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Cámara de combustión hemisférica

Una culata de cámara de combustión hemisférica, que muestra las válvulas de admisión y escape individuales más grandes posibles para un diámetro de cilindro de motor determinado...

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Una culata de cámara de combustión hemisférica, que muestra las válvulas de admisión y escape individuales más grandes posibles para un diámetro de cilindro de motor determinado.

Una cámara de combustión hemisférica es una cámara de combustión en la culata de un motor de combustión interna con forma de cúpula hemisférica . Un motor con este tipo de cámara hemisférica se conoce como motor hemi . En la práctica, se suelen emplear formas menores a un hemisferio completo, así como variaciones (o facetado de algunas partes) de un perfil hemisférico verdadero. La principal ventaja de estas formas es una mayor compresión (que conlleva una mayor potencia) y válvulas de admisión y escape muy grandes (que permiten un mejor flujo de los gases de admisión y escape, lo que también resulta en una mayor eficiencia volumétrica y una mayor potencia); las principales desventajas son la complejidad de los trenes de válvulas (debido a que las válvulas están colocadas una frente a la otra en la culata) y el coste (del mecanizado de las culatas y los pistones, y de los componentes adicionales del tren de válvulas).

Si bien las cámaras de combustión hemisféricas todavía se encuentran en la década de 2000, las configuraciones multiválvulas (de cuatro e incluso cinco válvulas por cilindro) y la popularidad de las configuraciones de árbol de levas en cabeza (incluido el doble árbol de levas en cabeza ) han alterado las compensaciones tradicionales en el uso de "culatas hemisféricas".

Historia

Motor de motocicleta seccionado, con culata hemisférica

Las cámaras de combustión hemisféricas se introdujeron en algunos de los primeros motores de automóviles, poco después de que se demostrara la viabilidad del motor de combustión interna. Su nombre refleja el hueco abovedado en la culata y la parte superior del pistón , de forma similar, que encierra un espacio que se aproxima a la mitad de una esfera ( hemisferio + esfera + hemisférica ), aunque en la práctica el espacio real encerrado suele ser menor a la mitad.

Las culatas hemisféricas se han utilizado al menos desde 1901; [ 1 ] fueron utilizadas por el fabricante de automóviles belga Pipe en 1905 [ 2 ] y por el Fiat 130 HP Grand Prix de 1907. [ 3 ] El Peugeot Grand Prix de 1912 y el Alfa Romeo Grand Prix de 1914 eran ambos motores de cuatro válvulas, y Daimler y Riley también utilizaban cámaras de combustión hemisféricas en ese momento. A partir de 1912, Stutz utilizó motores de cuatro válvulas, [ 4 ] anticipando conceptualmente los motores de automóviles modernos. Otros ejemplos incluyen el diseño de doble varilla de empuje de BMW (adoptado por Bristol Cars ), el Peugeot 403 , el motor Toyota T y el motor Toyota V (el primer motor V8 de Toyota), los motores de carreras Miller y el motor Jaguar XK . [ 5 ]

Tecnología e implementación

Una culata hemisférica ("hemi-culata") proporciona una cámara de combustión eficiente con mínima pérdida de calor hacia la culata y permite el uso de dos válvulas grandes . Sin embargo, una hemi-culata generalmente no permite más de dos válvulas por cilindro debido a la dificultad de disponer el mecanismo de distribución para cuatro válvulas en ángulos divergentes, y estas válvulas grandes son necesariamente más pesadas que las de un motor multiválvula de área de válvula similar, además de requerir generalmente una mayor elevación de válvula. Las válvulas de admisión y escape se encuentran en lados opuestos de la cámara y requieren un diseño de culata de " flujo cruzado ". Dado que la cámara de combustión es prácticamente un hemisferio, un pistón de cabeza plana produce una relación de compresión menor a menos que se utilice una cámara más pequeña.

