Двигун з плоскою головкою (Flathead)

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: .

Двигун із плоскою головкою, також відомий як двигун із бічним клапаном або двигун із клапаном у блоці, — це двигун внутрішнього згоряння, тарілчасті клапани якого розташовані в блоці двигуна, а не в головці блоку циліндрів.

Двигун з перехресним потоком Т-подібної головки з бічним клапаном

Звичайна L-подібна головка

Для підвищення ступеня стиснення можна використовувати висувні поршні

Плоска голова з турбулентною головою Рікардо

З кінця 1890-х до середини 1960-х років виробники автомобілів з кінця 1890-х до середини 1960-х років широко використовували плоскі головки, але їх замінили більш ефективними двигунами з верхнім розташуванням клапанів і розподільним валом. Нині вони переживають відродження в низькообертових авіаційних двигунах, таких як D-Motor.

Конструкція бічного клапана

Розподільний механізм складається з розподільного вала, розташованого нижче в блоці циліндрів, який керує тарільчатими клапанами за допомогою штовхачів і коротких штовхачів (або іноді взагалі без штовхачів). Система з плоскою головкою позбавляє потреби в додаткових компонентах клапанного механізму, таких як довгі штовхачі, коромисла, верхні клапани або верхні розподільні вали. Бокові клапани, як правило, розташовані поруч, розташовані з одного боку циліндра(ів), хоча деякі плоскі клапани використовують менш поширений варіант «перехресного» типу «Т-образної головки». У двигуні з Т-подібною головкою вихлопні гази виходять з протилежного боку циліндра від впускного клапана.

Камера згоряння двигуна з бічним клапаном розташована не над поршнем (як у двигуні OHV (верхній клапан), а збоку, над клапанами. Свічка запалювання може бути розташована над поршнем (як у двигуні OHV) або над клапанами; але конструкції літаків з двома пробками на циліндр можуть використовувати одне або обидва положення.

«Висувні поршні» можна використовувати з сумісними головками для збільшення ступеня стиснення та покращення форми камери згоряння для запобігання детонації. «Висувні» поршні називаються так тому, що у верхній мертвій точці вони виступають над верхньою частиною блоку циліндрів.

Переваги

Переваги двигуна з бічним клапаном включають: простоту, надійність, невелику кількість деталей, низьку вартість, малу вагу, компактність, чутливу потужність на низьких обертах, низький механічний шум двигуна та нечутливість до низькооктанового палива. Відсутність складного газорозподільного механізму дозволяє створити компактний двигун, який є дешевим у виробництві, оскільки головка блоку циліндрів може бути не більшою, ніж проста металева литва. Ці переваги пояснюють, чому двигуни з бічними клапанами використовувалися для легкових автомобілів протягом багатьох років, тоді як конструкції OHV стали специфікуватися лише для високопродуктивних застосувань, таких як літаки, автомобілі класу люкс, спортивні автомобілі та деякі мотоцикли.

У верхній мертвій точці поршень дуже близько наближається до плоскої частини головки циліндра вище, і результуюча «хлюпаюча» турбулентність створює чудове змішування палива та повітря. Особливістю конструкції бокового клапана (особливо зручною для авіаційних двигунів) є те, що якщо клапан заїде у своїй напрямній і залишиться частково відкритим, поршень не буде пошкоджено, і двигун продовжуватиме безпечно працювати на своїх інших циліндрах.

Недоліки

Основними недоліками двигуна з бічним клапаном є поганий потік газу, погана форма камери згоряння та низький ступінь стиснення, що призводить до низької кількості обертів двигуна з низькою вихідною потужністю та низькою ефективністю. Оскільки двигуни з бічним клапаном не спалюють паливо ефективно, вони страждають від високих викидів вуглеводнів.

Двигуни з бічним клапаном можна використовувати тільки для двигунів, що працюють за принципом Отто. Форма камери згоряння не підходить для дизельних двигунів.

