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 que presenta este tipo de cámara hemisférica se conoce como hemimotor . En la práctica, normalmente se emplean formas menores que un hemisferio completo, al igual que variaciones (o facetado 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 los gases de admisión y de escape, lo que también resulta en una mejor eficiencia volumétrica y una mayor potencia); las principales desventajas son los complejos trenes de válvulas (causados por las válvulas colocadas una frente a otra en un cabezal) y el costo (de mecanizar los cabezales y los pistones, y componentes adicionales del tren de válvulas).
Si bien las cámaras de combustión hemisféricas todavía se encuentran en las disposiciones de múltiples válvulas de la década de 2000 (de cuatro e incluso cinco válvulas por cilindro) y la popularidad de las disposiciones de levas en cabeza (incluidas las de doble árbol de levas en cabeza ) han alterado las compensaciones tradicionales en el empleo de "cabezas hemi". .
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Las cámaras de combustión hemisféricas se introdujeron en algunos de los primeros motores de automóvil, poco después de que se demostrara por primera vez la viabilidad del motor de combustión interna. Su nombre refleja el hueco abovedado en una culata de cilindro 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 cerrado real es generalmente menos de la mitad. .
Las culatas hemisféricas se utilizan al menos desde 1901; [1] fueron utilizados por el fabricante de automóviles belga Pipe en 1905 [2] y por el auto de carreras Fiat 130 HP Grand Prix de 1907. [3] El automóvil Peugeot Grand Prix de 1912 y el automóvil Alfa Romeo Grand Prix de 1914 tenían motores de cuatro válvulas, y Daimler y Riley también usaban cámaras de combustión hemisféricas en ese momento. A partir de 1912, Stutz utilizó motores de cuatro válvulas, [4] anticipando conceptualmente 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 semiesférica ("hemi-cabeza") proporciona una cámara de combustión eficiente con una mínima pérdida de calor hacia la cabeza y permite dos válvulas grandes . Sin embargo, una semicabeza generalmente no permite más de dos válvulas por cilindro debido a la dificultad de disponer el engranaje 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 más elevación de válvula. Las válvulas de admisión y escape se encuentran en lados opuestos de la cámara y necesitan un diseño de cabezal de " flujo cruzado ". Dado que la cámara de combustión es prácticamente un hemisferio, un pistón de 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 giraron en torno al diseño del accionamiento de la válvula y cómo hacerlo efectivo, eficiente y confiable a un costo aceptable, [2] lo que normalmente requiere el uso de un sistema de doble balancín, o árboles de levas dobles para operar las válvulas de admisión y escape. Se hizo referencia a la complejidad al principio del desarrollo de Chrysler de su motor hemi de la década de 1950: en la publicidad de la empresa se hacía referencia a la cabeza como la cabeza Double Rocker . [2] El motor CVH (hemisférico de válvula compuesta) 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 semiesféricamente fueran operadas por un solo árbol de levas y sin necesidad de dos ejes de balancines.
Aunque un diseño de cabeza de cuña ofrece un accionamiento de válvula simplificado, generalmente 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 las cabezas de las válvulas para que no sumen más que el diámetro interior del cilindro en una disposición de dos válvulas por cilindro. Con una cámara semiesférica con un ángulo de vástago de válvula achatado, esta limitación aumenta con el ángulo, lo que hace posible que el tamaño del diámetro total de la válvula exceda el tamaño del orificio dentro de una configuración de válvula en cabeza . Consulte el motor IOE para conocer otro método.
Además, el ángulo ensanchado de la válvula 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 rpm, ralentiza la velocidad del flujo de admisión, lo que no proporciona el mejor evento de combustión en cuanto a emisiones, eficiencia o potencia en el rango normal de rpm.
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 la combustión eficiente, a menos que se aumente el número de bujías por cilindro.
Las temperaturas de las llamas son muy altas, lo que genera una producción 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. Otros inconvenientes de la cámara hemisférica incluyen el aumento del coste de producción y el elevado peso relativo (un 25% más pesado que una cabeza de cuña comparable según los ingenieros de Chrysler [6] ). Estos habían hecho que el hemi head perdiera popularidad en la era moderna, hasta el rediseño de Chrysler en 2003 que resultó popular.
Alfa Romeo ha producido motores hemi-head con éxito 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 ha sido citado por algunos como uno de los motores de producción con mejor y más distintivo sonido (incluso en sus últimas formas de 24v) de todos los tiempos. [7] Es probable que parte de este elogio se deba a que las cabezas 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 permitió a Alfa Romeo utilizar escapes originales más silenciosos sin perder mucho. de su distintivo y querido ruido de motor de carreras.
