Плоский двигатель
Двигатель с плоской головкой , также известный как двигатель с боковыми клапанами. [1] [2] или двигатель с клапанным блоком — это двигатель внутреннего сгорания которого , тарельчатые клапаны расположены внутри блока двигателя , а не в головке блока цилиндров , как в двигателе с верхним расположением клапанов .
Плоские головки широко использовались производителями автомобилей по всему миру с конца 1890-х до середины 1960-х годов. [3] но были заменены более эффективными двигателями с верхним расположением клапанов и верхним расположением распределительного вала . В настоящее время они переживают возрождение в области низкооборотных авиационных двигателей, таких как D-Motor . [4]
Конструкция с боковым клапаном
[ редактировать ]Клапанный механизм состоит из распределительного вала, расположенного внизу блока цилиндров, который управляет тарельчатыми клапанами через толкатели и короткие толкатели (или иногда вообще без толкателей). Система с плоской головкой устраняет необходимость в дополнительных компонентах клапанного механизма, таких как длинные толкатели, коромысла, верхние клапаны или верхние распределительные валы . [5] Боковые клапаны обычно расположены рядом, на одной стороне цилиндра(ов), хотя в некоторых плоских головках используется менее распространенный с поперечным потоком вариант Т-образной головки . В двигателе с Т-образной головкой выхлопные газы выходят на сторону цилиндра, противоположную впускному клапану.
Камера сгорания двигателя с боковыми клапанами расположена не над поршнем (как в двигателе с верхним расположением клапанов), а сбоку, над клапанами. Свеча зажигания может располагаться над поршнем (как в двигателе с верхним расположением клапанов) или над клапанами; но в конструкциях самолетов с двумя свечами на цилиндр можно использовать одно или оба положения. [6]
«Выдвижные поршни» можно использовать с совместимыми головками для увеличения степени сжатия и улучшения формы камеры сгорания для предотвращения детонации . [7] «Выдвижные» поршни называются так потому, что в верхней мертвой точке они выступают над верхней частью блока цилиндров.
Преимущества
[ редактировать ]К преимуществам двигателя с боковыми клапанами относятся: простота, надежность, малое количество деталей, низкая стоимость, малый вес, компактность, отзывчивость на низких оборотах, низкий механический шум двигателя и нечувствительность к низкооктановому топливу. Отсутствие сложного клапанного механизма позволяет создать компактный двигатель, дешевый в производстве, поскольку головка блока цилиндров может представлять собой не более чем простую металлическую отливку. Эти преимущества объясняют, почему двигатели с боковым расположением клапанов использовались в легковых автомобилях в течение многих лет, в то время как конструкции с верхним расположением клапанов стали предназначаться только для высокопроизводительных применений, таких как самолеты , автомобили класса люкс , спортивные автомобили и некоторые мотоциклы . [ нужна ссылка ]
В верхней мертвой точке поршень приближается очень близко к плоской части головки блока цилиндров, и возникающая в результате хлюпающая турбулентность обеспечивает превосходное смешивание топлива и воздуха. Особенностью конструкции бокового клапана (особенно полезной для авиационного двигателя) является то, что, если клапан заклинит в направляющей и останется частично открытым, поршень не будет поврежден, и двигатель продолжит безопасно работать в других цилиндрах. [ нужна ссылка ]
Недостатки
[ редактировать ]Основными недостатками двигателя с боковыми клапанами являются плохой поток газа, плохая форма камеры сгорания и низкая степень сжатия, что приводит к тому, что двигатель работает на низких оборотах и имеет низкую выходную мощность. [8] и низкая эффективность. [9] Поскольку двигатели с боковыми клапанами сжигают топливо неэффективно, они страдают от высоких выбросов углеводородов. [10]
Двигатели с боковыми клапанами можно использовать только для двигателей, работающих по принципу Отто . Форма камеры сгорания не подходит для дизельных двигателей . [11] которые требуют высокой степени сжатия для воспламенения .
