مکانیک خودرو تخصصی -بخش 05

مكانيزم سوپاپ

برای باز و بسته کردن مجرای ورود سوخت و هوا و خروج دود از سوپاپ استفاده می‌شود و مکانیزم سوپاپ وظیفه باز و بسته کردن سوپاپ‌ها را در زمان دقیق بر عهده دارد.
از لحاظ مكانيزم حركتی سوپاپ‌ها نيز مكانيزم‌هاي مختلفي وجود دارد كه يك نمونه اولیه آن در شکل 1 ملاحظه مي‌شود.
اين نوع مكانيزم را OHV نيز می‌نامند كه در اين طرح سوپاپ ها برروي سيلندر نصب مي‌شوند ولي ميل سوپاپ در بلوكه سيلندر قرار دارد كه به دليل زياد بودن قطعات مكانيزم سوپاپ، هزينه طراحي و توليد زياد شده و سروصداي مكانيزم نيز زياد است. از اين رو ميل سوپاپ نيز برروي سر سيلندر منتقل مي كنند و مكانيزم OHC بدست مي‌آيد.

1-ميل بادامك يا ميل سوپاپ 2- بلوكه سيلندر 3- تايپت 4- ميل تايپت 5- سرسيلندر 6- پيچ تنظيم لقي سوپاپ يا فيلرگيري 7- اسبك 8- ميل اسبك 9- بشقابك فنر 10- خارنگهدارنده سوپاپ 11- سوپاپ 12- گيت ، گايد يا راهنماي سوپاپ
شكل 1-يك نوع مكانيزم سوپاپ

شكل 2 مكانيزم OHC كه در خودروهاي پرايد، پژو206 تيپ 1 تا 3 و … استفاده شده است را نشان مي‌دهد.

1-سرسيلندر 2- فنر سوپاپ 3- سوپاپ 4- بشقابك سوپاپ 5- پيچ تنظيم لقي يا فيلرگيري 6- اسبك 7- ميل اسبك 8- ميل بادامك 9- سيت يا نشيمنگاه سوپاپ
شكل 2-مكانيزم سوپاپ OHC

نوع ديگر و ساده تر مكانيزم OHC كه در خودروهاي پژو405، پارس و سمند استفاده شده است و در آنها اسبك و ميل اسبك نيز حذف گرديده است در شكل 3 ملاحظه می‌شود.

1- سرسيلندر 2- ميل سوپاپ 3- تايپت 4- واشر با ضخامت هاي مختلف يا شيم جهت فيلرگيري 5- بشقابك فنر سوپاپ 6- فنر سوپاپ 7- گايد سوپاپ 8- سوپاپ 9- سيت سوپاپ
شكل 3-مكانيزم سوپاپ OHC بدون اسبك و ميل اسبك

در برخی خودروها برای اصلاح عملكرد سوپاپ‌ها از يك ميل سوپاپ براي سوپاپ‌هاي دود و يك ميل سوپاپ نيز براي سوپاپ‌هاي هوا استفاده مي‌شود كه به خصوص در اكثر موتورهای 4 سيلندر 16 سوپاپ از اين طرح استفاده می‌شود. چنانچه ميل سوپاپ ها برروی سرسيلندر قرار گيرند ، مطابق شكل 4 به آنها مکانیزم سوپاپ DOHC گفته مي‌شود كه در خودوهاي پژو 206 تيپ 5 و 6، زانتيا و غیره استفاده شده است.

1-سرسيلندر2- سوپاپ 3-گاید سوپاپ 4- فنر سوپاپ 5- بشقابك 6– تايپت 7- ميل بادامك
شکل4-مکانیزم سوپاپ DOHC

سوپاپ

شکل 5 سوپاپ موتور را در اندازه‌های مختلف نشان می‌دهد.

