Ein Flathead-Motor , auch bekannt als Seitenventilmotor [ 1 ] [ 2 ] oder Ventil-im-Block-Motor , ist ein Verbrennungsmotor, bei dem die Tellerventile im Motorblock und nicht im Zylinderkopf wie bei einem OHV-Motor untergebracht sind .
Flathead-Motoren wurden von den späten 1890er Jahren bis Mitte der 1960er Jahre international von Automobilherstellern weit verbreitet eingesetzt [ 3 ] , wurden aber durch effizientere Motoren mit obenliegenden Ventilen und obenliegender Nockenwelle ersetzt . Derzeit erleben sie eine Renaissance in niedrigtourigen Flugmotoren wie dem D-Motor [ 4 ] .
Die Seitenventilkonstruktion
Der Ventiltrieb besteht aus einer tief im Zylinderblock sitzenden Nockenwelle, die die Tellerventile über Stößel und kurze Stößelstangen (manchmal auch ganz ohne Stößelstangen) betätigt . Das Flathead - System macht weitere Ventiltriebkomponenten wie lange Stößelstangen, Kipphebel, obenliegende Ventile oder obenliegende Nockenwellen überflüssig . [ 5 ] Die Seitenventile liegen typischerweise nebeneinander auf einer Seite des/der Zylinder(s), wobei einige Flathead-Motoren die weniger verbreitete „Querstrom“ -Variante, den sogenannten T-Kopf, verwenden . Bei einem T-Kopf-Motor verlassen die Abgase den Zylinder auf der dem Einlassventil gegenüberliegenden Seite.
Der Brennraum des Seitenventilmotors befindet sich nicht über dem Kolben (wie bei einem OHV-Motor (obenliegende Ventile)), sondern seitlich, über den Ventilen. Die Zündkerze kann entweder über dem Kolben (wie bei einem OHV-Motor) oder über den Ventilen angeordnet sein; Flugzeugkonstruktionen mit zwei Zündkerzen pro Zylinder können jedoch beide Positionen nutzen. [ 6 ]
„Pop-up-Kolben“ können in Verbindung mit kompatiblen Zylinderköpfen verwendet werden, um das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen und die Form des Brennraums zu verbessern, um Klopfen zu verhindern . [ 7 ] „Pop-up-Kolben“ werden so genannt, weil sie im oberen Totpunkt über den oberen Rand des Zylinderblocks hinausragen.
Vorteile
Zu den Vorteilen eines Seitenventilmotors zählen Einfachheit, Zuverlässigkeit, geringe Bauteilanzahl, niedrige Kosten, geringes Gewicht, Kompaktheit, spontanes Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen, geringe Geräuschentwicklung und Unempfindlichkeit gegenüber Kraftstoffen mit niedriger Oktanzahl. Der Verzicht auf einen komplexen Ventiltrieb ermöglicht einen kompakten und kostengünstig herzustellenden Motor, da der Zylinderkopf oft nur aus einem einfachen Metallguss besteht. Diese Vorteile erklären, warum Seitenventilmotoren viele Jahre lang in Pkw eingesetzt wurden , während OHV- Motoren schließlich nur noch für Hochleistungsanwendungen wie Flugzeuge , Luxuswagen , Sportwagen und einige Motorräder spezifiziert wurden .
Im oberen Totpunkt nähert sich der Kolben der flachen Seite des Zylinderkopfes sehr stark an, wodurch eine optimale Kraftstoff-Luft- Vermischung entsteht. Ein Merkmal der Seitenventilbauweise (besonders vorteilhaft für Flugmotoren) ist, dass der Kolben nicht beschädigt wird, falls ein Ventil in seiner Führung klemmt und teilweise geöffnet bleibt. Der Motor läuft dann sicher mit den übrigen Zylindern weiter.
Nachteile
Die Hauptnachteile eines Seitenventilmotors sind der schlechte Gasdurchsatz, die ungünstige Brennraumform und das niedrige Verdichtungsverhältnis. All dies führt zu einem drehzahlarmen Motor mit geringer Leistung [ 8 ] und niedrigem Wirkungsgrad [ 9 ] . Da Seitenventilmotoren den Kraftstoff nicht effizient verbrennen, weisen sie hohe Kohlenwasserstoffemissionen auf [ 10 ] .
Seitenventilmotoren eignen sich nur für Motoren, die nach dem Otto-Prinzip arbeiten . Die Form des Brennraums ist für Dieselmotoren ungeeignet [ 11 ] , da diese ein hohes Verdichtungsverhältnis für die Zündung benötigen .