У двигуні з бічним клапаном впускні та вихлопні гази йдуть окружним шляхом із низькою об'ємною ефективністю, або «поганим диханням», не в останню чергу тому, що вихлопні гази перешкоджають надходженню заряду. Оскільки вихлоп проходить довгий шлях, щоб вийти з двигуна, існує тенденція до перегріву двигуна. (Примітка: це вірно для V-подібних двигунів з плоскою головкою, але менша проблема для рядних двигунів, які зазвичай мають впускні та випускні отвори з одного боку блоку двигуна.) Хоча двигун із бічним клапаном може безпечно працювати на високій швидкості, його об'ємна ефективність швидко погіршується, так що висока вихідна потужність неможлива на швидкості. Високий об'ємний ККД був менш важливим для ранніх автомобілів, оскільки їхні двигуни рідко витримували тривалу високу швидкість, але дизайнери, які шукали більшої потужності, змушені були відмовитися від бічного клапана. Компромісом, використовуваним Willys Jeep, Rover, Landrover і Rolls-Royce у 1950-х роках, була «F-head» (або клапан «впуск над випуском»), який має один бічний клапан і один верхній клапан на циліндр.

Подовжена камера згоряння плоскої головки схильна до попереднього займання (або «детонації»), якщо ступінь стиснення збільшується, але такі вдосконалення, як лазерне запалювання або мікрохвильове запалювання, можуть допомогти запобігти детонації. Турбулентні канавки можуть збільшити завихрення всередині камери згоряння, таким чином збільшуючи крутний момент, особливо на низьких обертах. Краще змішування паливно-повітряної зарядки покращує згоряння та допомагає запобігти детонації.

Прогрес у технології плоских головок став результатом експериментів у 1920-х роках сера Гаррі Рікардо, який покращив їх ефективність після вивчення характеристик газового потоку двигунів з бічним клапаном.

Труднощі в розробці плоскої головки з високим ступенем стиснення означають, що більшість, як правило, мають конструкції з іскровим запалюванням, а дизелі з плоскою головкою практично невідомі.

Історія та застосування

Розташування бічних клапанів було особливо поширене в Сполучених Штатах і використовувалося для двигунів автомобілів, навіть для двигунів з високою питомою потужністю. Конструкції бічних клапанів все ще є звичайними для багатьох невеликих одноциліндрових або двоциліндрових двигунів, таких як газонокосарки, фрези, двоколісні трактори та інша базова сільськогосподарська техніка.

Автомобільні двигуни

Багатоциліндрові двигуни з плоскою головкою використовувалися для таких автомобілів, як Ford Model T і Ford Model A, двигун V8 з плоскою головкою Ford і двигун Ford Sidevalve. У 1938—1940 роках компанія Cadillac виробляла двигуни V-16 з плоскою головкою для розкішних автомобілів серії 90. Після Другої світової війни конструкції з плоскими головками почали замінюватися конструкціями OHV (верхні клапани). Пласкі головки більше не були поширеними в автомобілях, але вони продовжували використовуватися в більш рудиментарних транспортних засобах, таких як позашляхові військові джипи. У колах американських автомобілів на замовлення та хот-родів досі можна побачити відреставровані зразки ранніх двигунів Ford V8 з плоскою головкою.

Авіаційні двигуни

Простота, легкість, компактність і надійність можуть здатися ідеальними для авіаційного двигуна, але через низьку ефективність перші двигуни з плоскою головкою вважалися непридатними. Двома помітними винятками були американський опозитний здвоєний авіаційний двигун Aeronca E-107 1930 року та чотирикутник Continental A40 1931 року, який став одним із найпопулярніших легких авіаційних двигунів 1930-х років. Двома сучасними кузовами з плоскою головкою є бельгійські четвірки та шістки D-Motor. Це надзвичайно короткохідні та компактні аеродвигуни з прямим приводом до гвинта.

Мотоциклетні двигуни

Конструкції «Flathead» використовувалися на ряді ранніх довоєнних мотоциклів, зокрема на американських V-подібних двигунах, таких як Harley-Davidson і Indian, деяких британських одинарних мотоциклах, flat-twin від BMW та їх російських копіях. У 1920-х роках компанія Cleveland Motorcycle Manufacturing Company виготовила чотирициліндровий рядний мотоциклетний двигун із Т-подібною головкою.

