سوپاپ

وظیفه – انواع – اجزا

 در موتورهای احتراق داخلی، سوپاپ یکی از مهم‌ترین قطعات در موتور محسوب می‌شود. به همین دلیل شرکت‌های تولیدکننده ، در پرسه ساخت از ابعاد و تلرانس‌های بسیار دقیقی استفاده می‌کنند. برای اینکه با وظیفه، انواع و علائم خرابی سوپاپ‌ها در موتورهای احتراق داخلی آشنا بشوید ادامه مقاله را مطالعه کنید.

وظیفه سوپاپ

سوپاپ قطعه‌ی است که جریان ورودی مخلوط سوخت و هوا را به درون موتور و جریان خروجی مخلوط سوخت و هوا محترق شده از موتور را کنترل می‌کند.
همان‌طور که در شکل شماره 1 مشاهده می‌کنید. محل قرارگیری سوپاپ‌ها در داخل سرسیلندر است. حرکت رفت و برگشتی سوپاپ‌ها توسط حرکت دورانی میل بادامک کنترل می‌شود. به‌طوری‌که با برخورد قسمت بادامکی میل بادامک، سوپاپ موردنظر باز شده و با فشار فنر بسته می‌شود. لازم به ذکر است که حرکت دورانی میل بادامک، توسط تایمینگ موتوری کنترل می‌شود و در هنگام باز شدن‌سوپاپ از برخورد‌سوپاپ با پیستون جلوگیری می‌کند.

1-سوپاپ‌دود 2-راهنمای‌سوپاپ 3-فنر‌سوپاپ 4-میل بادامک دود 5-سوپاپ هوا 6- راهنمای‌سوپاپ 7-فنر‌سوپاپ 8- میل بادامک هوا
شکل 1- محل نصب‌سوپاپ و مکانیزم آن

همان‌طور در شکل شماره 2 مشاهده می‌کنید. در سیکل مکش با باز شدن سوپاپ‌هوا، مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر می‌شود و سوپاپ‌دود نیز در این زمان بسته است. در سیکل تراکم و سیکل احتراق سوپاپ‌های هوا و دود برای جلوگیری از نشتی کمپرس بسته است. در سیکل تخلیه نیز برای تخلیه دود حاصل از احتراق‌سوپاپ دود باز شده و سوپاپ‌هوا بسته است.

1-سیکل مکش 2- سیکل تراکم 4- سیکل احتراق 5- سیکل تخلیه
شکل 2- عملکرد موتور چهار زمانه

اجزای سوپاپ

سوپاپ به نظر ساده است اما همین عضو ساده از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که شکل 3 این اجزا را نشان می‌دهد.

1- سر‌سوپاپ 2-محل نصب خار نگهدارنده‌سوپاپ 3- ساق‌سوپاپ 4- گردن‌سوپاپ 5- سطح مؤثر سیت‌سوپاپ 6- کف بشقابک‌سوپاپ 7- لبه بشقابک‌سوپاپ 8- سر‌سوپاپ (تاج) 9- سیت‌سوپاپ
شکل شماره 3- اجزای مکانیزم‌سوپاپ

همان‌طور که در شکل شماره 3 مشاهده می‌کنید. نیروی میل سوپاپ ابتدا از طریق مکانیزم راه‌انداز سوپاپ به سر سوپاپ (شماره 1) منتقل می‌شود و باعث حرکت خطی ساق سوپاپ در راهنمای سوپاپ در قسمت سرسیلندر می‌شود. سوپاپ از محل نشیمن‌گاه خودروی سر سیلندر جدا شده و اجزا عبور سیال به داخل و یا خارج از سیلندر را می‌دهد.
اگرچه باز شدن سوپاپ با کمک نیروی مکانیزم راه‌انداز‌سوپاپ انجام می‌شود اما برگشت آن به کمک سیستم فنربندی که روی آن تعبیه شده است، اتفاق می‌افتد. شکل 4 فنر برگردان‌سوپاپ و نگهدارنده‌های آن را نشان می‌دهد.