Los desafíos significativos en la comercialización de motores que utilizan cámaras hemisféricas giraban en torno al diseño de la actuación de las válvulas y cómo hacerla efectiva, eficiente y confiable a un costo aceptable, [ 2 ] lo que normalmente requiere el uso de un sistema de balancines dobles o árboles de levas dobles para operar las válvulas de admisión y escape. La complejidad se mencionó desde el principio en el desarrollo del motor hemi de Chrysler en la década de 1950: la culata se denominaba en la publicidad de la compañía como la culata de balancín doble . [ 2 ] El motor CVH (Compound Valve Hemispherical) de Ford de la década de 1980 resolvió el problema mediante la utilización de una geometría compleja del ángulo de la válvula combinada con una configuración de leva en la culata que permitía que las válvulas dispuestas hemisféricas fueran operadas por un solo árbol de levas y sin la necesidad de dos ejes de balancines.

Ventajas e inconvenientes

Si bien el diseño de cabeza de cuña simplifica la actuación de las válvulas, generalmente lo hace colocándolas una al lado de la otra dentro de la cámara, con ejes de vástago paralelos. Esto puede restringir el flujo de admisión y escape dentro y fuera de la cámara, limitando los diámetros de las cabezas de las válvulas a un máximo del diámetro del cilindro en una configuración de dos válvulas por cilindro. Con una cámara hemisférica y un ángulo de vástago de válvula inclinado, esta limitación aumenta debido al ángulo, lo que permite que el diámetro total de la válvula supere el diámetro del cilindro en una configuración de válvulas en cabeza . Consulte el motor IOE para conocer otro método.

Además, el ángulo de inclinación de la válvula provoca que el plano del asiento de la válvula se incline, lo que proporciona un flujo más recto para la admisión y el escape hacia/desde el puerto de salida de la culata. Los ingenieros han descubierto que, si bien aumentar el tamaño de la válvula con un puerto más recto es beneficioso para incrementar la potencia máxima a altas revoluciones, reduce la velocidad del flujo de admisión, lo que no proporciona la mejor combustión para las emisiones, la eficiencia ni la potencia en el rango normal de revoluciones.

Los pistones abovedados se utilizan habitualmente para mantener una mayor relación de compresión mecánica, lo que tiende a aumentar la distancia de propagación de la llama, resultando perjudicial para una combustión eficiente, a menos que se aumente el número de bujías por cilindro.

Las temperaturas de la llama son muy elevadas, lo que genera una producción excesiva de NOx que puede requerir la recirculación de gases de escape y otras medidas de control de emisiones para cumplir con las normas actuales. Otros inconvenientes de la cámara hemisférica incluyen un mayor costo de producción y un peso relativo elevado (un 25 % más pesada que una culata en cuña comparable, según los ingenieros de Chrysler [ 6 ] ). Esto hizo que la culata hemisférica cayera en desuso en la era moderna, hasta el rediseño de Chrysler en 2003, que ha demostrado ser popular.

Usar

Alfa Romeo

Alfa Romeo ha producido con éxito motores de culata hemisférica a lo largo de los años. Posiblemente uno de sus ejemplos más queridos sea el V6 original de 2.5 litros de Giuseppe Busso , que ha sido citado por algunos como uno de los mejores y más distintivos motores de producción (incluso en sus versiones posteriores de 24 válvulas) de todos los tiempos. [ 7 ] Parte de este elogio probablemente se deba a que las culatas hemisféricas del motor original de 2 válvulas permitían un puerto de escape casi completamente recto, lo que resultaba en un sonido de motor menos diluido o turbio, lo que permitía a Alfa Romeo usar escapes de serie más silenciosos sin perder gran parte de su distintivo y apreciado sonido de motor de carreras.

Aston Martin

Aston Martin V8

El motor V8 DOHC de Aston Martin utilizó una cámara hemisférica desde finales de la década de 1960 hasta finales de la de 1980. Cada uno de los cuatro árboles de levas controlaba un juego de válvulas por bancada de cilindros. El motor V8 de 5,3 litros (5340 cc/325 pulgadas cúbicas ) de Aston Martin producía 315 CV (235 kW) de potencia bruta.  