• Блок двигуна Cadillac з плоскою головкою 1915 року
• Harley-Davidson плоскоголовий
• Indian Chief Чорний Яструб
• BMW R12
• Cleveland Model 4-45

Примітки

1. American Rodder, 6/94, pp.45 & 93.
2. (As the cylinder cross-section has the shape of an inverted L, other names such as «L-block» or «L-head» are also used)
3. What Was the Final Year for a New Flathead-Powered American Car?. 20 грудня 2018.
4. . Архів оригіналу за 25 February 2018. Процитовано 29 квітня 2018.
5. An exception is the which employs both rocker arms and pushrods to transmit motion from the cam lobes to the valve stems.
6. The D-motor flathead aero-engines have both spark pugs above the valves.
7. Davis, Marlan (29 вересня 2006). Ford Flathead V8 – The Flathead Guide of Death. Hotrod.com. Hot Rod Magazine. Combustion Chamber. Процитовано 8 квітня 2014. Trying to gain back compression ratio by using popup pistons may improve airflow provided proper attention is paid to the transfer area and overall piston-to-combustion chamber interface. The best balance has been the subject of debate for over 60 years. Currently the most popular approach is running a big popup piston, but with a scallop on the side adjacent to the valves to keep the transfer area clear between the valves and the cylinder bore. Recommended bottom-line street-gas-friendly compression ratios are between 7.5–8:1 on naturally aspirated engines and 6.5–7.0:1 with a blower.
8. A critique of the flathead or side valve engine. 13 липня 2012. Процитовано 22 серпня 2015.
9. H. Kremser (author): Der Aufbau schnellaufender Verbrennungskraftmaschinen, in Hans List (ed): Die Verbrennungskraftmaschine, volume 11, Springer, Wien 1942, , p. 50
10. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. 8. Auflage, Springer, Wiesbaden 2017, , Chapter 10, p. 534
11. Anton Pischinger (author): Die Steuerung der Verbrennungskraftmaschinen, in Hans List (ed): Die Verbrennungskraftmaschine, volume 9, Springer, Wien 1948, , p. 14
12. Road and Track, some time in the 1960s
13. {{}}: Порожнє посилання на джерело ()Обслуговування CS1: Сторінки з параметром url-status, але без параметра archive-url ()
14. Graeber, Charles (23 вересня 2004). Obsession: Mr. Singh's Search for the Holy Grail. Popular Science. Bonnier. Процитовано 3 липня 2014. In November 2002 Singh actually received one such permission from a manufacturer to test his modification on its engines. The manufacturer was Briggs and Stratton, and the engines were two 149cc side valves.
15. amrelweekil (14 вересня 2009). Engine modify by Somender Singh. YouTube. Grooved flathead at 1:31–1:38. оригіналу за 1 жовтня 2020. Процитовано 9 квітня 2014.
16. Patent US 6237579  Somender Singh: «Design to improve turbulence in combustion chambers»
17. The internal-combustion engine by Harry Ralph Ricardo, Blackie and Son Limited.
18. LaChance, David (February 2007). Reignmaker – 1939 Cadillac Series 39-90. Hemmings Motor News. American City Business Journals. Процитовано 17 листопада 2015. Mechanically, the Series 90 cars shared the advances of the Series 75. The V-8 car's three-speed manual transmission was deemed up to the task of handing the torque of the V-16, in part because the larger engine delivered its impulses so smoothly.
19. Street Rodder, 1/85, p.72.
20. Although very small and compact, the D-Motor flat-six displaces nearly 4 litres.
21. . D-motor.eu. Архів оригіналу за 28 березня 2012. Процитовано 6 грудня 2011.
22. Tacke, Willi; Marino Boric; et al: World Directory of Light Aviation 2015-16, pages 256—257. Flying Pages Europe SARL, 2015. ISSN 1368-485X
23. For example, some Dnepr and Ural used flathead designs that BMW had licensed to the Soviets.