クロスフローTヘッドサイドバルブエンジン
通常のL字型ヘッド配置
ポップアップピストンは圧縮比を高めるために使用される場合がある
リカルドの乱れた頭を持つフラットヘッド

フラットヘッドエンジンは、サイドバルブエンジン[1] [2]またはバルブインブロックエンジンとも呼ばれ、オーバーヘッドバルブエンジンのようにシリンダーヘッド内ではなく、エンジンブロック内にポペットバルブが内蔵された内燃機関です。

フラットヘッドエンジンは、1890年代後半から1960年代半ばまで、世界中の自動車メーカーによって広く使用されていました[3]が、より効率的なオーバーヘッドバルブエンジンとオーバーヘッドカムシャフトエンジンに置き換えられました。現在、 Dモーターなどの低回転航空機エンジンで復活を遂げています[4]。

サイドバルブ設計

バルブギアは、シリンダーブロックの下部に配置されたカムシャフトで構成され、タペットと短いプッシュロッド（場合によってはプッシュロッドなし）を介してポペット バルブを駆動します。フラットヘッドシステムは、長いプッシュロッド、ロッカーアーム、オーバーヘッドバルブ、オーバーヘッドカムシャフトなどのバルブトレイン部品を必要としません。[5]サイドバルブは通常、シリンダーの片側に隣接して配置されますが、一部のフラットヘッドエンジンでは、あまり一般的ではない「クロスフロー」型の「Tヘッド」が採用されています。Tヘッドエンジンでは、排気ガスは吸気バルブとは反対側のシリンダーから排出されます。

サイドバルブエンジンの燃焼室は、OHV（オーバーヘッドバルブ）エンジンのようにピストンの上ではなく、バルブの上、つまり側面にあります。点火プラグは、OHVエンジンのようにピストンの上またはバルブの上に配置できますが、気筒あたり2つの点火プラグを備えた航空機の設計では、どちらか一方、または両方の位置が採用される場合があります。[6]

「ポップアップピストン」は、互換性のあるヘッドと組み合わせて使用​​することで、圧縮比を高め、燃焼室の形状を改善してノッキングを防止することができます。[7]「ポップアップ」ピストンは、上死点でシリンダーブロックの上部より上に突出するため、このように呼ばれています。

利点

サイドバルブエンジンの利点は、シンプルさ、信頼性、部品点数の少なさ、低コスト、軽量、コンパクトさ、低速域での優れた出力応答性、低い機械騒音、低オクタン価燃料への耐性などです。複雑なバルブトレインが不要なため、シリンダーヘッドは単純な金属鋳物で済むため、小型で製造コストも安価です。これらの利点から、サイドバルブエンジンは長年乗用車に使用され、 OHV設計は航空機、高級車、スポーツカー、一部のオートバイなどの高性能用途にのみ採用されるようになりました。[要出典]

上死点では、ピストンはシリンダーヘッドの平坦部に非常に接近し、その結果生じるスクイッシュ 乱流によって優れた燃料と空気の混合が実現します。サイドバルブ設計の特徴（特に航空機エンジンに有利な点）は、バルブがガイド内で固着して半開き状態になった場合でも、ピストンが損傷することなく、エンジンは他のシリンダーで安全に運転を継続できることです。[要出典]

デメリット

サイドバルブエンジンの主な欠点は、ガスの流れが悪い、燃焼室の形状が悪い、圧縮比が低いことであり、これらの欠点によりエンジンの回転数が低くなり、出力が低くなります[8]。[9]サイドバルブエンジンは燃料を効率的に燃焼しないため、炭化水素の排出量が多くなります[10] 。

サイドバルブエンジンはオットー原理で作動するエンジンにのみ使用できます。燃焼室の形状は、点火に高い圧縮比を必要とするディーゼルエンジンには適していません[ 11 ]。

サイドバルブエンジンでは、吸気と排気が遠回りになり、容積効率（いわゆる「呼吸不良」）が低くなります。これは、排気ガスが吸入空気の流れを阻害するからに他なりません。排気ガスがエンジンから排出されるまでの経路が長いため、エンジンが過熱する傾向があります。（注：これはV型フラットヘッドエンジンに当てはまりますが、通常、吸気ポートと排気ポートがエンジンブロックの同じ側にある直列エンジンではそれほど問題になりません。）サイドバルブエンジンは高速運転でも安全に作動しますが、容積効率は急速に低下するため、高速運転時に高出力を得ることはできません。初期の自動車では、エンジンが長時間高回転を維持することはほとんどなかったため、高い容積効率はそれほど重要ではありませんでしたが、より高い出力を求める設計者はサイドバルブを放棄せざるを得ませんでした。1950年代にウィリス・ジープ、ローバー、ランドローバー、ロールスロイスが採用した妥協案は「Fヘッド」（または「吸気・排気」バルブ）で、シリンダーごとにサイドバルブとオーバーヘッドバルブが1つずつありました。[12]

