IOE engine

The intake/inlet over exhaust, or "IOE" engine, known in the US as F-head, is a four-strokeinternal combustion engine whose valvetrain comprises OHV inlet valves within the cylinder head and exhaust side-valves within the engine block.^[1]

IOE engines were widely used in early motorcycles, initially with the inlet valve being operated by engine suction instead of a cam-activated valvetrain. When the suction-operated inlet valves reached their limits as engine speeds increased, the manufacturers modified the designs by adding a mechanical valvetrain for the inlet valve. A few automobile manufacturers, including Willys, Rolls-Royce and Humber also made IOE engines for both cars and military vehicles. Rover manufactured inline four and six cylinder engines with a particularly efficient version of the IOE induction system.

A few designs with the reverse system, exhaust over inlet (EOI), have been manufactured, such as the Ford Quadricycle of 1896.

In a F-head/IOE engine, the intake manifold and its valves are located in the cylinder head above the cylinders, and are operated by rocker arms which reverse the motion of the pushrods so that the intake valves open downward into the combustion chamber. The exhaust manifold and its valves are located beside or as part of the cylinders, in the block.^[2] The exhaust valves are either roughly or exactly parallel with the pistons; their faces point upwards and they are not operated by separate pushrods, but by contact with a camshaft through the tappet or valve lifter and an integrated valve stem/pushrod. The valves were offset to one side, forming what seemed to be a pocket, leading to the term "pocket valve" being used for IOE engines.^[3] An F-head engine combines features from both overhead-valve and flathead type engines, the inlet valve operating via pushrod and rocker arm and opening downward like an overhead valve engine, while the exhaust valve is offset from the cylinder and opens upward via an integrated pushrod/valve stem directly actuated by the camshaft, much like the valves in a flathead engine.

استخدمت التصاميم الأولى لمحركات IOE صمامات سحب تعمل بالضغط الجوي، تُغلق بنابض ضعيف وتُفتح بفعل فرق الضغط الناتج عن هبوط المكبس في شوط السحب . ^{[ 4 ]} كان هذا التصميم فعالًا مع المحركات القديمة منخفضة السرعة، وتميز ببساطته وانخفاض تكلفته، إلا أن النابض الضعيف لم يكن قادرًا على إغلاق الصمام بالسرعة الكافية مع ازدياد سرعة المحرك. لذا، استلزم الأمر استخدام نوابض أقوى، مما استلزم بدوره حركة ميكانيكية مباشرة لفتح الصمام، حيث أن الضغط الجوي البالغ 15 رطلًا لكل بوصة مربعة يحد من القوة الكلية المتاحة لتوليد فرق الضغط، مما يعني أن نابضًا بقوة 15 رطلًا (6.8 كجم) يمثل الحد النظري، بينما كان يُستخدم عادةً نوابض أخف وزنًا لأغراض عملية. عند بلوغ حدود هذا النظام، تم تحسين التصميم دون تغييرات جوهرية في رأس الأسطوانة، وذلك بإضافة نظام ميكانيكي لفتح صمامات السحب ونوابض أقوى لإغلاقها. ^{[ 5 ]} في كلتا الحالتين، كانت صمامات العادم موجودة في كتلة المحرك، وتُفتح عن طريق التلامس مع عمود الكامات عبر رافع الصمام، وتُغلق بواسطة النوابض. ^{[ 4 ]} 

يسمح تصميم محرك الصمامات المفردة (IOE) باستخدام صمامات أكبر من تلك المستخدمة في محركات الصمامات الجانبية (أو محركات L-head) أو محركات الصمامات العلوية . ^{[ 2 ]} تشمل مزاياه مقارنةً بمحركات الصمامات الجانبية/المسطحة غرفة احتراق مدمجة، وموقعًا مثاليًا لشمعة الإشعال، وتأثير تبريد ناتج عن دوامة الخليط، ^{[ 6 ]} بالإضافة إلى تدفق أفضل لخليط السحب. أما عيوبه فتتمثل في غرفة احتراق ذات شكل أكثر تعقيدًا من تلك الموجودة في محركات الصمامات العلوية، مما يؤثر على معدلات الاحتراق وقد يتسبب في ظهور بقع ساخنة في رأس المكبس، وموقع غير مناسب للصمامات، مما يعيق عملية التنظيف الفعالة . ونظرًا للتعقيدات الإضافية لأذرع التأرجح وقضبان الدفع، فإن تصنيعه أكثر تعقيدًا وتكلفة من محرك الصمامات الجانبية، فضلًا عن كونه أكبر حجمًا نظرًا لوضع أذرع التأرجح فوق رأس الأسطوانة، كما أنه يتطلب صمام سحب ومنافذ في رأس الأسطوانة، بينما أسطوانة محرك الصمامات الجانبية هي ببساطة أسطوانة مغلقة الطرف.

