Decydującą rolę w uzyskaniu możliwie wysokich osiągów silnika mają układy i mechanizmy znajdujące się powyżej uszczelki podgłowicowej.

 

Oczywiście wyważenie układu korbowodowo-tłokowego, dobranie właściwych luzów w złożeniach: cylinder - tłok oraz panewki - wał korbowy, również mają wpływ na moc osiąganą przez silnik. Jest to jednak osiągane tylko poprzez zmniejszenie strat spowodowanych tarciem, a nie poprzez poprawianie procesu spalania i napełniania.

Bezpośrednio o mocy silnika decyduje przede wszystkim wielkość napełniania cylindra podczas pracy, a to związane jest z układem ssącym, rozrządu i wydechowym. Kształt komory spalania i stopień sprężania także wpływa na sprawność samego procesu spalania, ale w tym zakresie są ograniczenia wynikające z parametrów paliwa. Przede wszystkim liczba oktanowa paliwa określa maksymalną wartość stopnia sprężania.

Układ zapłonowy i zasilania mogą zapewnić jedynie maksymalne właściwe warunki składu mieszanki oraz momentu zapłonu i w nowoczesnych silnikach rezerwy mocy są tu niewielkie. Wynikają one zazwyczaj z ograniczeń ekologicznych. Tak więc wszelkie prace tuningowe powinny się skupić na układzie rozrządu, ssącym i wydechowym.

Głowica jest tym elementem, który zawiera zasadnicze części tych trzech układów:
- końcowy odcinek układu ssącego
- początkowy odcinek układu wydechowego
- układ zaworów z gniazdami i sprężynami
- wałek lub wałki rozrządu
- komorę spalania.

Dobre przygotowanie głowicy w samochodzie wyczynowym wymaga doświadczenia i umiejętności prac ślusarskich. W zależności też od zakresu prac niezbędne jest też skorzystanie ze specjalistycznych obrabiarek. Co zatem należy w głowicy przerobić w celu przygotowania jej do sportu?

Kanały ssące i wydechowe
Z reguły dokonuje się obróbki powierzchni kanałów w celu nadani im gładkości i uzyskania możliwie małych oporów przepływu.

Jeżeli rezerwa materiału głowicy pozwala na to, zwiększa się przekroje kanałów dolotowych i wylotowych. Tutaj musimy posługiwać się przepisami regulaminu sprzętu, by sprawdzić, czy nie są ograniczone wymiary kanałów.

Jeśli chodzi o powierzchnię kanałów odpowiednią gładkość możemy uzyskać poprzez obróbkę za pomocą szlifierki i ściernic listkowych. Spotkałem się z teoriami, że kanał ssący powinien posiadać powierzchnię matową (jaka powstaje np.: po piaskowaniu), ale nie widziałem żadnych badań to potwierdzających. W większości w profesjonalnie przygotowanych głowicach kanały są polerowane.

Przy powiększaniu przekrojów kanałów należy zwrócić uwagę, by nie zostawić zbyt cienkich ścianek lub, co gorsza, nie zrobić dziury w ściance kanału. Naprawa takiego błędu jest bardzo trudna, a może się skończyć koniecznością wyrzucenia głowicy.

Gniazda zaworowe
Dążąc do możliwie dużego napełnienia, powiększamy średnice gniazd zaworowych i nadajemy im odpowiedni kształt. Tu jednak także musimy stosować się do regulaminu sprzętu, który może zostawiać dowolność lub ograniczać średnicę grzybków zaworów.

W tym drugim przypadku mamy ograniczone pole manewru. W głowicach aluminiowych gniazda wykonuje się w formie wciskanych pierścieni z odpowiedniego materiału. Grubość takiego pierścienia wynosi od 2,5 do 5 mm i powiększenie średnicy gniazda seryjnego może nastąpić tylko w niewielkim zakresie (około 1-1,5 mm).

Tak więc przy wymianie zaworów na większe należy wymienić (wstawić) większe gniazda zaworowe. Istotne jest przy tym zostawienie tak zwanego "mostka", czyli odstępu pomiędzy gniazdem ssącym a wydechowym. Jest to jeden z najbardziej obciążonych termicznie punktów głowicy i często następują tam pęknięcia. Niekiedy uzasadnione jest wykonanie wewnętrznej powierzchni gniazd zaworowych stożkowo, o niewielkim pochyleniu. Wówczas stożek wykonuje się tak, by średnica gniazda powiększała się wraz z kierunkiem przepływu spalin, czy mieszanki.

