Aneks o głowicach Heron

Głowica typu Heron¹ jest rozwiązaniem stosowanym od lat 60-tych, w okresie projektowania silnika Alfasud dość nowatorskim. Warto skrótowo przedstawić jego cechy, aby ocenić słuszność decyzji o użyciu go w alfowskich bokserach.

Zgodnie z tradycyjną teorią budowy silników o wysokich osiągach, w historii Alfa Romeo bezpośrednio przekładaną na praktykę, chcąc zapewnić silnikowi charakter sportowy, najlepiej jest zastosować głowicę typu crossflow, w której dwa zawory cylindra są nachylone względem siebie, w związku z czym podniebienie komory spalania ukształtowane jest półkuliście lub w formie spłaszczonej czaszy. Układ taki umożliwia użycie dużych zaworów, zapewnia prosty, wolny od zawirowań przepływ gazów przez silnik, centralne położenie świecy u góry czaszy, szybki proces spalania i wysokie osiągi dzięki sprawnej wymianie ładunków, pozwalającej na pracę z dużymi prędkościami obrotowymi. Jednak głowica o prostym przepływie wymaga, dla pełnej konsekwencji, użycia dwóch górnych wałków rozrządu, bo trzony rzędów zaworów rozchodzą się w dwie strony i aby krzywki mogły nimi poruszać bezpośrednio, potrzebny jest układ DOHC. Głowica musi być wtedy znacznie większa i szersza, z rozbudowanym układem smarowania, a więc oczywiście droższa. Można co prawda zastosować tylko jeden wałek rozrządu i przekazywać ruch krzywek na zawory za pośrednictwem dźwigienek, ale bezwładność mechanizmu pośredniczącego obniża możliwe do uzyskania prędkości obrotowe i przez to od innej strony ogranicza rozwijanie mocy, a głowica i tak jest stosunkowo szeroka i skomplikowana.

Drugie tradycyjne rozwiązanie było proste i ekonomiczne, ale nie zapewniało silnikom ani dużych mocy, ani sportowego charakteru. Polegało na tym, że zawory ustawione były w jednym rzędzie, a więc mógł je bezpośrednio obsługiwać jeden górny wałek rozrządu, ale ponieważ ich trzonki biegły równolegle, a grzybki ustawione były w jednej płaszczyźnie, jak gdyby stały na stole, komora spalania musiała być od góry zamknięta płasko, miała więc formę niskiego walca, jak krążek hokejowy. Pierwszym wynikającym z tego ograniczeniem był niekorzystny stosunek pojemności komory do jej powierzchni, drugim – powolne rozchodzenie się frontu płomienia podczas zapłonu, co przedłuża czas spalenia ładunku, a więc obniża prędkość obrotową, trzecim – brak możliwości uzyskania wysokiego stopnia sprężania (tłok nie mógł dochodzić w górnym położeniu do pozycji kolizyjnej; forma komory, z kanciastą granicą między ścianą a pokrywą walca, była „nie skondensowana”), czwartym – mniejsze, z braku miejsca, średnice zaworów, a piątym – mimośrodkowe położenie elektrody. Pomimo wszystkich tych słabości głowice takie były powszechnie stosowane w silnikach napędzających setki popularnych modeli – tyle tylko, że nie mogły one ani rozwijać swobodnie prędkości obrotowych powyżej 5 tys./min., ani uzyskiwać mocy jednostkowych powyżej 50 KM z litra pojemności. Słowem, nie były to silniki o charakterze sportowym.

Oczywiście, można starać się obejść te ograniczenia i pomimo równolegle ustawionych zaworów ukształtować podniebienie komory w formę wypukłą. Stopień sprężania może wtedy być wyższy, ale wady, wygonione drzwiami, wracają oknem: płaszczyzny grzybków zaworów są od strony ścian komory schowane względem krzywizny jej czaszy, co częściowo zasłania ich otwarcie, zmniejszając skuteczność zasysania i wydechu.

Głowica Heron, zastosowana w silnikach Brabhama Repco, wyścigówki Formuły 1 zwycięskiej w sezonie 1966 (Jack Brabham), następnie w bokserze Alfasud, w silniku Jaguara (5.3 V12 z E-type, rok 1971) itd. ², jest rozwiązaniem, które, choć należy do typu głowic płaskich (flat head), omija wady obu powyższych rozwiązań. Stosunkowo prosta i niedroga, umożliwia uzyskanie wysokich osiągów. Kluczowy pomysł polega na tym, że komora ma kształt soczewkowy, dwustronnie wypukły. Jej podniebienie jest jak kapsel – po bokach zagłębione, ale pośrodku płaskie, a co najważniejsze, lustrzane zagłębienie wyżłobione jest w koronie tłoka, poza otokiem o pełnej wysokości. Tak więc na krawędziach tłok może dochodzić w górnym martwym punkcie skoku do samej góry, zapewniając wysoki stopień sprężania, ale jego denko, w środkowej części, zagłębione, pozostawia wystarczającą przestrzeń. Z kolei grzybki zaworów, otwierające się w płaskim podniebieniu komory, są w pełni odsłonięte. Daje to nawet przewagę nad głowicą crossflow, w której, ze względu na nachylenie grzybka zaworu, podczas suwu ssania mieszanka zasysana jest najintensywniej na około dwóch trzecich jego obwodu (na dole i po bokach), gdyż siła ssąca działa w kierunku pionowym, zatem przepływ w górnej części obwodu jest znikomy. Natomiast w głowicy Heron mieszanka wślizguje się do komory równomiernie na całym obwodzie wiszącego pionowo zaworu. To samo dotyczy suwu wydechu. Dodatkowo, głowica tego typu okazuje się oszczędniejsza w zużyciu paliwa, no i oczywiście bardziej efektywna dzięki mniejszym stratom mocy, bo silnik nie musi napędzać rozbudowanego układu rozrządu z dwoma kołami i dwoma wałkami. Zmierzch tego interesującego rozwiązania nastąpił dopiero w związku z upowszechnieniem techniki cztero-(i więcej)zaworowej, w której i tak niezbędny jest układ DOHC.

¹Nazwa pochodzi od nazwiska Samuela D. Herona, konstruktora silników lotniczych.

²Także m.in. w Roverze 2200, a później w niektórych silnikach Forda, Volkswagena (wczesne Golfy GTi) i Audi, włącznie z jednostką wykorzystaną w Porsche 924; oprócz tego w silnikach motocyklowych, np. Yamaha i Morini.