Silnik z płaską głowicą - Flathead engine

Silnik z zaworem bocznym z przepływem krzyżowym w kształcie litery T

Zwykłe ustawienie głowicy w kształcie litery L

W celu zwiększenia stopnia sprężania można zastosować tłoki wyskakujące

Płaskogłowy z burzliwą głową Ricardo

Płaskiego silnika , znany także jako silnik sidevalve lub silnikiem zawór w bloku jest silnik spalinowy z jego zaworów grzybkowych zawarte w bloku cylindrów , a nie w głowicy cylindra , co w OHV .

Płaskie głowice były szeroko stosowane na całym świecie przez producentów samochodów od końca lat 90. XIX wieku do połowy lat 50. XX wieku, ale zostały zastąpione bardziej wydajnymi silnikami z górnym zaworem i górnym wałkiem rozrządu . Obecnie przeżywają odrodzenie w niskoobrotowych silnikach lotniczych, takich jak D-Motor .

Konstrukcja zaworu bocznego

Koło zębate zaworu składa się z wałka rozrządu umieszczonego nisko w bloku cylindrów, który obsługuje zawory grzybkowe za pomocą popychaczy i krótkich popychaczy (lub czasami w ogóle bez popychaczy). System płaskiej głowicy eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych elementów układu rozrządu , takich jak długie popychacze, wahacze, górne zawory lub górne wałki rozrządu . Zawory boczne są zwykle sąsiadujące, umieszczone po jednej stronie cylindra (cylindrów), chociaż niektóre głowice płaskie wykorzystują mniej powszechny wariant „głowicy T ” z przepływem krzyżowym . W silniku z głowicą T spaliny opuszczają się po przeciwnej stronie cylindra od zaworu wlotowego.

Komora spalania silnika z zaworem bocznym nie znajduje się nad tłokiem (jak w silniku OHV (górnozaworowym)), ale z boku, nad zaworami. Świeca zapłonowa może być umieszczona nad tłokiem (jak w silniku OHV) lub nad zaworami; ale projekty samolotów z dwoma korkami na cylinder mogą wykorzystywać jedną lub obie pozycje.

„Tłoki wyskakujące” mogą być stosowane z kompatybilnymi głowicami, aby zwiększyć stopień sprężania i poprawić kształt komory spalania, aby zapobiec stukaniu . Tłoki „wyskakujące” są tak nazywane, ponieważ w górnym martwym punkcie wystają ponad górną część bloku cylindrów.

Zalety

Zaletami silnika z zaworem bocznym są: prostota, niezawodność, mała liczba części, niski koszt, niewielka waga, zwartość, responsywna moc przy niskich obrotach, niski poziom hałasu mechanicznego silnika i niewrażliwość na paliwo o niskiej liczbie oktanowej. Brak skomplikowanego układu zaworowego pozwala na stworzenie kompaktowego silnika, który jest tani w produkcji, ponieważ głowica cylindra może być niewiele więcej niż prostym metalowym odlewem. Zalety te wyjaśniają, dlaczego silniki zawory boczne zostały wykorzystane dla samochodów osobowych przez wiele lat, a OHV projekty zaczęły być określone tylko dla zastosowań wymagających wysokiej wydajności, takich jak samolotów , samochodów luksusowych , sportowych samochodów , a niektóre motocykli .

W górnym martwym punkcie tłok zbliża się bardzo do płaskiej części głowicy cylindra powyżej, a powstałe turbulencje zgniatające zapewniają doskonałe mieszanie paliwa z powietrzem. Cechą konstrukcji zaworu bocznego (szczególnie korzystną dla silnika lotniczego) jest to, że gdyby zawór zakleszczył się w swojej prowadnicy i pozostał częściowo otwarty, tłok nie uległby uszkodzeniu, a silnik kontynuowałby bezpieczną pracę na pozostałych cylindrach.

Niedogodności

Głównymi wadami silnika z zaworem bocznym są słaby przepływ gazu, zły kształt komory spalania i niski stopień sprężania, co daje w efekcie silnik o niskich obrotach, małej mocy wyjściowej i niskiej sprawności. Ponieważ silniki z zaworem bocznym nie spalają paliwa efektywnie, cierpią z powodu wysokiej emisji węglowodorów.

Silniki zaworowe mogą być stosowane tylko do silników pracujących na zasadzie Otto. Kształt komory spalania jest nieodpowiedni do silników Diesla.