Do gniazd zaworów ssących stosuje się kąt przylgni zaworowej o nachyleniu 30°. Zapewnia to szybsze powiększanie powierzchni przelotu podczas otwierania zaworu. Prowadnice zaworowe w miejscu, gdzie wchodzą do kanałów, wykonuje się stożkowo, tak by jak najmniej przesłaniały kanał. Prawidłowo przygotowana głowica zwykle powiększa moment obrotowy i moc w całym zakresie obrotów silnika, ale ostateczne efekty uzależnione są od rezerw zostawionych przez producenta samochodu. Rezerwy mocy w głowicy są związane z tym, że samochód jest produktem masowym, a właściwe przygotowanie głowicy wymaga dużo ręcznej pracy, która jest niemożliwa do wykonania w procesie seryjnej produkcji.

Mechanizm spalania stukowego
Spalanie stukowe polega na nieprawidłowym przebiegu procesu spalania w cylindrze. Jak dochodzi do spalania stukowego?

Ciśnienie nad tłokiem pod koniec suwu sprężania ma wartość trochę ponad 10 kg/cm². Mieszanka paliwowo-powietrzna po suwie sprężania zostaje zapalona od iskry świecy i płomień rozprzestrzenia się przez całą komorę spalania ze stałą prędkością około 30-60 m/s. Powstaje duża ilość gazów spalinowych, co powoduje wzrost ciśnienia w komorze do ponad 60 kg/cm². Właśnie te gazy wykonują pracę, dając przekazywaną na koła moc. Oczywiście całe zjawisko spalania mieszanki trwa bardzo szybko, bo około 0,001 s.

Inaczej jest w przypadku spalania stukowego. W momencie zapłonu iskra zapala mieszankę w okolicy świecy, co powoduje jednocześnie sprężenie pozostałego ładunku w komorze spalania. Ciśnienie to oraz podwyższona temperatura wywołuje samozapłon i gwałtowne spalenie się mieszanki w przeciwległym końcu komory. Proces jest lawinowy i spalanie następuje nieprawidłowo, z wielokrotnie większą prędkością przekraczającą 1000 m/s. Wywołuje to charakterystyczny stuk. Jest to jak gdyby detonacja materiału wybuchowego, która znacznie obciąża cieplnie oraz mechanicznie tłok, korbowód i inne elementy silnika.

Przyczyny spalania stukowego
Istnieje kilka istotnych czynników, które powodują spalanie stukowe:
- zbyt wysoki stopień sprężania,
- za wczesny zapłon,
- za mała liczba oktanów paliwa,
- przegrzanie silnika,
- za małe zawirowanie mieszanki w komorze spalania,
- duże napełnianie cylindra.

Wykonując więc przeróbki silnika, musimy to brać pod uwagę i lepiej jest dla bezpieczeństwa nie stosować za wysokich stopni sprężania. Oczywiście, pewne rezerwy zwykle są, szczególnie jeśli decydujemy się na przejście na paliwo o wyższej liczbie oktanowej, ale pewna liczba stopnia sprężania jest graniczna (uzależniona od konstrukcji silnika), której przekraczać nie można. W silnikach GT nie stosowałbym wyższych stopni niż 10-10,5. Z powyższych rozważań wynika też, że montując do silnika sprężarkę lub turbosprężarkę, zwiększamy znacznie napełnianie cylindra i trzeba wtedy silnik odprężyć!

Dlatego fabryczne silniki turbodoładowane mają stopnie sprężania bardzo niskie - rzędu 6,5-8,5.

Natomiast w silnikach wyczynowych wolnossących, zawsze warto pracować nad uzyskaniem jak najlepszego napełnienia cylindra (np.: obróbkę kanałów ssących i dobór ich długości), a stosować wtedy nie za wysokie stopnie sprężania. Daje to lepszą sprawność ogólną, niż stosowanie bardzo wysokiego sprężu i opóźnianie zapłonu.

Źródło: Lech Świątek "Tuning wyczynowy VI. Głowica", AUTO TUNING ŚWIAT nr 12, grudzień 2002, str. 46-47
"Tuning wyczynowy VII. Głowica cd.", AUTO TUNING ŚWIAT, nr 2, luty 2003, str. 43