フラットヘッドエンジンの細長い燃焼室は、圧縮比を高めるとプレイグニッション（または「ノッキング」）が発生しやすくなりますが、レーザー点火やマイクロ波点火などの改良によってノッキングを防止できる可能性があります。[13]乱流溝は燃焼室内の渦流を増加させ、特に低回転域でのトルクを増加させます。燃料と空気の混合が改善されると燃焼が改善され、ノッキングの防止に役立ちます。[14] [15] [16] [17]

フラットヘッドエンジンの技術は、1920年代にハリー・リカード卿がサイドバルブエンジンのガス流特性を研究して効率を改善した実験によって進歩しました。[18] [9] [説明が必要]

高圧縮比のフラットヘッドエンジンの設計は難しいため、ほとんどが火花点火式の設計となり、フラットヘッドディーゼルエンジンは事実上知られていません。

歴史と応用

サイドバルブの配置は特にアメリカ合衆国で一般的で、高出力のエンジンを含む自動車エンジンに使用されていました。[11]サイドバルブ設計は、芝刈り機、ロータリー式耕運機、二輪トラクター、その他の基本的な農業機械など、多くの小型の 単気筒または二気筒エンジンで現在でも一般的です。[要出典]

フラットヘッド車

多気筒フラットヘッドエンジンは、フォード・モデルTやフォード・モデルA、フォード・フラットヘッドV8エンジン、フォード・サイドバルブエンジンなどの車に使用されました。キャデラックは1938年から1940年にかけて、シリーズ90高級車向けにV-16フラットヘッドエンジンを生産しました。[19]パッカードとポンティアックは1954年までフラットヘッド直列8気筒エンジンを生産しました。また、イギリスのモーリスエイトやモーリスマイナーシリーズI にも搭載されました。

第二次世界大戦後、フラットヘッドエンジンはOHV（オーバーヘッドバルブ）設計に取って代わられ始めました。フラットヘッドエンジンは乗用車ではもはや一般的ではありませんでしたが、オフロード 軍用ジープなどのより原始的な車両では引き続き使用されていました。アメリカのカスタムカーやホットロッド界では、初期のフォード製フラットヘッドV8エンジンのレストアされた例が今でも見られます。[1] [20]

フラットヘッド航空エンジン

シンプルさ、軽量さ、コンパクトさ、そして信頼性は航空エンジンにとって理想的に見えるかもしれないが、初期のフラットヘッドエンジンは効率が低かったため不向きとみなされていた。注目すべき例外は、1930年のアメリカのアエロンカE-107対向2気筒航空エンジンと、1931年のコンチネンタルA40水平対向4気筒エンジンの2つで、後者は1930年代に最も人気のある軽飛行機エンジンの1つとなった。現代のフラットヘッドエンジンとしては、ベルギーのDモーター 水平対向4気筒エンジンと水平対向6気筒エンジンの2つがある。[21]これらは非常にオーバースクエアでコンパクトな航空エンジンであり、プロペラに直接駆動される。[22] [23]

フラットヘッドバイク

フラットヘッドの設計は、戦前の初期のオートバイ、特にハーレーダビッドソンやインディアンなどのアメリカのVツイン、一部のイギリスのシングル、BMWの フラットツイン、およびそのロシアのコピーに使用されていました。[24]クリーブランドモーターサイクルマニュファクチャリングカンパニーは、 1920年代にTヘッドの直列4気筒オートバイエンジンを製造しました。

  • 1915年キャデラックフラットヘッドエンジンブロック
    1915年キャデラックフラットヘッドエンジンブロック
  • ハーレーダビッドソン フラットヘッド
    ハーレーダビッドソン フラットヘッド
  • インディアンチーフブラックホーク
    インディアンチーフブラックホーク
  • BMW R12
    BMW R12
  • クリーブランド モデル 4-45
    クリーブランド モデル 4-45