Bei einem Seitenventilmotor durchlaufen die Ansaug- und Abgase einen langen Weg, was zu einem geringen volumetrischen Wirkungsgrad bzw. einer „schlechten Atmung“ führt, nicht zuletzt, weil die Abgase die einströmende Kraftstoff-Luft-Mischung beeinträchtigen. Da die Abgase einen langen Weg zurücklegen müssen, um den Motor zu verlassen, besteht die Tendenz zur Überhitzung . (Anmerkung: Dies trifft auf V-Motoren mit seitlich liegenden Ventilen zu, ist aber bei Reihenmotoren, deren Ansaug- und Auslasskanäle sich typischerweise auf derselben Seite des Motorblocks befinden, weniger problematisch.) Obwohl ein Seitenventilmotor sicher mit hohen Drehzahlen betrieben werden kann, verschlechtert sich sein volumetrischer Wirkungsgrad rapide, sodass hohe Leistungen bei hohen Drehzahlen nicht realisierbar sind. Ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad war für frühe Automobile weniger wichtig, da deren Motoren selten über längere Zeiträume hohe Drehzahlen erreichten. Konstrukteure, die höhere Leistungen anstrebten, mussten jedoch auf den Seitenventilmotor verzichten. Ein Kompromiss, der in den 1950er Jahren von Willys Jeep , Rover , Land Rover und Rolls-Royce angewendet wurde, war der „F-Kopf“ (oder die „Einlass-über-Auslass“-Ventilanordnung), der pro Zylinder ein Seitenventil und ein obenliegendes Ventil aufweist. [ 12 ]
Der längliche Brennraum des Flathead-Motors neigt bei erhöhter Verdichtung zur Frühzündung (oder zum Klopfen). Verbesserungen wie Laserzündung oder mikrowellenunterstützte Zündung können das Klopfen jedoch verhindern. [ 13 ] Turbulenzrillen können die Verwirbelung im Brennraum erhöhen und dadurch das Drehmoment, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, steigern. Eine bessere Vermischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbessert die Verbrennung und trägt zur Klopfvermeidung bei. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
Ein Fortschritt in der Flachkopftechnologie resultierte aus den Experimenten von Sir Harry Ricardo in den 1920er Jahren , der deren Effizienz durch die Untersuchung der Gasströmungseigenschaften von Seitenventilmotoren verbesserte. [ 18 ] [ 9 ]
Die Schwierigkeit bei der Konstruktion eines Flathead-Motors mit hohem Verdichtungsverhältnis führt dazu, dass die meisten davon mit Fremdzündung ausgestattet sind, Flathead-Dieselmotoren sind praktisch unbekannt.
Geschichte und Anwendungen
Die Seitenventilbauweise war insbesondere in den Vereinigten Staaten verbreitet und wurde für Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt, selbst für Motoren mit hoher spezifischer Leistung. [ 11 ] Seitenventilkonstruktionen sind auch heute noch gängig für viele kleine Ein- oder Zweizylindermotoren , wie beispielsweise Rasenmäher , Bodenfräsen , Zweiradtraktoren und andere einfache Landmaschinen .
Flathead-Autos
Mehrzylinder-Seitenventilmotoren wurden in Fahrzeugen wie dem Ford Modell T und dem Ford Modell A , dem Ford-V8-Seitenventilmotor und dem Ford-Seitenventilmotor eingesetzt . Cadillac produzierte von 1938 bis 1940 V16-Seitenventilmotoren für seine Luxuswagen der Serie 90. [ 19 ] Packard und Pontiac stellten bis 1954 Reihenachtzylinder-Seitenventilmotoren her. Diese Motoren kamen auch im britischen Morris Eight und im Morris Minor der Serie I zum Einsatz.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die Flathead-Motoren allmählich von OHV-Motoren (obenliegende Ventile) abgelöst. Flathead-Motoren waren in Pkw nicht mehr weit verbreitet , fanden aber weiterhin Verwendung in einfacheren Fahrzeugen wie geländegängigen Militärjeeps . In der US-amerikanischen Custom-Car- und Hot-Rod -Szene sind noch immer restaurierte Exemplare früher Ford-Flathead-V8-Motoren zu sehen. [ 1 ] [ 20 ]
Flathead-Flugmotoren
Die Einfachheit, das geringe Gewicht, die Kompaktheit und die Zuverlässigkeit scheinen ideal für einen Flugmotor zu sein , doch aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades galten frühe Flachkopfmotoren als ungeeignet. Zwei bemerkenswerte Ausnahmen bildeten der amerikanische Aeronca E-107 Boxermotor von 1930 und der Continental A40 Vierzylinder-Boxermotor von 1931, der zu einem der beliebtesten Leichtflugzeugmotoren der 1930er-Jahre wurde. Zwei moderne Flachkopfmotoren sind die belgischen D-Motor Vierzylinder- und Sechszylinder-Boxermotoren . [ 21 ] Diese sind extrem kurzhubige und kompakte Flugmotoren mit Direktantrieb zum Propeller. [ 22 ] [ 23 ]
Flathead-Motorräder
Flathead designs have been used on a number of early pre-war motorcycles, in particular US V-twins such as Harley-Davidson and Indian, some British singles, BMWflat twins and Russian copies thereof.[24] The Cleveland Motorcycle Manufacturing Company produced a T-head four-cylinder in-line motorcycle engine in the 1920s.