1-ساق سوپاپ 2-سر سوپاپ
شکل 5-انواع سوپاپ موتور

سر سوپاپ از فولاد مقاوم در مقابل ضربه ناشی از بسته شدن، حرارت مستقیم و خوردگی ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی ساخته می‌شود در حالیکه ساق سوپاپ بیشتر در معرض سایش است و باید در مقابل سایش مقاوم باشد، لذا ساق سوپاپ و سر سوپاپ جداگانه ساخته می‌شوند و به روش جوش اصطکاکی به یکدیگر متصل می‌شوند. از آنجایی که خنک‌کاری سوپاپ از طریق مدت زمان نشست سوپاپ بر روی سیت صورت می‌پذیرد لذا در برخی موتورها مانند موتورهای مجهز به سیستم توربوشارژر که دمای موتور زیاد است از سوپاپ‌های سدیمی استفاده می‌شود. شکل 6 سوپاپ سدیمی را نشان می‌دهد.

1-محفظه سدیم 2-جوش اصطکاکی ساق سوپاپ 3-درپوش کروی یا جوش لیزر
شکل 6-سوپاپ سدیمی

ساق سوپاپ سدیمی توخالی بوده و داخل آن سدیم قرار دارد که پس از گرم شدن سوپاپ، سدیم به مایع تبدیل می‌شود و هنگام باز و بسته شدن سوپاپ، سدیم داخل سوپاپ، بخشی از حرارت سر سوپاپ را دریافت کرده و به سیت سوپاپ منتقل می‌کند تا خنک‌کاری سوپاپ بهتر صورت پذیرد.
مطابق شكل 7 بايد توجه نمود كه به دلیل آنکه بین قسمت مخروطی سوپاپ و سیت آن عضو سومی برای آب بندی دقیق وجود ندارد، باید با تغییر زاویه بین زاویة قسمت مخروطی سوپاپ و سیت، آب بندی مناسب را ایجاد کرد. بدین منظور زاویة قسمت مخروطی سوپاپ را 44 درجه برای موتورهای کم دور(مانند موتورهای دیزل) و 29 درجه برای موتورهای پردور(مانند موتورهای بنزینی) در نظر می‌گیرند. زاويه 44 درجه آب بندي بهتري ایجاد می‌کند ولی راندمان حجمی را کاهش می‌دهد، در حاليكه با زاويه 29 درجه آببندي ضعيف‌ تر شده ولي راندمان حجمي افزايش مي‌يابد.

1- سرسيلندر 2- سيت يا نشيمنگاه سوپاپ 3- سوپاپ 4- زاويه سيت سوپاپ 5- زاويه سوپاپ
شكل7-زاويه قسمت مخروطی سوپاپ و سيت آن