في معرض أولمبيا للسيارات عام 1923، عرضت شركة كوفنتري كليماكس أربعة محركات من طراز F رباعية الأسطوانات مبردة بالماء.[13] تميزت جميعها بشوط 100 مم، وأقطار أسطوانات 59 مم (سعة 1094 سم مكعب)، و63 مم (سعة 1247 سم مكعب)، و66 مم (سعة 1368 سم مكعب)، و69 مم (سعة 1496 سم مكعب). وكانت سيارة GWK قد ظهرت في إعلانات كوفنتري كليماكس منذ أواخر عام 1920 بمحرك كوفنتري كليماكس رباعي الأسطوانات بقوة 10.8 حصان، وهي نفس قوة محرك طراز F ذي قطر الأسطوانة 66 مم.[14] وكانت المحركات متوفرة إما منفصلة أو كوحدة متكاملة مع علبة تروس ثلاثية السرعات.[15]

OC

محرك من النوع OC في دراجة كروسلي بقوة 10 أحصنة. في البداية، صُمم محرك OC بسعة 1122 سم مكعب كمحرك رباعي الأسطوانات مستقيم بقطر 63 مم وشوط 90 مم، مع صمامات سحب علوية وصمامات عادم جانبية، لينتج قوة 34 حصانًا (25 كيلوواط). طُرح هذا المحرك في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، كما تم تصنيعه بترخيص من شركة ترايمف.

بحلول عام ١٩٣٣، تحوّل محرك OC إلى محرك MC. بدا المحركان متطابقين تقريبًا، لكن كانت هناك اختلافات داخلية. بقي حجمه ١١٢٢ سم مكعب، بنظام حقن الوقود المباشر (IOE)، وأربع أسطوانات متتالية، لكن عمود الكامات كان مختلفًا، وكذلك أذرع الكامات. أصبحت علامات التوقيت على دولاب الموازنة تُرى من أعلى المحرك بدلًا من أسفله كما في محرك OC. تنوعت أنظمة الكربنة، من نظام Solex ذي السحب الجانبي، إلى نظام SU ذي السحب السفلي، ثم نظام الخنق التدريجي ذي السحب السفلي، وأخيرًا نظام SU ذي السحب الجانبي الأكبر في محركات Triumph. كان المحرك يُبرّد بالماء عن طريق نظام التبريد الحراري الذاتي دون مضخة ماء أو مروحة.

صُمم محرك JM، وهو نسخة سداسية الأسطوانات من محرك MC، بسعة 1476 سم مكعب وقطر أسطوانة 59 مم، بقوة 42 حصانًا (31 كيلوواط). أما نسخة JMC، فقد زادت سعتها إلى 1683 سم مكعب بزيادة قطر الأسطوانة إلى 63 مم، لتنتج قوة 48 حصانًا (36 كيلوواط). ويختلف هذا المحرك عن المحرك رباعي الأسطوانات في احتوائه على مضخة ماء وفلتر زيت، بينما يعتمد المحرك رباعي الأسطوانات على نظام التبريد الحراري فقط دون فلتر زيت.

