Hlava válce a spalovací prostor

Hlava válce je druhá nejkritičtější část v motoru hned po pístu a pístních kroužcích. Zde dochází k samotnému procesu komprese směsi do malého prostoru a pak její zážeh. Zde se směs pohybuje největší rychlostí z celého motoru a záleží na každém drobném detailu, který proudění směsi klade odpor. Hlava válce by měla být správně nadimenzovaná včetně žeber, aby stíhala odvádět teplo z komprese a spalování a zároveň spalovací prostor musí být správně nadimenzován na konkrétní značku pístu a výbrus a mít správný objem. Všechny souvislosti budou vysvětleny v následujících odstavcích.

Hlava válce může být klasická nebo vějířovitá (závodní). U vějířovité hlavy je zpravidla lepší odvod tepla, neboť jsou žebra umístěny do kruhu a má větší plochu, kterou se může chladit.

Součástí správného spalovacího prostoru je antidetonační štěrbina a kupole, i když zrovna originální hlava Babetty antidetonační štěrbinu z důvodu jednoduchosti nemá a má pouze kupoli.

Antidetonační štěrbina je vnější částí spalovacího prostoru hned za kupolí. Zpravidla zabírá zhruba třetinu průměru celé spalovací komory Babetty. Štěrbina se tomu říká proto, neboť když je píst v horní úvrati, tak je v tomto místě mezi pístem a hlavou zpravidla méně než 1mm prostoru a zároveň více než 0,5mm. Zkušení ladiči doporučují ideální konfiguraci štěrbiny kolem 0,65mm až zhruba po 0,8mm. Každý motor je jiný, bude si to chtít s tím pohrát, na jakou vzdálenost pojede motor nejlíp a zároveň bude málo topit.

Změření reálné šířky antidetonační štěrbiny (anglicky squish) se dá provést 3 způsoby. Drátem cínu s průmerem 1mm – 1,5mm podle toho, jak velkou štěrbinu chceme mít. Strčíme drát do spalováku a nastavíme píst do horní úvratě a deformujeme pístem cínový drát o štěrbinu a pak šuplerou změříme průměr deformace drátu. Jak na to ilustrují například tyto 2 videa na YT. Můžete si vybrat, kterému způsobu dáte přednost.

Poslední způsob je změření štěrbiny nalitím roztaveného cínu přes otvor svíčky s pístem v horní úvrati. Poté demontujete hlavu a změříte šuplerou tloušťku cínového odlitku. Odlitek by měl přesně kopírovat rádius pístu (tzn. pořád stejná tloušťka v jakékoliv vzdálenosti od okraje pístu) nebo se mírně rozevírat (tloušťka odlitku se mírně zvětšuje směrem do středu). Pokud zjistíte, že je štěrbina příliš malá, tak válec vypodložíte tenčím těsněním a když bude příliš velká, tak zvětšíte tloušťku těsnění pod válec. Pro představu 1mm tloušťka těsnění navíc rozhodí časování válce pouze o 2°, což je zanedbatelné a tak můžete doladit požadovanou šířku antidetonační šterbiny dle vašeho gusta, aniž by to jinak rozhodilo jiný důležitý parametr motoru.

Abyste stanovili rádius antidetonační štěrbiny podle vašeho pístu, musíte si obstarat kótu B a D pro váš píst.

Rádius dna pístu se vypočte jako R = (4 x B^2 + D^2) / (8 x B) [mm]

Koho by ještě zajímal objem dna pístu, tzn. matematicky výpočet objemu kulové úseče (vrchlíku), tak pokud za parametry B a D dosadíte rozměry v mm, tak V = PI x B x (3 x (D/2)^2 + B^2) / 6000 [cm3] .

O tento objem vrchlíku (dna) pístu se zmenší objem spalovacího prostoru v HÚ pístu. Proto je třeba brát v potaz i objem dna pístu a skutečný objem spalováku musí být větší o tento objem dna pístu, abyste ve finále dostali ten správný objem spalovacího prostoru pro kompresní poměr 9:1.

Objem spalovacího prostoru se změří ideálně podle oleje o známé hustotě. Injekční stříkačkou budete dávkovat olej o známé hmotnosti do spalovacího prostoru, který bude mít zašroubovanou svíčku a jak bude spalovák vrchovatý, tak celkovou hmotnost oleje přepočtete na objem. Voda je nevhodná pro měření objemu spalováku kvůli velkému povrchovému napětí a tudíž byste objem změřili s menší přesností.

Důvod pro antidetonační štěrbinu je prostý. Z fyzikální podstaty směs prohořívá mnohem pomaleji v užším místě než ve volném prostoru. Tohoto efektu se s výhodou využívá k tomu, aby se nestihla zapálit všechna směs ve spalovací komoře od okraje pístu, který bývá nejvíc horký během kompresní fáze a prohoří samovznícením směs jen v té úzké štěrbině. Pokud je antidetonační šterbina velká, tak už je rychlost hoření ve štěrbině vysoká a může dojít k samovolnému zážehu kompletního objemu směsi ve spalovacím prostoru a nastane takzvané detonační spalování. Směs prohoří dřív než se hodí jiskra na svíčce. Tohoto efektu můžete snadno docílit, když bude motor honit na maximální výkon do kopce, kdy se okraj pístu zahřeje tak, že přejde do detonačního spalování a najednou vám Babetta úplně umře. Detonační spalování není zdravé, probíhá rychle, ve špatný okamžik a ničí píst, klikovku, neboť vytváří velké tlakové rázy na klikovou hřídel a píst. Typickým důvodem pro detonační spalování je nejčastěji příliš vysoká komprese motoru nebo nevhodný tvar spalovacího prostoru či antidetonační štěrbiny nebo špatně naladěná směs do chuda, která přehřívá válec a píst. To, že máte motor zrovna v detonaci, poznáte kromě typicky klepavého zvuku a nízkého výkonu tak, že když zmáčknete elektronický chcípák, tak motor stále běží a nejde chcípnout.

