محرك فلاتهيد

محرك ذو رأس مسطح ، والمعروف أيضًا باسم محرك الصمامات الجانبية ^{[ 1 ] [ 2 ]} أو محرك الصمامات داخل الكتلة ، هو محرك احتراق داخلي يحتوي على صمامات زنبركية داخل كتلة المحرك ، بدلاً من وجودها في رأس الأسطوانة ، كما هو الحال في محرك الصمامات العلوية .

استُخدمت محركات فلاتهيد على نطاق واسع عالميًا من قِبل مصنعي السيارات من أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر حتى منتصف ستينيات القرن العشرين ^{[ 3 ]،} ولكن تم استبدالها بمحركات ذات صمامات علوية وعمود كامات علوي أكثر كفاءة . وتشهد هذه المحركات حاليًا انتعاشًا في محركات الطائرات منخفضة السرعة مثل محرك دي-موتور . ^{[ 4 ]}

تتألف آلية الصمامات من عمود كامات مثبت في أسفل كتلة الأسطوانات، يقوم بتشغيل صمامات البوبيت عبر رافعات وقضبان دفع قصيرة (أو أحيانًا بدون قضبان دفع على الإطلاق). يُغني نظام الصمامات الجانبية عن الحاجة إلى مكونات إضافية لنظام الصمامات ، مثل قضبان الدفع الطويلة، وأذرع التأرجح، والصمامات العلوية، أو أعمدة الكامات العلوية . ^{[ 5 ]} عادةً ما تكون الصمامات الجانبية متجاورة، وتقع على جانب واحد من الأسطوانة (الأسطوانات)، على الرغم من أن بعض محركات الصمامات الجانبية تستخدم النوع الأقل شيوعًا "المتقاطع التدفق" أو "T-head" . في محرك T-head، تخرج غازات العادم من الجانب المقابل لصمام السحب في الأسطوانة.

لا تقع غرفة الاحتراق في محرك الصمامات الجانبية فوق المكبس (كما هو الحال في محرك الصمامات العلوية)، بل على الجانب، فوق الصمامات. قد توضع شمعة الإشعال فوق المكبس (كما هو الحال في محرك الصمامات العلوية) أو فوق الصمامات؛ ولكن تصاميم الطائرات التي تحتوي على شمعتي إشعال لكل أسطوانة قد تستخدم أيًا من الموضعين أو كليهما. ^{[ 6 ]}

يمكن استخدام "المكابس البارزة" مع رؤوس الأسطوانات المتوافقة لزيادة نسبة الانضغاط وتحسين شكل غرفة الاحتراق لمنع الطرق . ^{[ 7 ]} تُسمى "المكابس البارزة" بهذا الاسم لأنها، عند النقطة الميتة العليا ، تبرز فوق الجزء العلوي من كتلة الأسطوانات.

تشمل مزايا محرك الصمامات الجانبية البساطة، والموثوقية، وقلة عدد أجزائه، وانخفاض تكلفته، وخفة وزنه، وصغر حجمه، واستجابته السريعة عند السرعات المنخفضة، وانخفاض مستوى الضوضاء الميكانيكية، وعدم تأثره بالوقود منخفض الأوكتان. يُتيح غياب نظام الصمامات المعقد تصميم محرك صغير الحجم ورخيص التصنيع، حيث قد لا يتجاوز رأس الأسطوانة كونه قطعة معدنية مصبوبة بسيطة. تُفسر هذه المزايا سبب استخدام محركات الصمامات الجانبية في سيارات الركاب لسنوات عديدة، بينما اقتصر استخدام تصميمات الصمامات العلوية على التطبيقات عالية الأداء مثل الطائرات ، والسيارات الفاخرة ، والسيارات الرياضية ، وبعض الدراجات النارية .

عند النقطة الميتة العليا، يقترب المكبس بشدة من الجزء المسطح لرأس الأسطوانة، مما يُنتج اضطرابًا ناتجًا عن الضغط يُؤدي إلى مزج ممتاز للوقود والهواء. ومن مميزات تصميم الصمامات الجانبية (المفيدة بشكل خاص لمحركات الطائرات) أنه في حال تعطل أحد الصمامات في دليله وبقي مفتوحًا جزئيًا، فلن يتضرر المكبس، وسيستمر المحرك في العمل بأمان على أسطواناته الأخرى.