استخدمت روفر شكلاً أكثر تطوراً من محرك IOE. صممه جاك سوين في منتصف إلى أواخر أربعينيات القرن العشرين، واستمر إنتاجه من عام 1948 إلى أوائل تسعينيات القرن العشرين. ^{[ 7 ]} على عكس محرك IOE التقليدي ذي رأس F، تميز هذا المحرك بغرفة احتراق فعالة مصممة لاحتراق جيد، بدلاً من مجرد التصنيع. ^{[ 8 ]} تم تشكيل السطح العلوي للكتلة بزاوية، مع توجيه رؤوس المكابس بزاوية على شكل "سقف مائل" لتتناسب معها. عند النقطة الميتة العليا، كان المكبس يكاد يلامس صمام السحب المائل، مما يوفر ضغطاً جيداً لغرفة الاحتراق نفسها، المنزاحة جانبياً بمقدار نصف قطر الأسطوانة. ^{[ 8 ]} كان شكل غرفة الاحتراق الناتج نصف كرة مثالي تقريباً، على الرغم من أنه مقلوب ومائل عن تصميم " نصف الرأس " المعتاد. ^{[ ٨ ]} تم تركيب شمعة الإشعال في المنتصف، وهذا، ^{[ ٦ ]} بالإضافة إلى الاضطراب الناتج عن الضغط، ^{[ ٨ ]} وفر مسارًا قصيرًا للهب. ^{[ ٦ ]} كان سمك طبقة الغاز بين المكبس وصمام السحب محدودًا للغاية بحيث يقلل من خطر الاحتراق غير المنتظم عند استخدام وقود رديء، وهو أحد العوامل التي أبقته قيد الاستخدام مع لاند روفر لفترة طويلة. خلال أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين، عندما كان البنزين الوحيد المتاح هو بنزين "المجمعات" منخفض الأوكتان ، سمح ذلك أيضًا لشركة روفر بتشغيل نسب ضغط أعلى من العديد من المنافسين الذين يستخدمون تصميمات الصمامات الجانبية أو العلوية الأكثر شيوعًا . ^{[ ٧ ]}

أدى تصميم غرفة الاحتراق غير المألوف بصماماتها المائلة إلى نظام صمامات غير تقليدي. يعمل عمود الكامات المثبت على كتلة المحرك على تشغيل أذرع تأرجح صغيرة على شكل إسفين، ذراع لكل صمام. في الطرازات الأولى، كان عمود الكامات يعمل على وسادة بسيطة على ذراع التأرجح، ولكن في الطرازات اللاحقة، استُبدلت هذه الوسادة بذراع تأرجح أسطواني. تعمل أذرع تأرجح العادم مباشرةً على الصمامات، بينما تعمل أذرع تأرجح السحب على قضبان دفع تمتد إلى مجموعة ثانية من أذرع تأرجح مسطحة أطول تُشغل صمامات السحب. كان محرك روفر، مثل العديد من التصاميم البريطانية في أربعينيات القرن العشرين وما قبلها، محركًا صغير القطر وطويل الشوط ( أقل من مربع ) للحفاظ على تصنيف القدرة الحصانية لضريبة نادي السيارات الملكي (RAC ) عند أدنى مستوى ممكن، وبالتالي الحفاظ على ضريبة الطرق عند أدنى مستوى ممكن. مكّن تصميم IOE شركة روفر من استخدام صمامات أكبر مما هو ممكن عادةً في محرك صغير القطر، مما يسمح بتنفس أفضل وأداء أفضل. ^{[ 6 ]}

شملت عائلة محركات روفر IOE محركات رباعية الأسطوانات (1.6 و2.0 لتر) ومحركات سداسية الأسطوانات (2.1، 2.2، 2.3، 2.4، 2.6، و3.0 لتر)، وقد زُوّدت بها معظم سيارات الشركة بعد الحرب، وتحديدًا طرازات P3 و P4 و P5 . كما استُخدمت نسخ مُعدّلة من محركي IOE سعة 1.6 و2.0 لتر في الإصدارات الأولى من لاند روفر. وتراوحت قدرة المحركات من 50 حصانًا (لاند روفر 1.6 لتر) إلى 134 حصانًا ( P5 سعة 3 لتر، الإصدارين الثاني والثالث). وقد حظي محرك IOE سداسي الأسطوانات سعة 2.6 لتر بمسيرة إنتاجية طويلة. بعد استخدامها في سيارات روفر P4 الصالون، تمت إضافتها إلى طرازات لاند روفر ذات قاعدة العجلات الطويلة من عام 1963 في طرازات 2A Forward Control، ثم في عام 1967 في طراز 109 ذي غطاء المحرك ^{[ 9 ]} وظلت خيارًا إضافيًا حتى عام 1980 عندما تم استبدالها بمحرك روفر V8 .