BMW

BMW se convirtió en una marca mundial gracias a su motor M10 de cuatro cilindros en línea, SOHC y con culata hemisférica, de gran capacidad de respuesta y durabilidad , fabricado especialmente en una versión de 2 litros (122 pulgadas cúbicas) en su sedán deportivo de 2002 de las décadas de 1960 y 1970.   

Chrysler

Quizás el defensor más conocido del diseño de cámara hemisférica sea Chrysler Corporation . Chrysler se identificó principalmente al registrar la marca "Hemi" y luego usarla extensamente en sus campañas publicitarias a partir de la década de 1960. Chrysler ha producido tres generaciones de estos motores: el motor Chrysler FirePower en la década de 1950; el 426 Hemi , desarrollado para NASCAR en 1964 y producido hasta principios de la década de 1970; y el "nuevo HEMI" de 2003 a 2024. La versión más reciente del motor Chrysler "Hemi" utiliza parte de un esferoide oblato (esfera aplanada) para la forma de su culata con el fin de mejorar la eficiencia de la combustión en comparación con una culata hemisférica verdadera. [ 8 ]

Vado

Enorme tren de válvulas del motor V8 Cammer SOHC de 427 pulgadas cúbicas/7.0 litros de Ford , que muestra el árbol de levas, los balancines y las cadenas de distribución.

En 1964, Ford produjo un motor V8 hemi de 425 pulgadas cúbicas basado en FE con un solo árbol de levas en cabeza, conocido como el "427 SOHC "Cammer" ". Diseñado en 90 días de intenso esfuerzo de ingeniería para su uso en carreras, [ 9 ] nunca apareció en un vehículo Ford de producción, sino que se vendió como motor opcional en los mostradores de repuestos de Ford. [ 10 ] Los resultados de dinamómetro de la época afirman que el SOHC Hemi producía casi 700 hp (522 kW) en su forma de caja (100 hp por litro). [ 11 ] Utilizaba el bloque del motor de lubricación lateral modificado para reemplazar un árbol de levas en el bloque con un eje intermedio que accionaba el distribuidor y la bomba de aceite, y para acomodar otros problemas del árbol de levas en cabeza. [ 9 ] Los árboles de levas en cabeza significaban que no estaba tan limitado por rpm como los Chrysler Hemi con sus varillas de empuje y trenes de válvulas pesados ​​y complejos. [ 12 ]   

Debido a su potencia y al hecho de que Chrysler le había mostrado al jefe de NASCAR, Bill France, que estaban trabajando en un motor DOHC 426 Hemi, este fue prohibido en las carreras de NASCAR, aunque se permitió en ciertas categorías de carreras de aceleración.

Los diseños posteriores de motores Ford con cámaras hemisféricas incluyeron el Calliope , que utilizaba dos levas en el bloque, dispuestas una sobre la otra, para accionar 3 válvulas por cámara hemisférica. [ 13 ] Las varillas de empuje que activaban las válvulas desde el árbol de levas superior eran casi horizontales. En 1968, Ford lanzó la familia de motores completamente nueva de la serie 385 , que utilizaba una forma semihemisférica modificada de la cámara hemisférica. [ 14 ]

Las distintivas y enormes tapas de válvulas de un motor Boss 429 con culata semihemisférica.

En la década de 1970, Ford diseñó y produjo un motor "Windsor" de bloque pequeño con culatas hemisféricas para abordar la creciente preocupación por el ahorro de combustible. Desafortunadamente, incluso con un sistema de inyección directa de combustible adelantado a su tiempo que alimentaba una cámara de carga estratificada , [ 15 ] [ 16 ] las emisiones del motor hemi no pudieron ser lo suficientemente limpias para cumplir con las regulaciones. Esto, sumado al costo de los sistemas de accionamiento de válvulas, junto con el costo de la bomba de alta presión necesaria para suministrar combustible directamente a la cámara, así como el sistema de transmisión por correa Gilmer necesario para accionar la bomba, hizo que un mayor desarrollo fuera inútil en ese momento.

