Плоскомоторный двигатель: конструкция, преимущества и недостатки

Введение

Тип четырехтактного двигателя

Плоскоголовый двигатель, также известный как двигатель с боковыми клапанами или двигатель с клапанами в блоке, — это двигатель внутреннего сгорания, в котором тарельчатые клапаны расположены внутри блока двигателя, а не в головке цилиндра, как в двигателе с верхними клапанами. Плоскоголовые двигатели широко использовались автопроизводителями по всему миру с конца 1890-х годов до середины 1960-х годов, но были заменены более эффективными двигателями с верхними клапанами и верхним распределительным валом. В настоящее время наблюдается их возрождение в низкооборотных авиационных двигателях, таких как двигатель D Motor.

Конструкция бокового клапана

Клапанный механизм состоит из распределительного вала, расположенного в нижней части блока цилиндров, который приводит в действие тарельчатые клапаны через толкатели и короткие штанги (или иногда и вовсе без штанг). Система с плоской головкой блока цилиндров устраняет необходимость в дополнительных компонентах газораспределительного механизма, таких как длинные штанги, коромысла, верхние клапаны или верхний распределительный вал. Боковые клапаны обычно расположены рядом друг с другом, на одной стороне цилиндра (или цилиндров), хотя некоторые двигатели с плоской головкой используют менее распространенную конструкцию "T-головка" с "крест-проточной" системой. В двигателе с T-образной головкой выхлопные газы выходят с противоположной стороны цилиндра от впускного клапана. Камера сгорания двигателя с боковыми клапанами расположена не над поршнем (как в двигателе с верхними клапанами), а сбоку, над клапанами. Свеча зажигания может быть расположена над поршнем (как в двигателе с верхними клапанами) или над клапанами; однако в авиационных двигателях с двумя свечами на цилиндр может использоваться любое из этих положений или оба сразу. "Выступающие поршни" могут использоваться с совместимыми головками блока цилиндров для увеличения степени сжатия и улучшения формы камеры сгорания, предотвращая детонацию. "Выступающие" поршни получили свое название, потому что в верхней мертвой точке они выступают над верхней плоскостью блока цилиндров.

Преимущества

Преимущества двигателя с боковым клапаном включают в себя: простоту, надежность, небольшое количество деталей, низкую стоимость, малый вес, компактность, отзывчивую мощность на низких оборотах, низкий механический шум и нечувствительность к низкооктановому топливу. Отсутствие сложной системы газораспределения позволяет создать компактный двигатель, который недорого производить, поскольку головка цилиндра может быть не более чем простой металлической отливкой. Эти преимущества объясняют, почему двигатели с боковыми клапанами использовались в легковых автомобилях на протяжении многих лет, в то время как конструкции OHV стали применяться преимущественно в высокопроизводительных областях, таких как авиация, автомобили класса люкс, спортивные автомобили и некоторые мотоциклы. В верхней мертвой точке поршень очень близко подходит к плоской поверхности головки цилиндра, и возникающая в результате этого эффект "сквиш" создает отличное смесеобразование топливо-воздушной смеси. Особенность конструкции боковых клапанов (особенно полезная для авиационных двигателей) заключается в том, что если клапан заклинит в направляющей и останется частично открытым, поршень не будет поврежден, и двигатель продолжит безопасно работать на остальных цилиндрах.