El DOHC V8 de Aston Martin utilizó una cámara hemisférica desde finales de los años 1960 hasta finales de los 1980. Cada una de las cuatro levas controlaba un juego de válvulas por banco de cilindros. El Aston Martin V8 5,3 L (5340 cc/325 pulgadas 3 ) producía 315 caballos de fuerza (235 kW) brutos.
BMW se convirtió en una marca mundial gracias a su potente pero duradero motor SOHC M10 de 4 cilindros en línea con hemicabezal , el más famoso fabricado con una cilindrada de 2 L (122 pulgadas cúbicas) en su sedán deportivo de 2002 de las décadas de 1960 y 1970.
Quizás el defensor más conocido del diseño de cámara hemisférica sea Chrysler Corporation . Chrysler se identificó principalmente por registrar el nombre "Hemi" y luego usarlo ampliamente 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 los años 1970; y el "nuevo HEMI" de 2003 a 2024. La versión más reciente del motor Chrysler "Hemi" utiliza parte de un esferoide achatado (esfera aplanada) en la forma de su cabeza para mejorar la eficiencia de la combustión en comparación con una cabeza hemisférica verdadera. [8]
En 1964, Ford produjo un solo árbol de levas en cabeza de 425 pies cúbicos en hemi V8 basado en FE conocido como "427 SOHC" Cammer " . Diseñado tras 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 del dinamómetro de época afirman que el SOHC Hemi producía casi 700 hp (522 kW) en forma de caja (100 hp por litro). [11] [ dudoso - discutir ] Utilizó el bloque del motor con engrasador lateral modificado para reemplazar una leva en el bloque con un eje loco que acciona 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 lo estaban los Chrysler Hemis con sus varillas de empuje y sus pesados y complejos trenes de válvulas. [12]
Debido a su potencia de salida y al hecho de que Chrysler le había mostrado al jefe de NASCAR , Bill France, que se estaba preparando un DOHC 426 Hemi, fue prohibido en las carreras de NASCAR, aunque permitido en ciertas clases de carreras de resistencia. [ dudoso – discutir ]
Los diseños posteriores de motores Ford con cámaras hemisféricas incluyeron el Calliope , que usaba dos levas en 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 estaban casi horizontales. En 1968, Ford presentó la familia de motores 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 necesaria ] 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 alimenta una cámara de carga estratificada , [15] [16] las emisiones del hemi no pudieron 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 entregar 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 transformó en 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 el CVH.
El motor Jaguar XK hemi-head , introducido en 1949, impulsaba 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 eran una característica del motor M102 introducido en 1980, que junto con el diseño del cabezal de flujo cruzado promovía una mayor eficiencia con respecto al motor M115 al que reemplazó. [18]
El MGA Twin-Cam era una variante de la línea MGA 1600 MkI MG MGA con varilla de empuje de 1958 a 1960. El bloque de hierro fundido de 1588 cc con varilla de empuje original estaba equipado con una culata de dos válvulas y doble leva de aluminio fundido. Las primeras versiones resultaron 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 varilla de empuje, conocidos como modelos MGA 1600 MkI y MkII DeLuxe.
Mitsubishi produjo varios motores hemi, incluidas las unidades 'Orion' , 'Astron' y 'Saturn' .
Los motores Z , VG (solo versión SOHC) y DOHC VQ de Nissan utilizan cámaras de combustión hemisféricas. El Z y el VG son verdaderamente hemisféricos, mientras que el VQ utiliza una forma compuesta de techo inclinado.
Porsche ha hecho un uso extensivo de motores hemi-head , 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 V de Toyota estaba formada por V8 montados longitudinalmente utilizados en el prestigioso Toyota Century desde los años 1960 hasta los 1990. Toyota había trabajado con Yamaha para producir el primer motor japonés de bloque totalmente de aleación de aluminio. La Familia V a menudo se conoce 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 (p. ej., 2T-C , 2M , 4M , etc.) de la época utilizaban una cámara de combustión hemisférica. [ cita necesaria ] Las bujías estaban ubicadas en la parte superior de la cámara de combustión.
En la era moderna de las emisiones, la semicámara se ha transformado en diseños más sofisticados y complejos que pueden extraer más energía con menos emisiones de cualquier evento de combustión determinado.
Muchos de los motores actuales utilizan "cámaras de combustión activa" diseñadas para girar y hacer girar la mezcla de combustible y aire dentro de la cámara para lograr la combustión más eficiente posible. [20] Estas cámaras generalmente parecen frijoles o dos pequeñas áreas 'hemi' fusionadas rodeadas por áreas de enfriamiento planas sobre los pistones. [21]