Cámara de combustión hemisférica

Una cámara de combustión hemisférica es una cámara de combustión en la culata de un motor de combustión interna con una forma " hemisferica " ​​abovedada. Un motor que presenta este tipo de cámara hemisférica se conoce como motor hemi . En la práctica, se emplean típicamente formas menores a una semiesfera completa, al igual que variaciones (o facetas en partes) de un perfil hemisférico verdadero. La principal ventaja de tales formas es una mayor compresión (que conduce a una mayor potencia) y válvulas de admisión y escape muy grandes (que permiten un mejor flujo de gases de admisión y escape, lo que también resulta en una mejor eficiencia volumétrica y una mayor potencia); las principales desventajas son los trenes de válvulas complejos (causados ​​por válvulas colocadas una frente a otra en una culata) y el costo (de mecanizar las culatas y los pistones, y los componentes adicionales del tren de válvulas).

Si bien las cámaras de combustión hemisféricas todavía se encuentran en los arreglos de múltiples válvulas de la década de 2000 (de cuatro e incluso cinco válvulas por cilindro) y la popularidad de los arreglos de levas en cabeza (incluido el doble leva en cabeza ) han alterado las compensaciones tradicionales en el empleo de "cabezas hemi".

Las cámaras de combustión hemisféricas se introdujeron en algunos de los primeros motores de automóviles, poco después de que se demostrara por primera vez la viabilidad del motor de combustión interna. Su nombre refleja el hueco abovedado de la culata y la parte superior de un pistón con la forma correspondiente que encierra un espacio que se aproxima a la mitad de una esfera ( hemi- + -sphere + -ical ), aunque en la práctica el espacio encerrado real es generalmente menos de 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 coche de carreras Fiat 130 HP Grand Prix de 1907. ^[3] El coche Peugeot Grand Prix de 1912 y el coche 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] anticipándose conceptualmente a los motores de los 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]

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

Los desafíos importantes en la comercialización de motores que utilizan cámaras hemisféricas giraban en torno al diseño del accionamiento de la válvula y cómo hacerlo efectivo, eficiente y confiable a un costo aceptable, ^[2] que normalmente requiere el uso de un sistema de balancín doble o árboles de levas dobles para operar las válvulas de admisión y escape. La complejidad fue mencionada al principio del desarrollo de Chrysler de su motor hemi de la década de 1950: la cabeza se mencionaba en la publicidad de la empresa como la cabeza Double Rocker . ^{[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 cabeza que permitía que las válvulas dispuestas en forma hemisférica fueran operadas por un solo árbol de levas y sin la necesidad de dos ejes de balancín.

Aunque un diseño de cabezal en cuña ofrece un accionamiento simplificado de las válvulas, normalmente lo hace colocando las válvulas 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 al limitar los diámetros de los cabezales de las válvulas a un total no mayor que el diámetro interior del cilindro en una disposición de dos válvulas por cilindro. Con una cámara hemisférica con un ángulo de vástago de válvula ensanchado, esta limitación se incrementa con el ángulo, lo que hace posible que el tamaño total del diámetro de la válvula supere el tamaño del diámetro interior dentro de una configuración de válvulas en cabeza . Consulte el motor IOE para conocer otro método.

Además, el ángulo de la válvula ensanchado hace que el plano del asiento de la válvula se incline, lo que proporciona una ruta de flujo más recta para la admisión y el escape hacia/desde el puerto que sale de la culata. Los ingenieros han aprendido que, si bien aumentar el tamaño de la válvula con un puerto más recto es beneficioso para aumentar la potencia máxima a altas revoluciones por minuto, reduce la velocidad del flujo de admisión, lo que no proporciona el mejor evento de combustión para las emisiones, la eficiencia o la potencia en el rango de revoluciones por minuto normal.