1915 Cadillac flathead engine block
Harley-Davidson flathead
Indian Chief Black Hawk
BMW R12
Cleveland Model 4-45
See also
Notes
- ^ abAmerican Rodder, 6/94, pp.45 & 93.
- ^(As the cylinder cross-section has the shape of an inverted L, other names such as "L-block" or "L-head" are also used)
- ^"What Was the Final Year for a New Flathead-Powered American Car?". Autoweek. 20 December 2018.
- ^"D-Motor image". Archived from the original on 25 February 2018. Retrieved 29 April 2018.
- ^An exception is the Indian which employs both rocker arms and pushrods to transmit motion from the cam lobes to the valve stems.
- ^The D-motor flathead aero-engines have both spark pugs above the valves.
- ^Davis, Marlan (29 September 2006). "Ford Flathead V8 – The Flathead Guide of Death". Hotrod.com. Hot Rod Magazine. Combustion Chamber. Retrieved 8 April 2014.
Trying to gain back compression ratio by using popup pistons may improve airflow provided proper attention is paid to the transfer area and overall piston-to-combustion chamber interface. The best balance has been the subject of debate for over 60 years. Currently the most popular approach is running a big popup piston, but with a scallop on the side adjacent to the valves to keep the transfer area clear between the valves and the cylinder bore. Recommended bottom-line street-gas-friendly compression ratios are between 7.5–8:1 on naturally aspirated engines and 6.5–7.0:1 with a blower.
- ^"A critique of the flathead or side valve engine". 13 July 2012. Retrieved 22 August 2015.
- ^ abH. Kremser (author): Der Aufbau schnellaufender Verbrennungskraftmaschinen, in Hans List (ed): Die Verbrennungskraftmaschine, volume 11, Springer, Wien 1942, ISBN 978-3-7091-9755-4, p. 50
- ^Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. 8. Auflage, Springer, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-10901-1, Chapter 10, p. 534
- ^ a b Anton Pischinger (Autor): Die Steuerung der Verbrennungskraftmaschinen, in Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine, Band 9, Springer, Wien 1948, ISBN 978-3-211-80075-1, S. 14
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und die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit erhöhte sich. Im Einzylindermotor verbesserte sich die Verbrennungsstabilität, und die mikrowellenverstärkte Zündung erhöhte die Magergrenze von 19,3 auf 24,1.
- ^ Graeber, Charles (23. September 2004). „Obsession: Mr. Singhs Suche nach dem Heiligen Gral“ . Popular Science . Bonnier . Abgerufen am 3. Juli 2014.
Im November 2002 erhielt Singh tatsächlich eine solche Genehmigung von einem Hersteller, um seine Modifikation an dessen Motoren zu testen. Der Hersteller war Briggs & Stratton, und die Motoren waren zwei 149-cm³-Seitenventilmotoren.
- ^ Pirangute, VG; NVMarathe (14. Januar 2002). Leistung bei Vollgas (PDF) (Technischer Bericht). ARAI. PUS/2407/Garuda/52(d). Archiviert vom Original (PDF) am 7. Oktober 2016.Der Testbericht zeigt, dass Kraftstoffverbrauch und Temperaturen bei niedrigen Motordrehzahlen sanken, während das Drehmoment zunahm.
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- ^ US -Patent 6237579 Somender Singh: „Design zur Verbesserung der Turbulenz in Brennkammern“
- ^ Der Verbrennungsmotor von Harry Ralph Ricardo, Blackie and Son Limited.
- ^ LaChance, David (Februar 2007). „Reignmaker – 1939 Cadillac Series 39-90“ . Hemmings Motor News . American City Business Journals . Abgerufen am 17. November 2015.
Technisch teilten die Fahrzeuge der Serie 90 die Fortschritte der Serie 75. Das Dreigang-Schaltgetriebe des V8-Modells erwies sich als geeignet, das Drehmoment des V16 zu übertragen, auch weil der größere Motor seine Impulse so sanft abgab.
- ^ Street Rodder , 1/85, S. 72.
- ^ Obwohl der D-Motor-Sechszylinder-Boxermotor sehr klein und kompakt ist, hat er einen Hubraum von fast 4 Litern.
- ^ „Kapelstraat 198 8540 Deerlijk – Aktuelle Informationen“ . D-motor.eu. Archiviert vom Original am 28. März 2012 . Abgerufen am 6. Dezember 2011 .
- ^ Tacke, Willi; Marino Boric; et al.: World Directory of Light Aviation 2015-16 , Seiten 256–257. Flying Pages Europe SARL, 2015. ISSN 1368-485X
- ^ Beispielsweise verwendeten einige Dnepr und Ural Flachkopfmotoren, die BMW an die Sowjets lizenziert hatte.