V rámci dlouhodobého výzkumu se přišlo na to, že optimální kompresní poměr u Babetty, která je vzduchem chlazená, by měl být zhruba 9:1 a při této kompresi pracuje motor tak, že dává již optimální výkon a zároveň se moc směs nepřehřívá příliš vysokou kompresí. Tento kompresní poměr je teoretický a spočítá se jako poměr objemu válce + spalováku lomeno objemu spalováku. Když si dosadíte do originálního vzorečku, tak u originální hlavy pro nultý výbrus vám vyjde pro kompresní poměr 9:1 objem spalováku 6 cm3. (49 + 6)/ 6 = komprese 9.16:1 a to přesně odpovídá zlatému středu pro optimální průběh motoru a životnost a odolnost proti detonačnímu spalování. Na toto téma jsem se bavil řadu let s různými mnou uznávanými ladiči a shodli jsme se na tom, že jakmile člověk hrábne do kompresního poměru a udělá jinou kompresi, tak to ve finále pojede vždy hůř.

Originální hlava válce pro Babettu má tudíž objem 6 cm3. Z logiky věci vyplývá, že když budete na Babettě dělat výbrus, tak byste měli zvyšovat i objem spalovacího prostoru, abyste zachovali ideální kompresní poměr 9:1. Například pro 8.výbrus by už měla mít spalovací komora objem 6,6 cm3. To ale nedělá skoro nikdo a vesele dál jezdí na stejnou hlavu a má vyšší kompresi a kromě toho mu víří ne zrovna ideálně směs ve spalovacím prostoru. Dokonce si někteří nechávají hlavu snížit o pár desetinek, že prý to pak „líp“ jede. To je ale špatně. Sice dostanete krapet větší výkon, ale při velké zátěži se vám bude motor víc přehřívat a nakonec budete mít výkon menší než kdybyste hlavu nesnižovali. Dost často se vám poté, co dáte válec na výbrus, bude motor víc přehřívat i po záběhu, neboť jste nezvětšili spalovací prostor a máte větší kompresi.

Tvar spalovací komory vyhovuje pouze danému pístu pro daný výbrus a není vhodné hlavu používat pro písty stejného typu, avšak o několik výbrusů vyšší či nižší a už vůbec ne pro písty s jiným rádiusem dna pístu. Tím byste si degradovali výkon motoru. Pokud mermomocí chcete hlavu použít i na vyšší výbrus, tak můžete učinit maximálně tak u pístu o 0,5 mm větším než na jaký byla vaše hlava stavěna. Při instalaci většího nebo menšího pístu do hlavy dělané pro píst daného výbrusu začne směs vířit kolem pístu a snižuje to výkon motoru. Pokud se instaluje píst většího či menšího výbrusu do 0,5mm od nominálního pístu pro hlavu, tak se poupravuje okraj dna pístu tak, aby jeho vnější část byla plochá a ne zaoblená. Stáčí se tedy na soustruhu dno pístu na plocho zhruba o 2mm od vnějšího okraje dna pístu. Tím se alespoň částečně kompenzuje nevhodný rádius štěrbiny a rádius pístu a průměr pístu.

Píst menšího výbrusu má menší rádius, takže je více zaoblený, kdežto píst většího výbrusu má větší rádius a takže je míň zaoblený na dně pístu. Ve finále mají všechny výbrusy pístu daného typu stejnou výšku dna. Ideálně byste měli vyměnit hlavu za novou s jiným spalovákem po každých 2-3 výbrusech. Pro pokrytí celého rozsahu Babetta výbrusů (0-12.výbrus) by bylo vhodné mít tak 4-5 hlav válců s různými spalováky. Jistě vám to pojede ve všech výbrusech i na stejnou hlavu, ale už to nebude ono mimo ten píst, na který byla hlava stavěna.

Přechod mezi antidetonační štěrbinou do kupole spalovacího prostoru musí mít ostrou hranu, neboť proudění směsi nemá rádo ostré přechody a chová se jako překážka, která bude současně i bránit prohořeni směsi mimo štěrbinu. Závit svíčky musí přesně lícovat s dnem kupole. Nesmí být utopený ani přečnívat. Kolem svíčky by měl být prostor kupole co nejvíce rovný a až pak přecházet do rádiusu. Všechny výše uvedené zásady mají obrovský vliv na proudění směsi ve spalovacím prostoru a tedy výsledném výkonu. Tvar spalovacího prostoru je zcela zásadní a bude mít velký vliv na výsledný výkon a výdrž motoru hned po správné geometrii rezonančního výfuku a časování válce.

Pokud chcete vyrobit hlavu pro neznámý píst, tak je vhodné píst demontovat a poslat ho poštou tomu, kdo vám bude vyrábět hlavu, aby si ho mohl naskenovat nebo otlačit dno písto do formy a podle ní pak vyrobit správně spalovák. Jde opět hlavně o správný rádius antidetonační štěrbiny.

Celá problematika je ještě náročnější. Snažil jsem se vypíchnout úplně základní informace v kostce a sám se pokládám za věčného studenta v této problematice. Věřím, že po přečtení tohoto článku se budete minimálně více rozmýšlet, jestli budete snižovat hlavu pro dosažení většího výkonu nebo ji necháte raději tak a dalším důležitým poznatkem by mělo být, že spalovací prostor musí být vyroben přesně pro daný píst, takže kupovat od někoho hotovou vějířovitou hlavu z druhé ruky, aniž by uvedl, pro jaký píst a výbrus je přesně dělaná, je nesmysl a vyhozené peníze.