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

Las temperaturas de la llama son muy altas, lo que genera una emisión excesiva de NOx que puede requerir la recirculación de los gases de escape y otras medidas de control de emisiones para cumplir con los estándares modernos. Otras desventajas de la cámara hemisférica incluyen el aumento del costo de producción y el alto peso relativo (un 25% más pesado que una culata de cuña comparable según los ingenieros de Chrysler ^[6] ). Estos habían hecho que la culata hemisférica perdiera popularidad en la era moderna, hasta el rediseño de Chrysler en 2003 que ha demostrado ser popular.

Corte transversal SOHC que muestra el diseño de flujo cruzado, la forma hemisférica de la cámara y la posición central del árbol de levas en cabeza con soportes flanqueantes para los ejes de balancines.

El motor Hemi requiere piezas de mayor complejidad y cantidad. Fotos superiores del sistema de doble balancín para un par de culatas Hemi y su compleja fundición de pistón. Fotos inferiores de piezas comparables para un par de culatas Wedge.

Una desventaja importante del diseño hemi es el gran tamaño de su cabezal en relación con el tamaño total del motor. Las válvulas ensanchadas necesarias para el cabezal de flujo cruzado requieren una fundición más ancha, lo que requiere compartimientos de motor más grandes. Los ingenieros buscan reducir el tamaño físico de los motores (mientras mantienen o aumentan su potencia).

Alfa Romeo ha producido con éxito motores de culata hemisférica a lo largo de los años. Podría decirse que uno de sus ejemplos más queridos es el V6 de 2,5 litros original de Giuseppe Busso , que algunos han citado como uno de los mejores y más distintivos motores de producción (incluso en sus formas posteriores de 24 válvulas) de todos los tiempos. ^[7] Parte de este elogio se debe probablemente a que las culatas hemisféricas del motor original de 2 válvulas permitían un puerto de escape casi completamente recto, lo que daba como resultado un sonido del motor menos diluido o turbio, lo que permitía a Alfa Romeo utilizar escapes de serie más silenciosos sin perder gran parte de su distintivo y querido ruido de motor de competición.

El motor V8 DOHC de Aston Martin utilizó una cámara hemisférica desde finales de los años 60 hasta finales de los años 80. Cada una de las cuatro levas controlaba un conjunto de válvulas por bancada de cilindros. El V8 de 5,3 L (5340 cc/325 in3 ⁾ de Aston Martin producía 315 CV (235 kW) brutos.

BMW se convirtió en una marca mundial gracias a la fortaleza de su motor M10 de cuatro cilindros en línea con cabezal hemi SOHC , sensible pero duradero, famoso por su cilindrada de 2 L (122 pulgadas cúbicas) en su sedán deportivo de 2002 de los años 1960 y 1970.

Quizás el defensor más conocido del diseño de cámara hemisférica es Chrysler Corporation . Chrysler se hizo conocida principalmente por registrar la marca "Hemi" y luego usarla ampliamente en sus campañas publicitarias a partir de la década de 1960. Chrysler ha producido tres generaciones de dichos 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 "Hemi" de Chrysler utiliza parte de un esferoide achatado (esfera aplanada) para la forma de su cabeza para mejorar la eficiencia de la combustión en comparación con una cabeza hemisférica real. ^[8]

En 1964, Ford produjo un V8 Hemi de 425 pulgadas cúbicas basado en FE con un solo árbol de levas en cabeza , conocido como "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 un motor opcional en los mostradores de repuestos de Ford. ^[10] Los resultados del dinamómetro de la época afirman que el Hemi SOHC produjo casi 700 hp (522 kW) en forma de caja (100 hp por litro). ^{[11] [ dudoso - discutir ]} Utilizaba el bloque del motor con engrasador lateral modificado para reemplazar una leva en el bloque con un eje loco que impulsaba el distribuidor y la bomba de aceite, y acomodar otros problemas del árbol de levas en cabeza. ^[9] Las levas en cabeza significaban que no estaba tan limitado en rpm como los Chrysler Hemis con sus varillas de empuje y trenes de válvulas pesados ​​y complejos. ^[12]

