使用福特CVH发动机，CVH的意思是复合阀，半球形(头部)&34；。

从1949年开始，捷豹在传奇的XK发动机上使用了这种头部设计，这些发动机为从勒芒(Le Mans)获胜的D型到XJ6的各种汽车提供动力。[18]。

莲花在他们的一些发动机中使用了半球形的腔室(见右图)。这种燃烧室中可能存在的相对较大的阀门允许大量的空气-燃料混合物快速进出燃烧室，但并不总是完全燃烧。

半球形燃烧室是1980年推出的M102发动机的一个特点，与横向流头设计一起提高了它取代的M115发动机的效率。[19]。

位于泰晤士河畔阿宾登的MG工厂从1958年到1960年生产了推杆MGA1600MkI MG MGA生产线的Twin-Cam变体。原推杆1588cc铸铁缸体采用铸铝双凸轮气缸盖，每个气缸各有一个进、排气门。这种配置使得能够在燃烧室内实现横流半头部循环，从而能够改善呼吸(容积效率)以及利用扩大的阀门和圆顶活塞。早期的版本在街上和竞争中被证明是脆弱的，因为预燃(爆炸)和石油损失，导致压缩比从9.1降低。用重新设计的活塞提高到8.3。这是一次成功的更新，但销量下降如此之快，以至于公司停止了Twin Cam的生产，并将匹配的底盘用于一些MGA，配备推杆发动机，被称为MGA 1600MkI和MkII豪华车型。

保时捷广泛使用了半头发动机，包括1963-1999年保时捷911车型的风冷Flat-6发动机。1973年2.7亿升的版本每自然吸气式活塞排量产生56万马力。[20]。

丰田汽车公司的V系列发动机是纵向安装的V8发动机设计。它们从20世纪60年代一直使用到90年代。V系列发动机用于享有盛誉的丰田世纪。丰田与雅马哈合作生产了第一台日本全铝合金机体发动机。V系列经常被称为丰田HEMI，因为该发动机的气缸盖设计与克莱斯勒的Hemi相似，尽管大多数发动机设计完全不同。

V2.6L发动机于1964年至1967年首次用于皇冠8，作为第二代皇冠系列的一部分。此后，皇冠八号被高档的丰田世纪牌(Toyota Century)所取代。

3V，4V和5V发动机一直在丰田世纪使用，直到1997年，丰田进行了彻底的重新设计，获得了5.0L 1GZ-FE V12。

V系列发动机，如丰田汽车公司的几款发动机(如2T-C、2M、4M等)。当时有一个半球形的燃烧室。火花塞位于燃烧室的顶部。

在现代排放时代，半室内已经开始远离持续发展。半球形燃烧室是最简单、最容易的设计。一个多世纪以来，它一直是内燃机的基本设计，所有其他的改进和工程发展都是从它衍生出来的。随着新发动机所涉及的技术的改进和发展，真正的半球燃烧室已经变形和扭曲成更复杂和更复杂的设计，旨在从任何给定的燃烧事件中提取更多的能量和更低的排放。

今天的许多发动机都使用主动燃烧室，旨在使燃烧室内的燃料/空气混合物翻滚和旋转，以实现最有效的燃烧事件。[21]这些活动腔通常看起来像四季豆或两个合并的小区域，由活塞上方的平面淬火区域包围。[22]。

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