1-خار نگهدارنده 2- بشقابک فنر 3- لاستیک آب‌بندی 4- گاید 5- واشر زیر فنر‌سوپاپ 6- سوپاپ
شکل 4- سوپاپ‌وفنر برگردان‌سوپاپ

فنری (شماره 3) که در شکل شماره 4 مشاهده می‌شود. وظیفه بستن سوپاپ را برعهده دارد که این فنر توسط خار نگهدارنده بر روی سوپاپ فیکس شده است در زمان بسته‌شدن سوپاپ، قسمت سیت‌سوپاپ وظیفه آب‌بندی محفظه احتراق را برعهده دارد. در قسمت سرسیلندر، میل بادامک توسط روغن‌موتور دائم در حال روان‌کاری است. برای جلوگیری از نفوذ روغن از قسمت بالای سرسیلندر به محفظه احتراق از لاستیک آب‌بندی‌سوپاپ (شماره 4) استفاده می‌شود. جنس لاستیک ساق‌سوپاپ در مقابل خوردگی و دما دارای مقاومت بالای است.

انواع سوپاپ‌ها

به روش‌های مختلف می‌توان سوپاپ‌ها را دسته‌بندی کرد. شکل 3 نمونه‌ای از این روش دسته‌بندی را نشان می‌دهد.

شکل 5- روش دسته‌بندی‌سوپاپ

 از نظر محل استفاده و ابعاد

یکی از ساده‌ترین روش‌های دسته‌بندی سوپاپ‌ها، بررسی آنها از نظر محل استفاده است. همانطور که در شکل 2 نشان‌داده‌شده است سوپاپ یا مسیر ورودی به سیلندر (Intake) را کنترل می‌کند که به آن سوپاپ هوا می‌گویند. سوپاپی که مسیر خروجی (Exhaust) را تحت کنترل خود دارد سوپاپ خروجی یا اگزوز نامیده می‌شود. از نظر ابعادی معمولاً سوپاپ‌هوا دارای قطر بشقابک بزرگ‌تری نسبت به سوپاپ دود است. بعلاوه به دلیل در معرض حرارت بودن بیشتر ساق سوپاپ دود نسبت به سوپاپ‌هوا، طول ساق این سوپاپ نسبت به سوپاپ‌هوا کوتاه‌تر است. شکل 6 این موارد را نشان می‌دهد.

1- سوپاپ‌هوا 2- سوپاپ‌دود
شکل 6- نمونه‌ای از‌سوپاپ دود و هوا و مقایسه ابعادی

1-سوپاپ‌دود 2- سوپاپ‌هوا (تعداد 2)
شکل 7- چیدمان و ابعاد‌سوپاپ دود و هوا (سه سوپاپه)

 از نظر فرم بشقابک

یکی دیگر از روش‌های ساده دسته‌بندی سوپاپ‌ها، تقسیم‌بندی آنها از نظر شکل بشقابک است. شکل 8 معروف‌ترین شکل‌های بشقابک‌سوپاپ را نشان می‌دهد.

1-تخت 2- محدب (قارچی) 3- مقعر
شکل 8- انواع بشقابک‌سوپاپ

 از نظر جنس و ساختمان داخلی

سوپاپ‌ها از نظر ساختمان داخلی به دودسته تو پر و توخالی دسته‌بندی می‌شوند. شکل 9 این نوع دسته‌بندی را نشان می‌دهد.

1- توپر (یکپارچه) 2- توخالی (ساق) 3- توخالی (ساق + بخشی از بشقابک)
شکل 9- دسته‌بندی‌سوپاپ از نظر ساختمان داخلی

شکل 5 برخی از نمونه‌ها را از دیدگاه ساختمان داخلی نشان می‌دهد. برخی از آنها برای کاهش وزن و همچنین انتقال حرارت بهتر توخالی می‌سازند. شکل 10 نحوه انتقال حرارتی نوع تو پر و توخالی را با هم مقایسه می‌کند.