La mayoría de los Ford de 4 cilindros de la década de 1980 utilizaban el motor Ford CVH , cuyas siglas significan Válvula Compuesta Hemisférica (cámara de combustión). Después de 1986, la culata de este motor se rediseñó para incorporar cámaras de combustión de combustión pobre con forma de corazón, y se utilizó en modelos de bajo rendimiento que no contaban con inyección de combustible multipunto (1.4, 1.6 y 1.8 en Europa), aunque todavía se le conocía coloquialmente como CVH.

Jaguar

Culatas Hemi de 6 cilindros en línea de Jaguar

El motor Jaguar XK de culata hemisférica , introducido en 1949, impulsó automóviles que iban desde el D-Type ganador de Le Mans hasta el XJ6 . [ 17 ]

Lamborghini

El motor V12 de Lamborghini , diseñado en 1963 y producido durante más de 50 años, utilizaba cámaras hemisféricas.

Cabezales Lamborghini V12 de 3,9 l de 1970 - de un S2 Espada

Lancia

Tanto los motores Lancia V4 como los Lancia V6 utilizaban cámaras de combustión hemisféricas.

Loto

Culata Lotus de "válvulas grandes" con cámaras hemisféricas

Lotus ha utilizado cámaras hemisféricas, como en el Lotus-Ford Twin Cam .

Mercedes Benz

Las cámaras hemisféricas fueron una característica del motor M102 introducido en 1980, que junto con el diseño de la culata de flujo cruzado promovió una mayor eficiencia con respecto al motor M115 al que reemplazó. [ 18 ]

MG

El MGA Twin-Cam fue una variante del MGA 1600 MkI de varillas de empuje de la línea MG MGA desde 1958 hasta 1960. El bloque original de hierro fundido de 1588 cc con varillas de empuje se equipó con una culata de aluminio fundido de doble árbol de levas y dos válvulas. Las primeras versiones demostraron ser frágiles en la calle y en competición debido a la preignición ( detonación ) y la pérdida de aceite, lo que llevó a disminuir la relación de compresión de 9.1 a 8.3 con pistones rediseñados. Fue una actualización exitosa, pero las ventas cayeron tan rápidamente que la compañía detuvo la producción del Twin Cam y utilizó el chasis correspondiente para algunos MGA con motores de varillas de empuje, conocidos como los modelos MGA 1600 MkI y MkII DeLuxe.

Mitsubishi

Mitsubishi fabricó varios motores hemi, entre ellos las unidades 'Orion' , 'Astron' y 'Saturn' .

Nissan

Los motores Z , VG (solo la versión SOHC) y VQ DOHC de Nissan utilizan cámaras de combustión hemisféricas. Los motores Z y VG son verdaderamente hemisféricos, mientras que el VQ utiliza una forma de techo pentagonal compuesto.

Porsche

Culatas de motor bóxer de 6 cilindros Porsche con cámaras hemisféricas

Porsche ha utilizado ampliamente motores de culata hemisférica , incluido el motor de seis cilindros planos refrigerado por aire en los modelos Porsche 911 desde 1963 hasta 1999. La versión de 2,7 L de 1973 generaba 56 hp por litro de cilindrada de pistón de aspiración natural . [ 19 ]  

Toyota

La familia de motores V de Toyota consistía en motores V8 de montaje longitudinal utilizados en el prestigioso Toyota Century desde la década de 1960 hasta la de 1990. Toyota colaboró ​​con Yamaha para producir el primer motor japonés con bloque de aleación de aluminio. A la familia V se la suele denominar Toyota HEMI, ya que el motor presenta un diseño de culata similar al del Hemi de Chrysler, aunque la mayor parte del diseño del motor es completamente diferente.

Otros motores Toyota (por ejemplo, T , 2M , 4M , etc.) de la época utilizaban una cámara de combustión hemisférica. Las bujías estaban ubicadas en la parte superior de la cámara de combustión.