Debido a su potencia de salida y al hecho de que Chrysler le había mostrado al jefe de NASCAR , Bill France, que estaban desarrollando un DOHC 426 Hemi, fue prohibido en las carreras de NASCAR, aunque se permitió en ciertas clases de carreras de aceleración. ^{[ dudoso – discutir ]}

Los diseños posteriores de motores Ford con cámaras hemisféricas incluyeron el Calliope , que utilizaba dos levas en bloque, dispuestas una sobre la otra, para impulsar 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 presentó la familia de motores de la serie 385 completamente nueva, que utilizaba una forma Semi-Hemi ^{[ aclarar ]} modificada de la cámara hemisférica. ^[14]

En la década de 1970, Ford diseñó y produjo un motor "Windsor" de bloque pequeño ^{[ ¿cuál? ]} con cabezas hemisféricas ^{[ cita requerida ] para abordar las crecientes preocupaciones sobre 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 Hemi no podían ser lo suficientemente limpias para cumplir con las regulaciones. Esto, más el 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 impulsar la bomba, hicieron que un mayor desarrollo fuera inútil en ese momento.

La mayoría de los Ford de 4 cilindros de la década de 1980 usaban el motor Ford CVH , "CVH" significa válvula compuesta, hemisférica (cámara de combustión). Después de 1986, la culata de este motor se modificó para incorporar cámaras de combustión de mezcla pobre en forma de corazón y se usó en modelos de bajo rendimiento que no se beneficiaban de la inyección de combustible multipunto: 1.4, 1.6, 1.8 en Europa, aunque todavía se lo conocía coloquialmente como CVH.

El motor semiautomático Jaguar XK , introducido en 1949, propulsó coches que iban desde el D-Type ganador de Le Mans hasta el XJ6 . ^[17]

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

Los motores Lancia V4 y Lancia V6 utilizaban cámaras de combustión hemisféricas.

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

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

El MGA Twin-Cam fue una variante de la línea MG MGA 1600 MkI de varillas de empuje de 1958 a 1960. El bloque de hierro fundido de 1588 cc con varillas de empuje original estaba equipado con una culata de dos válvulas y doble leva de aluminio fundido. Las primeras versiones demostraron ser frágiles en la calle y en competición debido al preencendido ( 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 de 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 produjo varios motores hemi, incluidas las unidades 'Orion' , 'Astron' y 'Saturn' .

Los motores Z , VG (sólo versión SOHC) y DOHC VQ de Nissan utilizan cámaras de combustión hemisféricas. El Z y el VG son hemisféricos auténticos, mientras que el VQ utiliza una forma de techo inclinado compuesto.

Porsche ha hecho un uso extensivo de los motores de cabezal hemi , incluido el motor flat-6 refrigerado por aire en los modelos Porsche 911 de 1963 a 1999. La versión de 2,7 L de 1973 generaba 56 hp por litro de cilindrada de aspiración natural . ^[19]

La familia de motores en V de Toyota eran V8 montados longitudinalmente que se utilizaron en el prestigioso Toyota Century desde la década de 1960 hasta la de 1990. Toyota había trabajado con Yamaha para producir el primer motor japonés con bloque de aleación de aluminio. La familia V se conoce a menudo como Toyota HEMI, ya que el motor presenta un diseño de culata similar a los que se encuentran en el 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. ^{[ cita requerida ]} Las bujías estaban ubicadas en la parte superior de la cámara de combustión.

En la era moderna de las emisiones, la hemicámara se ha transformado en diseños más sofisticados y complejos que pueden extraer más potencia con menores emisiones de cualquier evento de combustión.

Muchos de los motores actuales utilizan "cámaras de combustión activas" diseñadas para hacer girar y arremolinar la mezcla de combustible y aire dentro de la cámara para lograr la combustión más eficiente posible. ^[20] Estas cámaras suelen tener la apariencia de frijoles rojos o de dos pequeñas áreas "hemi" fusionadas rodeadas de áreas de enfriamiento planas sobre los pistones. ^[21]