تتمثل العيوب الرئيسية لمحرك الصمامات الجانبية في ضعف تدفق الغاز، وسوء شكل غرفة الاحتراق، وانخفاض نسبة الانضغاط، مما ينتج عنه محرك ذو سرعة دوران منخفضة وقدرة خرج منخفضة ^{[ 8 ]} وكفاءة منخفضة ^{[ 9 ]} . ونظرًا لأن محركات الصمامات الجانبية لا تحرق الوقود بكفاءة، فإنها تعاني من انبعاثات عالية من الهيدروكربونات ^{[ 10 ] .}

لا يمكن استخدام محركات الصمامات الجانبية إلا في المحركات التي تعمل وفق مبدأ أوتو . شكل غرفة الاحتراق غير مناسب لمحركات الديزل ، ^{[ 11 ]} التي تتطلب نسبة انضغاط عالية لحدوث الاشتعال .

في محرك الصمامات الجانبية، تسلك غازات السحب والعادم مسارًا ملتويًا، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الحجمية، أو ما يُعرف بـ"ضعف التنفس"، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تداخل غازات العادم مع الشحنة الداخلة. ونظرًا لطول مسار العادم قبل خروجه من المحرك، فإنه يميل إلى السخونة الزائدة . (ملاحظة: ينطبق هذا على محركات V-type ذات الصمامات الجانبية، ولكنه أقل إشكالية في المحركات الخطية التي عادةً ما تكون منافذ السحب والعادم فيها على نفس جانب كتلة المحرك). ورغم أن محرك الصمامات الجانبية يمكنه العمل بأمان عند السرعات العالية، إلا أن كفاءته الحجمية تتدهور بسرعة، مما يجعل الحصول على قدرة عالية غير ممكن عند السرعات العالية. لم تكن الكفاءة الحجمية العالية ذات أهمية كبيرة في السيارات القديمة لأن محركاتها نادرًا ما كانت تحافظ على سرعات عالية لفترات طويلة، ولكن المصممين الذين سعوا إلى الحصول على قدرة أعلى اضطروا إلى التخلي عن تصميم الصمامات الجانبية. كان الحل الوسط الذي استخدمته سيارات ويليز جيب ، وروفر ، ولاند روفر ، ورولز رويس في الخمسينيات من القرن الماضي هو نظام الصمامات "F-head" (أو "السحب فوق العادم")، والذي يحتوي على صمام جانبي واحد وصمام علوي واحد لكل أسطوانة. ^{[ 12 ]}

غرفة الاحتراق الطويلة في محرك فلاتهيد عُرضة للاشتعال المُبكر (أو "الخبط") عند زيادة نسبة الانضغاط، ولكن قد تُساعد التحسينات مثل الإشعال بالليزر أو الإشعال المُعزز بالميكروويف في منع الخبط. ^{[ 13 ]} قد تُزيد أخاديد الاضطراب من الدوامة داخل غرفة الاحتراق، مما يزيد من عزم الدوران، خاصةً عند سرعات دوران منخفضة. يُحسّن خلط شحنة الوقود/الهواء بشكل أفضل من الاحتراق ويُساعد في منع الخبط. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

نتج تقدم في تكنولوجيا المحركات ذات الصمامات الجانبية عن تجارب أجراها السير هاري ريكاردو في عشرينيات القرن الماضي ، حيث حسّن كفاءتها بعد دراسة خصائص تدفق الغاز في هذه المحركات. ^{[ 18 ] [ 9 ]}

إن صعوبة تصميم محرك ذي نسبة ضغط عالية تعني أن معظمها يميل إلى أن يكون تصميمات إشعال شراري، وأن محركات الديزل ذات الصمامات الجانبية غير معروفة تقريبًا.

كان تصميم الصمامات الجانبية شائعًا بشكل خاص في الولايات المتحدة، حيث استُخدم في محركات المركبات، حتى في المحركات ذات القدرة النوعية العالية. ^{[ 11 ]} ولا تزال تصاميم الصمامات الجانبية شائعة في العديد من المحركات الصغيرة أحادية الأسطوانة أو ثنائية الأسطوانة ، مثل جزازات العشب ، وآلات الحراثة الدوارة ، والجرارات ذات العجلتين ، وغيرها من الآلات الزراعية الأساسية .

• رأس مالك الحزين

• محرك فورد فلاتهيد
• صور لكل طراز من محركات هارلي ديفيدسون
• دراجات هارلي ديفيدسون من طراز K