フラットヘッドエンジン

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含まれるポペットバルブを備えた内燃機関です。

フラットヘッドエンジンは1890年代後半から1960年代半ばまで自動車メーカーによって国際的に広く使用されていましたが^{[3] 、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エンジンで復活しています。^[4]

バルブギアは、シリンダ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（またはプッシュロッドなしの場合もあります）を介してポペット バルブを操作します。フラットヘッドシステムでは、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コンポーネントが不要になります。^[5]サイドバルブは通常、隣接しており、シリンダの片側に配置されていますが、一部のフラットヘッドでは、あまり一般的ではない「クロスフロー」の「Tヘッド」バリアント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、バルブの上の横にあります。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、シリンダーごとに2つのプラグを備えた航空機の設計では、どちらかの位置または両方の位置を使用できます。^[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き出ている ため、このように呼ばれています。

サイドバルブ エンジンの利点には、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、低速時の応答性、エンジンの機械騒音の少なさ、低オクタン価燃料に対する耐性などがあります。複雑なバルブ トレインがないため、シリンダー ヘッドは単純な金属鋳造品に過ぎず、製造コストの低いコンパクトなエンジンを実現できます。これらの利点により、サイドバルブ エンジンが長年乗用車に使用され、 OHV設計が航空機、高級車、スポーツカー、一部のオートバイなどの高性能アプリケーションにのみ指定されるようになりました。^{[引用が必要]}

上死点では、ピストンはシリンダーヘッドの上の平らな部分に非常に接近し、その結果生じるスクイッシュ 乱流によって優れた燃料/空気混合が実現します。サイドバルブ設計の特徴 (特に航空エンジンに有利) は、バルブがガイド内で固まって部分的に開いたままになった場合でも、ピストンが損傷せず、エンジンが他のシリンダーで安全に動作し続けることです。^{[引用が必要]}

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、これらはすべて、エンジンの回転数が低く、出力が低い^[8]、効率が低いという結果をもたらします。^[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可能であり、燃焼室の形状は点火のため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ない^[11]。

サイドバルブ エンジンでは、吸気ガスと排気ガスは遠回りの経路をたどり、容積効率が低い、つまり「呼吸が悪い」状態になります。これは、排気ガスが吸入ガスの妨げとなることが主な理由です。排気ガスがエンジンから出るまでに長い経路をたどるため、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、エンジン ブロックの同じ側に吸気ポートと排気ポートが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 エンジンは高速でも安全に作動しますが、容積効率が急速に低下するため、高速では高出力は実現できません。初期の自動車では、エンジンが長時間の高回転を維持することはめったになかったため、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断念しなければなりませんでした。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）であり、これはシリンダーごとにサイドバルブ1つとオーバーヘッドバルブ1つを備えている。^[12]

フラットヘッドの細長い燃焼室は、圧縮比が増加すると早期着火（または「ノッキング」）になりやすいが、レーザー点火やマイクロ波強化点火などの改良によりノッキングを防ぐことができるかもしれない。^[13]乱流溝は燃焼室内の渦流を増加させ、特に低回転数でトルクを増加させる可能性がある。燃料と空気の混合が良くなると燃焼が改善され、ノッキングを防ぐのに役立つ。^{[14] [15] [16] [17]}

フラットヘッド技術の進歩は、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から生まれました。^{[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。

サイドバルブの配置は特に米国で一般的であり、高出力のエンジンでも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 単気筒または二気筒エンジンで今でも一般的です。^[要出典]

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製造しました。^[19]パッカードは、 1954年までフラットヘッド直列8気筒エンジンを製造しました。また、英国のモーリスエイトやモーリスマイナーシリーズI にも使用されました。

第二次世界大戦後、フラットヘッド設計はOHV（オーバーヘッドバルブ）設計に取って代わられ始めた。フラットヘッドはもはや自動車では一般的ではなかったが、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た。米国のカスタムカーやホットロッド界では、初期のフォードフラットヘッドV8の復元された例が今でも見られる。^{[1] [20]}

シンプルさ、軽量さ、コンパクトさ、信頼性は航空エンジンにとって理想的に思えるかもしれないが、効率が低かったため、初期のフラットヘッドエンジンは不適切とみなされた。注目すべき例外は、1930年のアメリカのエアロンカ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フラット4で、これらは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には、ベルギーのDモーター フラット4とフラット6がある。^{[21]これらは、プロペラに直接駆動する、極端に}オーバースクエアでコンパクトな航空エンジンである。 ^{[22] [23]}

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米国のVツイン、一部の英国のシングル、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 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
• 
  インディアン酋長ブラックホーク
• 
  BMW R12
• 
  クリーブランド モデル 4-45

• ヘロンヘッド

• フォード フラットヘッド エンジン
• ハーレーダビッドソンエンジンの各スタイルの画像
• ハーレーダビッドソン Kモデルバイク