В двигателе с боковыми клапанами впускные и выхлопные газы следуют окольным путем с низким объемным КПД или «плохим дыханием», не в последнюю очередь потому, что выхлопные газы мешают поступающему заряду. Поскольку выхлопные газы выходят из двигателя по длинному пути, существует тенденция к перегреву двигателя . (Примечание: это справедливо для V-образных двигателей с плоской головкой, но не является проблемой для рядных двигателей, у которых впускные и выпускные отверстия обычно находятся на одной стороне блока цилиндров.) Хотя двигатель с боковыми клапанами может безопасно работать на высоких скоростях, его объемный КПД быстро ухудшается, так что высокая выходная мощность невозможна на скорости. Высокий объемный КПД был менее важен для первых автомобилей, поскольку их двигатели редко выдерживали высокие обороты, но конструкторам, стремившимся к более высокой мощности, пришлось отказаться от бокового клапана. Компромиссом, используемым Willys Jeep , Rover , Landrover и Rolls-Royce в 1950-х годах, была «F-образная головка» (или клапан «впуск-выпуск»), которая имела один боковой и один верхний клапан на цилиндр. [12]
Удлиненная камера сгорания плоской головки склонна к преждевременному зажиганию (или «детонации»), если степень сжатия увеличивается, но такие улучшения, как лазерное зажигание или усиленное микроволновое зажигание, могут помочь предотвратить детонацию. [13] Турбулентные канавки могут увеличить завихрение внутри камеры сгорания, тем самым увеличивая крутящий момент, особенно на низких оборотах. Лучшее смешивание топливно-воздушной смеси улучшает сгорание и помогает предотвратить детонацию. [14] [15] [16] [17]
Прогресс в технологии плоских головок стал результатом экспериментов в 1920-х годах сэра Гарри Рикардо , который улучшил их эффективность после изучения характеристик потока газа в двигателях с боковыми клапанами. [18] [9] [ нужны разъяснения ]
Сложность разработки плоской головки с высокой степенью сжатия означает, что большинство из них, как правило, представляют собой конструкции с искровым зажиганием, а дизели с плоской головкой практически неизвестны.
История и приложения
[ редактировать ]Расположение боковых клапанов было особенно распространено в США и использовалось в двигателях автомобилей, даже в двигателях с высокой удельной мощностью. [11] Конструкции с боковыми клапанами по-прежнему распространены для многих небольших одноцилиндровых или двухцилиндровых двигателей, таких как газонокосилки , ротаваторы , двухколесные тракторы и другая основная сельскохозяйственная техника . [ нужна ссылка ]
Плоские автомобили
[ редактировать ]Многоцилиндровые двигатели с плоской головкой использовались для таких автомобилей, как Ford Model T и Ford Model A , двигатель Ford V8 с плоской головкой и двигатель Ford Sidevalve . Cadillac производил двигатели V-16 с плоской головкой для своих роскошных автомобилей Series 90 в 1938–1940 годах. [19] . Packard производил рядные 8-цилиндровые двигатели с плоской головкой до 1954 года. Также в британских Morris Eight и Morris Minor серии I.
После Второй мировой войны конструкции с плоской головкой начали заменяться конструкциями OHV (верхний клапан). Плоские головки больше не были распространены в автомобилях , но они продолжали использоваться в более примитивных транспортных средствах, таких как -внедорожники военные джипы . В кругах американских кастомайзеров и хот-родов до сих пор можно увидеть отреставрированные образцы ранних двигателей Ford с плоской головкой V8. [1] [20]
Авиационные двигатели с плоской головкой
[ редактировать ]Простота, легкость, компактность и надежность могли показаться идеальными для авиационного двигателя , но из-за их низкой эффективности первые двигатели с плоской головкой считались непригодными. Двумя заметными исключениями были американский Aeronca E-107 оппозитный двойной авиадвигатель 1930 года и оппозитный четырехцилиндровый двигатель Continental A40 1931 года, который стал одним из самых популярных двигателей для легких самолетов 1930-х годов. Двумя современными плоскоголовками являются бельгийские D-Motor оппозитные четверки и шестерки . [21] Это чрезвычайно квадратные и компактные авиационные двигатели с прямым приводом на винт. [22] [23]
Мотоциклы с плоской головкой
[ редактировать ]Конструкция Flathead использовалась на ряде ранних довоенных мотоциклов, в частности на американских V-образных близнецах, таких как Harley-Davidson и Indian , на некоторых британских одноместных мотоциклах, BMW плоских близнецах и их российских копиях. [24] Компания Cleveland Motorcycle Manufacturing Company произвела четырехцилиндровый рядный мотоциклетный двигатель с Т-образной головкой в 1920-х годах.
Блок двигателя Cadillac 1915 года с плоской головкой
Харлей-Дэвидсон с плоской головкой
Индийский вождь Черный Ястреб
БМВ Р12
Кливленд Модель 4-45
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Американский Роддер , 6/94, стр. 45 и 93.
- ^ (Поскольку поперечное сечение цилиндра имеет форму перевернутой буквы L, также используются другие названия, такие как «L-блок» или «L-образная головка»)
- ^ «Каким был последний год для нового американского автомобиля с двигателем Flathead?» . 20 декабря 2018 г.
- ^ «Д-Мотор имидж» . Архивировано из оригинала 25 февраля 2018 года . Проверено 29 апреля 2018 г.
- ^ Исключением является модель Indian , в которой для передачи движения от кулачков кулачков к стержням клапанов используются как коромысла, так и толкатели.
- ^ Авиационные двигатели с плоской головкой D-мотора имеют оба свечи зажигания над клапанами.
- ^ Дэвис, Марлан (29 сентября 2006 г.). «Ford Flathead V8 – Путеводитель смерти по плоскоголовке» . Hotrod.com . Журнал Хот-Род. Камера сгорания . Проверено 8 апреля 2014 г.