参照

注記

  1. ^ ab American Rodder、6/94、45 & 93 ページ。
  2. ^ （シリンダーの断面が逆L字型をしているため、「Lブロック」や「Lヘッド」などの別名も使われています）
  3. ^ 「フラットヘッドエンジン搭載のアメリカ車にとって最後の年は何だったのか？」Autoweek誌、2018年12月20日。
  4. ^ “D-Motor image”. 2018年2月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月29日閲覧。
  5. ^ 例外はインディアンで、ロッカーアームとプッシュロッド両方を使用して、カムローブからバルブステムに動きを伝達します。
  6. ^ D モーター フラットヘッド航空エンジンには、両方のスパーク パグがバルブの上にあります。
  7. ^ Davis, Marlan (2006年9月29日). 「Ford Flathead V8 – The Flathead Guide of Death」. Hotrod.com . Hot Rod Magazine. 燃焼室. 2014年4月8日閲覧.ポップアップピストンを使用して圧縮比を取り戻そうとすると、伝達領域とピストンと燃焼室の全体的なインターフェースに適切な注意を払えば、気流が改善される可能性があります。最適なバランスは60年以上にわたって議論されてきました。現在最も一般的なアプローチは、大きなポップアップピストンを使用し、バルブに隣接する側面にスカロップ（溝）を設けることで、バルブとシリンダーボア間の伝達領域を確保するというものです。推奨される最低ラインのストリートガソリン対応圧縮比は、自然吸気エンジンで7.5～8.1、ブロワー付きエンジンで6.5～7.0.1です。
  8. ^ 「フラットヘッドエンジンまたはサイドバルブエンジンの批評」2012年7月13日。 2015年8月22日閲覧。
  9. ^ ab H. Kremser (著者): Der Aufbau schnellaufender Verbrennungskraftmaschinen、Hans List (編): Die Verbrennungskraftmaschine、第 11 巻、Springer、ウィーン 1942、ISBN 978-3-7091-9755-4、50ページ
  10. ^ Richard van Basshuysen、Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. 8. オーフラージュ、シュプリンガー、ヴィースバーデン、2017 年、 ISBN 978-3-658-10901-1第10章、534ページ
  11. ^ ab Anton Pischinger (著者): Die Steuerung der Verbrennungskraftmaschinen、Hans List (編): Die Verbrennungskraftmaschine、第 9 巻、シュプリンガー、ウィーン 1948、ISBN 978-3-211-80075-1、14ページ
  12. ^ Road and Track、1960年代のある時期
  13. ^ 池田雄二、西山篤、金子正志 (2009年1月5～8日). 1MPaの高圧下での燃料混合物のマイクロ波強化点火プロセス(PDF) . 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizo​​ns Forum and Aerospace Exposition. American Institute of Aeronautics and Astronautics. p. 1. 2014年7月25日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2014年7月3日閲覧。プラズマ強化燃焼により、大きな火炎核が形成され、火炎伝播速度が向上した。単気筒エンジンでは、燃焼安定性が向上し、マイクロ波強化点火により希薄限界が19.3から24.1に上昇した。
  14. ^ グレーバー、チャールズ（2004年9月23日）「オブセッション：シン氏の聖杯探求」『ポピュラーサイエンス』誌、ボニエ。 2014年7月3日閲覧。2002年11月、シンは実際にメーカーからそのような許可を得て、自社のエンジンで改​​造をテストした。メーカーはブリッグス・アンド・ストラットンで、エンジンは149ccのサイドバルブ2バルブだった。
  15. ^ Pirangute, VG; NVMarathe (2002年1月14日). フルスロットル性能(PDF) (技術報告書). ARAI. PUS/2407/Garuda/52(d). 2016年10月7日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。テストレポートによると、低エンジン回転数では燃料消費量と温度が減少し、トルクが増加したことがわかりました。
  16. ^ amrelweekil (2009年9月14日). 「Somender Singhによるエンジン改造」YouTube . 溝付きフラットヘッド（1:31～1:38）. 2021年12月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年4月9日閲覧。
  17. ^ 特許US 6237579  Somender Singh：「燃焼室内の乱流を改善する設計」
  18. ^ ハリー・ラルフ・リカード（ブラック・アンド・サン社）による内燃機関。
  19. ^ LaChance, David (2007年2月). 「Reignmaker – 1939 Cadillac Series 39-90」. Hemmings Motor News . American City Business Journals . 2015年11月17日閲覧。機械的な面では、シリーズ90の車はシリーズ75の進歩を共有していた。V8車の3速マニュアルトランスミッションは、大型エンジンがスムーズにトルクを伝達するため、V16のトルクを伝達するのに十分であると考えられていた。
  20. ^ ストリートロッダー、1985年1月、72ページ。
  21. ^ 非常に小型でコンパクトですが、D-Motor 水平対向 6 気筒エンジンの排気量は約 4 リットルです。
  22. ^ “Kapelstraat 198 8540 Deerlijk – 最新情報”. Dモーター.eu。 2012 年 3 月 28 日のオリジナルからアーカイブ。2011 年12 月 6 日に取得。
  23. ^ Tacke, Willi; Marino Boric; et al: World Directory of Light Aviation 2015-16、256-257ページ。Flying Pages Europe SARL、2015年 。ISSN 1368-485X
  24. ^ たとえば、一部のドニエプルとウラルは、BMW がソ連にライセンス供与したフラットヘッド設計を採用していました。
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