W silniku z zaworem bocznym gazy wlotowe i wydechowe poruszają się okrężną drogą, z niską wydajnością objętościową lub „słabym oddychaniem”, nie tylko dlatego, że spaliny zakłócają dopływ ładunku. Ponieważ spaliny podążają długą drogą, aby opuścić silnik, istnieje tendencja do przegrzewania się silnika . (Uwaga: dotyczy to silników z płaską głowicą typu V, ale mniejszy problem w przypadku silników rzędowych, które zazwyczaj mają otwory wlotowe i wylotowe po tej samej stronie bloku silnika.) Chociaż silnik z zaworem bocznym może bezpiecznie pracować z dużą prędkością, jego sprawność wolumetryczna szybko się pogarsza, tak że wysoka moc wyjściowa nie jest możliwa przy dużej prędkości. Wysoka sprawność objętościowa była mniej ważna we wczesnych samochodach, ponieważ ich silniki rzadko wytrzymywały duże prędkości, ale projektanci poszukujący wyższej mocy musieli zrezygnować z zaworu bocznego. Kompromisem zastosowanym przez Willys Jeep , Rover , Landrover i Rolls-Royce w latach 50. był „F-head” (lub zawory „dolotowo-wydechowe”), który ma jeden zawór boczny i jeden zawór górny na cylinder.

Wydłużona komora spalania płaskiej głowicy jest podatna na przedwczesny zapłon (lub „stukanie”), jeśli stopień sprężania zostanie zwiększony, ale ulepszenia, takie jak zapłon laserowy lub zapłon wspomagany mikrofalami, mogą pomóc w zapobieganiu stukaniu. Rowki turbulencji mogą zwiększać zawirowanie wewnątrz komory spalania, zwiększając w ten sposób moment obrotowy, szczególnie przy niskich obrotach. Lepsze mieszanie wsadu paliwowo-powietrznego poprawia spalanie i zapobiega stukaniu.

Postęp w technologii płaskiej głowicy wynikał z eksperymentów prowadzonych w latach 20. XX wieku przez Sir Harry'ego Ricardo , który poprawił ich wydajność po zbadaniu charakterystyk przepływu gazu w silnikach zaworowych.

Trudność w zaprojektowaniu płaskiej głowicy o wysokim współczynniku kompresji oznacza, że większość z nich to konstrukcje z zapłonem iskrowym, a diesle z płaskimi głowicami są praktycznie nieznane.

Historia i aplikacje

Układ zaworów bocznych był szczególnie powszechny w Stanach Zjednoczonych i stosowany w silnikach pojazdów silnikowych, nawet w silnikach o dużej mocy wyjściowej. Konstrukcje zaworów bocznych są nadal wspólne dla wielu małych jedno- lub dwucylindrowych silników, takich jak kosiarki , rotavatory , traktory dwukołowe i inne podstawowe maszyny rolnicze .

Płaskie samochody

Wielocylindrowe silniki z płaską głowicą były stosowane w samochodach takich jak Ford Model T i Ford Model A , silnik Ford V8 z płaską głowicą oraz silnik Ford Sidevalve . Cadillac produkował płaskie silniki V-16 do swoich luksusowych samochodów serii 90 w latach 1938-1940. Po II wojnie światowej konstrukcje z płaską głowicą zaczęły być wypierane przez konstrukcje OHV (zawory górne). Flatheads nie były już powszechne w samochodach , ale nadal w pojazdach bardziej prymitywnych, takich jak off-road Jeep wojskowych . W amerykańskich niestandardowych kołach samochodów i hot rodów wciąż można zobaczyć odrestaurowane przykłady wczesnych V8 z płaskim łbem Forda.

Silniki lotnicze z płaską głowicą

Prostota, lekkość, zwartość i niezawodność mogą wydawać się idealne dla silników lotniczych , ale ze względu na ich niską sprawność, wczesne silniki z płaską głowicą uznano za nieodpowiednie. Dwa godne uwagi wyjątki to amerykański Aeronca E-107 przeciwstawiający się podwójnemu silnikowi lotniczemu z 1930 roku i Continental A40 flat four z 1931 roku, który stał się jednym z najpopularniejszych lekkich silników lotniczych lat 30. XX wieku. Dwa nowoczesne płaskie głowice to belgijskie płaskie czwórki i szóstki D-Motor . Są to niezwykle duże i kompaktowe silniki lotnicze z bezpośrednim napędem na śmigło.

Motocykle płaskie

Projekty Flathead były używane w wielu wczesnych przedwojennych motocyklach, w szczególności w amerykańskich V-twinach, takich jak Harley-Davidson i Indian , niektórych brytyjskich singli, płaskich bliźniakach BMW i ich rosyjskich kopiach. Firma Cleveland Motorcycle Manufacturing Company wyprodukowała czterocylindrowy rzędowy silnik motocyklowy z głowicą T w latach 20. XX wieku.