با توجه به مطالب فوق براي سوپاپ با زاويه 44 درجه، زاويه سيت آن 45 درجه و براي سوپاپ با زاويه 29 درجه، زاويه سيت آن را 30 درجه در نظر مي‌گيرند. با اين طرح، محل تماس قسمت مخروطی سوپاپ و سيت سوپاپ از سطح به خط تبديل مي‌شود، بنابراين با نيروي فنركه به سوپاپ اعمال مي شود، با كاهش سطح تماس سوپاپ و سيت، فشار خط تماس بخش مخروطی سوپاپ و سیت بسيار زياد شده و عمل آب بندي و انتقال حرارت سوپاپ بهتر مي‌شود، ضمن آنكه از قفل شدن يا گيركردن سوپاپ درون سيت جلوگيري مي‌شود و علاوه بر آن با این تکنیک محل تماس سوپاپ و سیت هم همواره تمیز مانده و عاری از هرگونه دوده یا جرم باقی می‌ماند.
پس از باز كردن سرسيلندر و يا هنگام تعويض سوپاپ‌ها و يا نشيمنگاه سوپاپ‌ها بايد از آب‌بندي و عدم نشتي بين قسمت مخروطي سوپاپ و نشيمنگاه آن اطمينان حاصل کرد. بدین منظور، مقداري نفت پشت سوپاپ‌ها ريخته و كمي صبر مي‌كنيم و در صورت وجود نشتي نفت از قسمت كف سرسيلندر، آب‌بندي سوپاپ‌ها كامل نبوده و بايد ابتدا بوسيله روغن سنباده زبر و سپس به كمك روغن سنباده نرم، عملیات آب‌بندي سوپاپ ها را انجام داد. برای آنكه نشتي نفت از سوپاپ‌ها بهتر مشخص شود مي توان كمي پودر تالك يا پودر جدايش كه در ريخته گري استفاده مي‌شود را به كف سرسيلندر پاشيده تا به راحتي نشتي نفت مشخص شود.
براي آب‌بندي سوپاپ‌ها، ابتدا فنر سوپاپ را باز كرده و مقداري روغن سنباده زبر را بين قسمت مخروطي سوپاپ و سيت سوپاپ قرار داده و سوپاپ را به صورت راست گرد و چپ گرد به طور متوالي بچرخانيد تا دوسطح كاملاً با هم منطبق گردند و سپس باروغن سنباده نرم همين عمليات تكرار شده و در نهايت دوباره آزمايش عدم نشتي انجام گردد تا از آب‌بندي سوپاپ‌ها اطمينان حاصل گردد.
تعداد سوپاپ‌ها در هر سیلندر به صورت پیش فرض دو عدد است و بنابراین در یک موتور 4 سیلندر، 8 سوپاپ وجود دارد. مطابق شکل 8 قطر سر سوپاپ هوا بیشتر و قطر سر سوپاپ دود کوچکتر است که این موضوع برای بالانس دبی سیال ورودی و خروجی در زمان مکش و تخلیه بر اساس رابطه برنولی لحاظ می‌شود و از آنجایی که در زمان مکش فشار داخل سیلندر کمتر از فشار داخل سیلندر در زمان تخلیه است لذا باید سطح هوادهی سوپاپ هوا را بیشتر از سوپاپ دود در نظر گرفت. با توجه به رابطه 1، از آنجایی که اختلاف فشار بین هوای محیط و داخل سیلندر در زمان مکش کمتر از اختلاف فشار هوای محیط و داخل سیلندر در زمان تخلیه است لذا باید سطح هوادهی برای سوپاپ هوا را بزرگتر از سطح هوادهی سوپاپ دود انتخاب کرد.

Q: دبی سیال ورودی یا خروجی سیلندر
A:سطح هوادهی سوپاپ
C_d: ضریب تخلیه
ρ: چگالی سیال
P_1: فشار محیط
P_2: فشار داخل سیلندر در زمان مکش یا زمان تخلیه

1-سوپاپ هوا 2-سوپاپ دود
شکل 8-ابعاد ظاهری سوپاپ‌های هوا و دود

از تقسیم حجم هوای و سوخت وارد شده به سیلندر به حجم مفید سیلندر راندمان حجمی بدست می‌آید و پارامتری موثر بر توان تولیدی موتور است به نحوی که با افزایش آن، توان تولیدی موتور نیز افزایش می‌یابد. براي افزايش راندمان حجمي موتورها و درنتيجه توان موتور نمی‌توان سوپاپ‌ها را از مقداری مشخص بزرگتر در نظر گرفت. با بزرگتر در نظر گرفتن سوپاپ، جرم آن افزایش می‌یابد و از آنجایی که مکانیزم سوپاپ یک مکانیزم ارتعاشی است، خصوصیات ارتعاشی این مکانیزم از جمله فرکانس طبیعی آن ممکن است دچار مشکل تشدید شود و از طرفی سوپاپ با جرم بیشتر، حرارت بیشتر را جذب می‌کند که طبیعتا در زمان نشست سوپاپ بر روی سیت نمی‌تواند به اندازه کافی خنک شود و باعث سوخت سوپاپ می‌شود و از سویی دیگر سطح هوادهی سوپاپ بیشتر متاثر از محیط سوپاپ است تا مساحت آن. لذا برای ارتقای راندمان حجمی موتور بجای استفاده از سوپاپ‌های بزرگتر، تعداد آنها را زیادتر می‌کنند و بنابراین به جاي استفاده از دو سوپاپ در هر سيلندر از 3، 4 و 54 سوپاپ استفاده می‌شود. به اين ترتيب موتورهاي چهار سيلندرچهارزمانه 8 سوپاپ، 12 سوپاپ، 16 و 20 سوپاپ تولید می‌شود. درموتورهاي 8 سوپاپ در هر سيلندر يك سوپاپ هوا و يك سوپاپ دود وجود دارد. در موتورهاي 12 سوپاپ در هر سيلندر از سه سوپاپ استفاده شده است كه يك سوپاپ مختص خروج دود و دو سوپاپ ديگر خاص ورود سوخت و هوا به موتور است. در موتورهاي 16سوپاپ در هر سيلندر دو سوپاپ هوا و دو سوپاپ دود وجود دارد. شکل 9 سرسیلندر موتورهای 8، 12، 16 و 20 سوپاپ را نشان می‌دهد.