Evolución del diseño en los motores modernos

Cámara de combustión activa no Hemi moderna (2007)
Cámara de combustión Chrysler "Hemi" de producción actual con dos bujías por cilindro

En la era moderna de las emisiones, la hemicara ha evolucionado hacia diseños más sofisticados y complejos, capaces de extraer más potencia con menores emisiones en cualquier proceso de combustión.

Muchos de los motores actuales utilizan "cámaras de combustión activas" diseñadas para generar remolinos y agitar la mezcla de combustible y aire dentro de la cámara, logrando así la combustión más eficiente posible. [ 20 ] Estas cámaras suelen tener forma de frijoles o de dos pequeñas áreas hemisféricas fusionadas, rodeadas de zonas planas de enfriamiento sobre los pistones. [ 21 ]

Referencias

  1. ↑ "Prototipo HEMI" . Curtis Boat & Woodworking Co. Recuperado el 14 de marzo de 2022 .
  2. 1 2 3 "Origen del motor Mopar Hemi, las culatas Ardun y los autos Riley" . Foros Allpar . 16 de noviembre de 2020. Consultado el 14 de marzo de 2022 .
  3. ↑ "Fiat 130 CV" . ddavid.com . Archivado del original el 27 de octubre de 2012. Consultado el 28 de octubre de 2012 .
  4. ↑ Katzell, Raymond A. (1996). El espléndido Stutz . The Stutz Club. ISBN 0-9654709-0-3.
  5. ↑ "Miller 91" . ddavid.com . Archivado del original el 22 de enero de 2008. Consultado el 8 de enero de 2008 .
  6. ↑ Mueller, Mike (2006). American Horsepower: 100 years of Great Car Engines . MBI Publishing. pp. 112, 113. ISBN  978-0-7603-2327-4.
  7. ↑ Evo . Agosto de 2011. Página 77.
  8. ↑ "Ventajas y desventajas del motor Hemi" . Motortrend.com . 28 de abril de 2020. Consultado el 10 de junio de 2024 .
  9. 1 2 "63 Galaxie Lightweight" . Revista Mustangs and Fords . Agosto de 2005. Archivado del original el 28 de diciembre de 2006.
  10. ↑ "427 SOHC -- El taller del motor Ford V-8" . phystutor.tripod.com . Consultado el 14 de marzo de 2022 .
  11. ^ Flammang, James M., ed. (2005). Crónica del coche muscular . Publicaciones Internacionales. pag. 168.ISBN​  9781412712019.
  12. ↑ Genat, Robert (2007). Hemi: El V-8 americano definitivo . MBI Publishing. pág. 14. ISBN  978-0-7603-2747-0.
  13. ↑ "Motor de automóvil Ford "Calliope" V-8, 1968" . The Henry Ford . Consultado el 23 de octubre de 2019 .
  14. ^ Flammang, James M., ed. (2005). Crónica del coche muscular . Publicaciones Internacionales. pag. 214.ISBN​  9781412712019.
  15. ↑ "La 'revolución total' de Detroit" , Time , 19 de marzo de 1979.
  16. ↑ "¿Logrará finalmente la inyección directa de gasolina triunfar?" , Csaba Csere , Car and Driver , junio de 2004.
  17. ↑ "Historia del Jaguar DOHC" . JagWeb. Archivado del original el 6 de febrero de 2008. Consultado el 14 de marzo de 2022 .
  18. ↑ Long, Brian (2015). Serie Mercedes-Benz W123: Todos los modelos de 1976 a 1986. Veloce Publishing. pág. 114. ISBN  978-1-8458-4792-0.
  19. ↑ "Especificaciones técnicas del Porsche 911" . Flat-6 . Consultado el 30 de junio de 2010 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  20. ↑ Genat, Robert (2007). Hemi: El V-8 americano definitivo . MBI Publishing. pág. 13. ISBN  978-0-7603-2747-0.
  21. ↑ "Quench Tumble and Swirl" . David y Jemma. Archivado del original el 5 de mayo de 2010. Recuperado el 30 de junio de 2010 .