Попытка добиться обратной степени сжатия с помощью выдвижных поршней может улучшить воздушный поток, если уделять должное внимание зоне передачи и общей границе между поршнем и камерой сгорания. Оптимальный баланс является предметом дискуссий уже более 60 лет. В настоящее время наиболее популярным подходом является использование большого выдвижного поршня, но с гребешком на стороне, прилегающей к клапанам, чтобы обеспечить чистоту передаточной зоны между клапанами и отверстием цилиндра. Рекомендуемая степень сжатия, благоприятная для использования уличного газа, составляет от 7,5–8:1 для безнаддувных двигателей до 6,5–7,0:1 для нагнетательных двигателей.
- ^ «Критика двигателя с плоской головкой или двигателем с боковым клапаном» . 13 июля 2012 года . Проверено 22 августа 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Х. Кремсер (автор): Структура высокоскоростных двигателей внутреннего сгорания, в Гансе Листе (редактор): Двигатель внутреннего сгорания, том 11, Springer, Вена, 1942 г., ISBN 978-3-7091-9755-4 , с. 50
- ^ Ричард ван Бассюйсен, Фред Шефер: Руководство по двигателю внутреннего сгорания. 8-е издание, Springer, Висбаден, 2017 г., ISBN 978-3-658-10901-1 , глава 10, стр. 534
- ^ Jump up to: а б Антон Пишингер (автор): Управление двигателями внутреннего сгорания, в Гансе Листе (редактор): Двигатель внутреннего сгорания, том 9, Springer, Вена, 1948 г., ISBN 978-3-211-80075-1 , с. 14
- ^ Дорога и трек , где-то в 1960-х годах.
- ^ Икеда, Юджи; Нисияма, Ацуши; Канеко, Масаси (5–8 января 2009 г.). Процесс ускоренного микроволнового зажигания топливной смеси при повышенном давлении 1 МПа (PDF) . 47-е совещание AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум «Новые горизонты» и аэрокосмическую выставку. Американский институт аэронавтики и астронавтики. п. 1. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2014 года . Проверено 3 июля 2014 г.
При горении, усиленном плазмой, образовывалось большое ядро пламени и скорость распространения пламени увеличивалась. В одноцилиндровом двигателе улучшилась стабильность сгорания, а микроволновое зажигание увеличило предел обеднения с 19,3 до 24,1.
- ^ Гребер, Чарльз (23 сентября 2004 г.). «Одержимость: поиски Святого Грааля г-ном Сингхом» . Популярная наука . Боннье . Проверено 3 июля 2014 г.
В ноябре 2002 года Сингх действительно получил одно такое разрешение от производителя на испытание своей модификации на своих двигателях. Производителем была компания Briggs and Stratton, а двигатели представляли собой два боковых клапана объемом 149 куб.см.
- ^ Пирангут, В.Г.; Н.В.Марате (14 января 2002 г.). Характеристики полного газа (PDF) (Технический отчет). АРАИ. PUS/2407/Гаруда/52(d). Архивировано из оригинала (PDF) 7 октября 2016 года. Отчет об испытаниях показывает, что расход топлива и температура снизились на низких оборотах двигателя, а крутящий момент увеличился.
- ^ амрелвикил (14 сентября 2009 г.). «Модификация двигателя Сомендера Сингха» . Ютуб . Рифленая плоская головка на 1:31–1:38. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 года . Проверено 9 апреля 2014 г.
- ^ Патент США 6237579 Сомендер Сингх: «Разработка для улучшения турбулентности в камерах сгорания».
- ^ Двигатель внутреннего сгорания от Гарри Ральфа Рикардо, Blackie and Son Limited.
- ^ ЛаШанс, Дэвид (февраль 2007 г.). «Рейнмейкер – Кадиллак серии 39-90 1939 года» . Хеммингс Мотор Ньюс . Американские городские деловые журналы . Проверено 17 ноября 2015 г.
Механически автомобили Серии 90 разделяли достижения Серии 75. Трехступенчатая механическая коробка передач автомобиля с двигателем V-8 считалась подходящей для передачи крутящего момента двигателя V-16, отчасти потому, что более крупный двигатель передавал импульсы так сильно. плавно.
- ^ Стрит Роддер , 1/85, стр.72.
- ^ Несмотря на то, что оппозитный шестицилиндровый двигатель D-Motor очень маленький и компактный, его объем составляет почти 4 литра.
- ^ «Kapelstraat 198 8540 Deerlijk – Последняя информация» . D-motor.eu. Архивировано из оригинала 28 марта 2012 года . Проверено 6 декабря 2011 г.
- ^ Таке, Вилли; Марино Борич; и др.: Всемирный каталог легкой авиации, 2015–2016 гг. , страницы 256–257. Flying Pages Europe SARL, 2015 г. ISSN 1368-485X
- ^ Например, некоторые Днепр и Урал использовали конструкции с плоской головкой, которые BMW лицензировала Советскому Союзу.