الدراجات النارية

استُخدم نظام صمامات IOE على نطاق واسع في الدراجات النارية الأمريكية المبكرة، استنادًا بشكل رئيسي إلى تصميم فرنسي من دي ديون-بوتون . ^{[ 11 ]} استخدمت هارلي-ديفيدسون محركات IOE بصمامات سحب تعمل بالهواء الجوي حتى عام 1912، ^{[ 12 ]} وبصمامات سحب تعمل ميكانيكيًا من عام 1911 إلى عام 1929. ^{[ 13 ]} استخدمت إنديان أنظمة صمامات IOE في جميع دراجاتها ذات الأربع أسطوانات باستثناء تلك المصنعة في عامي 1936 و1937. ^{[ 14 ] [ 15 ]} ومن بين مصنعي الدراجات النارية الأمريكيين الآخرين الذين استخدموا محركات IOE: إكسلسيور ، وهندرسون ، وآيس . ^{[ 16 ]}

السيارات

استخدمت شركة Hudson محرك IOE رباعي الأسطوانات في خط سيارات Essex من عام 1919 إلى عام 1923 ^{[ 17 ]} ومحرك IOE سداسي الأسطوانات في خط سيارات Hudson من عام 1927 إلى عام 1929. ^{[ 18 ]}

في أوروبا خلال نفس الفترة، أنتجت شركة هامبر المحدودة في كوفنتري بإنجلترا مجموعة كاملة من السيارات التي تستخدم محركات IOE، إلا أنه تم التخلص التدريجي منها في نهاية عشرينيات القرن الماضي لصالح طرازات تستخدم محركات L-head الأرخص ثمناً والمشتركة مع هيلمان.

استخدمت سيارات ويليز بعد الحرب العالمية الثانية ، وخليفتها كايزر جيب ، نسخًا مختلفة من محرك ويليز هوريكان من عام 1950 إلى عام 1971. ^{[ 19 ]}

استخدمت رولز رويس محركًا سداسي الأسطوانات مستقيمًا بتقنية IOE، صُمم في الأصل قبيل الحرب العالمية الثانية، في سيارتها سيلفر رايث التي أُنتجت بعد الحرب . ^{[ 20 ] [ 21 ]} ومن هذا المحرك، استنبطت رولز رويس سلسلة محركات B لمركبات الجيش البريطاني القتالية، والتي أنتجتها رولز رويس بأربعة وستة وثمانية أسطوانات (B40 وB60 وB80) (وفي حالة B40، استُخدم في سيارة أوستن تشامب من قِبل موريس موتورز ) للمركبات العسكرية وسيارات الإطفاء وحتى الحافلات. كما استُخدم محرك FB60، وهو محرك سداسي الأسطوانات مستقيم بتقنية IOE بسعة 3909 سم مكعب وقوة 175 حصانًا  ، في سيارة فاندن بلاس برينسيس R الصالون سعة 4 لترات . ^{[ 22 ]} وقد صُنع أكثر من 6000 سيارة من هذا الطراز.

صُممت بعض المحركات بتكوين معكوس، حيث يقع صمام العادم في رأس الأسطوانة وصمام السحب في كتلة المحرك. بدأ إنتاج سيارة ABC Skootamota بمحرك من هذا التكوين، ^{[ 23 ] [ 24 ]} ولكن تم تغييره إلى محرك ذي صمامات علوية قبل توقف الإنتاج. ^{[ 23 ]}

في عامي 1936 و1937، عُكست مواقع الصمامات في محرك إنديان فور، حيث أصبح صمام العادم في رأس الأسطوانة وصمام السحب في كتلة المحرك. نظريًا، كان من شأن هذا أن يُحسّن تبخير الوقود، وقد أصبح المحرك بالفعل أكثر قوة. مع ذلك، تسبب النظام الجديد في ارتفاع درجة حرارة رأس الأسطوانة بشكل كبير. كما تطلبت وصلة صمام العادم تعديلًا متكررًا. عاد التصميم إلى تكوينه الأصلي IOE في عام 1938. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

• الجدول الزمني لمحركات هارلي-ديفيدسون