شکل 9-سرسیلندر موتور 8، 12، 16 و 20 سوپاپ

سیت سوپاپ

سیت سوپاپ یا نشیمنگاه سوپاپ عمدتا جداگانه ساخته می‌شود و در سرسیلندر به صورت پرسی نصب می‌شود. شکل 10 سیت سوپاپ را در ابعاد مختلف نشان می‌دهد.

شکل 10-انواع سیت یا نشیمنگاه سوپاپ

گیت سوپاپ

گیت سوپاپ یا راهنمای سوپاپ نیز جداگانه ساخته می‌شود و در سرسیلندر به صورت پرسی نصب می‌شود. شکل 11 گیت سوپاپ را در ابعاد مختلف نشان می‌دهد.

شکل 11-انواع گیت یا راهنمای سوپاپ

فنر سوپاپ

فنر سوپاپ وظیفه بسته نگهداشتن سوپاپ را بر عهده دارد. شکل 12 فنر سوپاپ و بشقابک بالای آن را نشان می‌دهد. برای پیشگیری از بروز تشدید یا رزونانس و شکستن فنر، بعضا فنر را به صورت مخروطی می‌سازند و یا اینکه از دو فنر استفاده می‌شود به نحوی که فنر کوچک‌تر داخل فنر بزرگ قرار می‌گیرد.

شکل 12-فنر سوپاپ

خار سوپاپ

برای فشرده نگه داشتن فنر، مطابق شکل 13 از دو عدد خار مخروطی استفاده می‌شود که پس از فشرده شدن فنر، ساق سوپاپ را به بشقابک بالای فنر متصل می‌کند و با توجه به مخروطی بودن این خار، هر چقدر نیروی فنر بیشتر شود اتصال بین سوپاپ، خار و بشقابک فنر بیشتر می‌شود.

شکل 13-خار سوپاپ

شکل 14 نحوه اتصال خار سوپاپ را نشان می‌دهد.

1-خار سوپاپ 2-بشقابک فنر سوپاپ 3-فنر سوپاپ 4-لاستیک آب‌بندی ساق سوپاپ
شکل 14-نحوه قرارگیری خار سوپاپ بین ساق سوپاپ و بشقابک فنر سوپاپ

لاستیک آب‌بندی ساق سوپاپ

اگر روغن روی سرسیلندر از لابلای لقی بین ساق سوپاپ و گیت سوپاپ هوا به بخش پایین نفوذ کند، این روغن وارد موتور می‌شود و در فرآیند احتراق باعث روغن‌سوزی و تولید دود آبی رنگ می‌شود در حالیکه اگه روغن از لابلای لقی بین ساق سوپاپ و گیت سوپاپ دود به پایین نفوذ کند به دود داغ ترکیب شده و باعث روغن سوزی و تولید دود آبی رنگ می‌شود که در هر دو حالت باعث کاهش تدریجی روغن موتور نیز می‌شود. لذا برای پیشگیری از نشت روغن از لابلای لقی بین ساق سوپاپ و گیت سوپاپ مطابق شکل 15 از یک کاسه‌نمد آب‌بندی که به لاستیک ساق سوپاپ معروف است، استفاده می‌شود تا از نشت روغن موتور جلوگیری کند.

شکل 15-انواع لاستیک آب‌بندی ساق سوپاپ

شکل 16 محل استقرار لاستیک ساق سوپاپ بر روی ساق و گیت سوپاپ را نشان می‌دهد.