1-تو‌پر 2- توخالی
A: جریان حرارت به‌سوپاپ B: جریان انتقال حرارت ساق
شکل 10- انتقال حرارت در‌سوپاپ تو پر و توخالی

همانطور که مشاهده می‌شود بیشتر حرارت از طریق بشقابک (70%)، به سوپاپ انتقال پیدا می‌کند و حدود 30% در هنگام باز شدن سوپاپ (دود) از طریق اطراف ساق به سوپاپ منتقل می‌شود که در نوع توخالی انتقال حرارت از خود بشقابک به بدنه نسبت به تو پر کمتر است که این کار سبب افزایش طول عمر بشقابک خواهد شد. شکل 11 نمونه‌ای از سوپاپ‌های توخالی را نشان می‌دهد.

شکل 11- نمونه‌سوپاپ توخالی

سوپاپ‌ها عموماً با مواد اولیه مختلفی تولید می‌شوند. یکی از مهم‌ترین روش‌های دسته‌بندی از این دیدگاه است. شکل 12 دسته‌بندی سوپاپ‌ها از این دیدگاه را نشان می‌دهد.

1-یکپارچه (یک آلیاژ) -valve Monometalic
2- یکپارچه با مقاوم‌سازی سر‎‌سوپاپ – Projection weld valve
3-دوپارچه (دو آلیاژ) – Bimetal valve
4- دوپارچه از نوع استالید – Stellid welded valve
5- با روکش کروم – Chrome plated valve
شکل 12- انواع‌سوپاپ از نظر آلیاژ

به‌صورت کلی یکی از قطعاتی که در موتورهای احتراق داخلی فشار بالای را تحمل می‌کند سوپاپ‌ها هستند. به همین دلیل سوپاپ‌های موتور باید بتوانند در دمای بالا، فشار بالا و تنش‌های ناشی از دینامیک موتور مقاومت خوبی را داشته باشند.
برای ساخت سوپاپ‌های هوا از فولاد آلیاژی نیکل و کروم و یا فولاد ضدزنگ آستنیک که در برابر حرارت مقاومت بالای دارد استفاده می‌شود. همان‌طور که می‌دانید سوپاپ دود دمای بالاتری را نسبت به سوپاپ هوا تحمل می‌کند. به همین دلیل در ساخت آن از فولاد آلیاژی کروم و کبالت و یا سیلیس کروم که مقاومت بسیار بالا، مقابل به حرارت دارد استفاده می‌شود.

 از نظر زاویه نشت

همان‌طور که در شکل شماره 9 مشاهده می‌کنید. در موتورهای که زاویه سیت در دو محدوده 30 یا 45 درجه است.

1-زاویه نشیمن‌گاه روی سر سیلندر
2- زاویه نشیمن‌گاه روی‌سوپاپ
شکل 13- انواع زوایای متداول در نشیمن‌گاه‌سوپاپ

آب‌بندی سوپاپ به‌خاطر زاویه شیب ملایمی که دارد بسیار مناسب هست. اما ممکن است راندمان حجمی موتور به دلیل افت هوای ورودی کاهش یابد. در موتورهای که زاویه نشت از 45 درجه به 30 درجه تغییریافته راندمان حجمی موتور به دلیل شیب تند سیت، افزایش‌خواهد یافت. ولی آب‌بندی سوپاپ مقداری ضعیف خواهد شد. همانطور که در شکل 13 نشان‌داده‌شده است حدود 1 درجه اختلاف بین نشیمن‌گاه روی سوپاپ و روی سر سیلندر وجود دارد. این اختلاف به‌صورت دقیق‌تر در شکل 14 مشخص شده است.

شکل 14- تفاوت زاویه سیت‌‌سوپاپ و نشیمن‌گاه‌ روی سر سیلندر (از نوع 45 درجه)