Недостатки

Основными недостатками двигателя с боковыми клапанами являются плохой газодинамический поток, неоптимальная форма камеры сгорания и низкая степень сжатия, что в совокупности приводит к двигателю с низкими оборотами, малой мощностью и низкой эффективностью. Поскольку двигатели с боковыми клапанами неэффективно сжигают топливо, они характеризуются повышенными выбросами углеводородов. Двигатели с боковыми клапанами могут применяться исключительно в двигателях, работающих по циклу Отто. Форма камеры сгорания не подходит для дизельных двигателей. В двигателе с боковыми клапанами впускные и выпускные газы проходят по сложному пути, что приводит к низкой объемной эффективности, или "плохому дыханию", отчасти из-за того, что выхлопные газы препятствуют поступлению свежей смеси. Из-за длинного пути отвода выхлопных газов существует тенденция к перегреву двигателя. (Примечание: это особенно актуально для V-образных двигателей с боковыми клапанами, но в меньшей степени для рядных двигателей, которые обычно имеют впускные и выпускные каналы на одной стороне блока цилиндров.) Хотя двигатель с боковыми клапанами может безопасно работать на высоких оборотах, его объемная эффективность быстро снижается, что делает невозможным достижение высокой мощности на высоких оборотах. Высокая объемная эффективность была менее важна для ранних автомобилей, поскольку их двигатели редко работали длительное время на высоких оборотах, но конструкторы, стремящиеся к большей мощности, были вынуждены отказаться от конструкции с боковыми клапанами. Компромиссным решением, использованным в 1950-х годах компаниями Willys Jeep, Rover, Landrover и Rolls Royce, стала схема "F-головка" (или клапанная система "впуск над выпуском"), предусматривающая один боковой и один верхний клапан на цилиндр. Удлиненная камера сгорания двигателя с плоской головкой блока цилиндров склонна к преждевременному воспламенению (или "детонации") при увеличении степени сжатия, однако такие усовершенствования, как лазерное зажигание или зажигание, усиленное микроволновым излучением, могут помочь предотвратить детонацию. Канавки для создания турбулентности могут увеличить завихрение внутри камеры сгорания, тем самым повышая крутящий момент, особенно на низких оборотах. Улучшение смешивания топливовоздушной смеси способствует более полному сгоранию и помогает предотвратить детонацию. Прогресс в технологии двигателей с плоской головкой блока цилиндров был достигнут благодаря экспериментам, проведенным сэром Гарри Рикардо в 1920-х годах, который улучшил их эффективность после изучения характеристик газодинамики двигателей с боковыми клапанами. После Второй мировой войны конструкции с плоской головкой блока цилиндров начали заменяться конструкциями с верхними клапанами (OHV). Двигатели с плоской головкой блока цилиндров перестали быть распространенными в легковых автомобилях, но продолжали использоваться в более простых транспортных средствах, таких как военные внедорожники. В американских кругах любителей кастом-каров и хот-родов до сих пор можно встретить отреставрированные образцы ранних V8 Ford с плоской головкой блока цилиндров.

The main disadvantages of a sidevalve engine are poor gas flow, poor combustion chamber shape, and low compression ratio, all of which result in a low revving engine with low power output and low efficiency. Because sidevalve engines do not burn the fuel efficiently, they suffer from high hydrocarbon emissions. Sidevalve engines can only be used for engines operating on the Otto principle. The combustion chamber shape is unsuitable for Diesel engines. In a sidevalve engine, intake and exhaust gases follow a circuitous route, with low volumetric efficiency, or "poor breathing", not least because the exhaust gases interfere with the incoming charge. Because the exhaust follows a lengthy path to leave the engine, there is a tendency for the engine to overheat. (Note: this is true for V type flathead engines but less of an issue for inline engines which typically have the intake and exhaust ports on the same side of the engine block.) Although a sidevalve engine can safely operate at high speed, its volumetric efficiency swiftly deteriorates, so that high power outputs are not feasible at speed. High volumetric efficiency was less important for early cars because their engines rarely sustained extended high speeds, but designers seeking higher power outputs had to abandon the sidevalve. A compromise used by the Willys Jeep, Rover, Landrover, and Rolls Royce in the 1950s was the "F head" (or "intake over exhaust" valving), which has one sidevalve and one overhead valve per cylinder. The flathead's elongated combustion chamber is prone to preignition (or "knocking") if compression ratio is increased, but improvements such as laser ignition or microwave enhanced ignition might help prevent knocking. Turbulence grooves may increase swirl inside the combustion chamber, thus increasing torque, especially at low rpm. Better mixing of the fuel/air charge improves combustion and helps to prevent knocking. An advance in flathead technology resulted from experimentation in the 1920s by Sir Harry Ricardo, who improved their efficiency after studying the gas flow characteristics of sidevalve engines. After WWII, flathead designs began to be superseded by OHV (overhead valve) designs. Flatheads were no longer common in cars, but they continued in more rudimentary vehicles such as off road military Jeeps. In US custom car and hot rod circles, restored examples of early Ford flathead V8s are still seen.

Авиационные двигатели с плоской головкой

Простота, легкость, компактность и надежность могли бы показаться идеальными для авиационного двигателя, но из-за низкой эффективности ранние оппозитные двигатели считались непригодными. Два заметных исключения – американский Aeronca E 107, оппозитный двухцилиндровый авиационный двигатель 1930 года, и Continental A40, оппозитный четырехцилиндровый двигатель 1931 года, который стал одним из самых популярных двигателей для легких самолетов 1930-х годов. Два современных оппозитных двигателя – бельгийские D Motor, оппозитные четырех- и шестицилиндровые. Это чрезвычайно "квадратные" и компактные авиационные двигатели с непосредственным приводом винта.

Мотоциклы с плоской головой

Конструкция с плоской головкой цилиндров применялась на ряде ранних довоенных мотоциклов, в частности на американских V-твинах, таких как Harley Davidson и Indian, некоторых британских одноцилиндровых, BMW с оппозитным расположением цилиндров и их российских копиях. В 1920-х годах компания Cleveland Motorcycle Manufacturing Company производила рядный четырехцилиндровый двигатель с Т-образной головкой цилиндров.