1-سوپاپ 2-گیت سوپاپ 3-لاستیک ساق سوپاپ
شکل 16-محل استقرار لاستیک ساق سوپاپ بر روی ساق و گیت سوپاپ

چیدمان سوپاپ

چنانچه خط مركزي سرسيلندر را به سرسوپاپ‌ها وصل كنيم، اشكال مختلفي بدست مي‌آيد كه برمبناي آن نام‌گذاري‌هايي براي چیدمان سوپاپ موتور خودرو بدست مي‌آيد.
شكل 17 طرح T شكل يا T- head را نشان می‌دهد كه سوپاپ‌ها در دو طرف سيلندرها قرار گرفته‌اند.

شکل17-طرح T شكل

شكل18 طرح L شكل يا L- head را نشان مي‌دهد. در اين طرح سوپاپ‌ها در يك سمت سيلندرها واقع شده‌اند.

شکل18-طرح L شكل

چنانچه يكی از سوپاپ ها در سرسيلندر و سوپاپ ديگر در سيلندر قراربگيرد، اين طرح راF شكل يا F- head مي‌گويند كه در شكل 19 ملاحظه مي‌گردد.

شکل19-طرحF شكل

درخودروهای امروزی معمولاً تمامی سوپاپ‌ها در سرسيلندر قرار گرفته‌اند كه به اين طرح، معلق، I شكل يا I-head گفته می‌شود. شكل 20 نوعي طرح I شكل 16 سوپاپ را در يك موتور چهار سيلندر چهار زمانه نشان می‌دهد.

شکل20-طرح I شكل

تایپت:

حرکت دورانی میل‌بادامک یا میل‌سوپاپ بوسیله تایپت به حرکت خطی تبدیل می‌شود و این حرکت خطی صرف باز و بسته شدن سوپاپ می‌شود. شکل 21 عملکرد تاثپت را نشان می‌دهد. چنانچه فاصله تایپت تا اسبک‌ها زیاد باشد، بوسیله میله‌ای که میل‌تایپت نامیده می‌شود، حرکت خطی تایپت به اسبک‌ها منتقل می‌شود.

1-فنر سوپاپ 2-اسبک 3-میل‌اسبک 4-میل‌تایپت 5-تایپت 6-سوپاپ 7-بادامک
شکل 21-تایپت و میل‌تایپت

شکل 22 برخی انواع تایپت را نشان می‌دهد.

شکل 22-انواع تایپت

استفاده از تایپت هیدرولیکی موتور از جمله تکنیک‌هایی است که باعث افزایش راندمان حجمی می‌گردد. ارتقای راندمان حجمی موتورهای احتراق داخلی مقوله‌ای بسیار مهم و پر چالش است بدین معنا که در دورهای بالا زمان واقعی فرآیندهای مکش، تراکم، احتراق و تخلیه به شدت کاهش می‌یابد و باعث می‌شود که سیلندرها به طور کامل از دود تخلیه نشده و همچنین به صورت کامل از سوخت و هوا پر نشوند و این موضوع باعث می‌شود که توان و گشتاور موتور با افت شدید مواجه شده ضمن آنکه مصرف سوخت و آلایندگی نیز به شدت افزایش می‌یابد. استفاده از تایپت‌های هیدرولیکی باعث می‌شود که نمودار تایمینگ یا زمان‌بندی سوپاپ‌ها به شکل مطلوب‌تری محقق گردد و راندمان حجمی موتور بهبود یابد و از طرفی به دلیل کاهش لقی مکانیزم سوپاپ، سر و صدای مکانیزم سوپاپ نیز کاهش یابد. شکل 23 یک نوع تایپت هیدرولیکی را نشان می‌دهد.

شکل 23-یک نوع تایپت هیدرولیک

شکل 24 اجزای تایپت هیدرولیک را نشان می‌دهد.

1-مجرای روغن میل‌تایپت 2-مجرای روغن 3-شیار روغن 4-مجرای ورود روغن 5-شیار روغن 6-مجاری ورود روغن به پلانجر 7-فنر سوپاپ یکطرفه 8-درپوش سوپاپ یکطرفه 9-محل تماس تایپت با بادامک 10-میل‌تایپت 11-خار حلقوی 12-میزان پیش بار 13-کلاهک پلانجر 14-پلانجر 15-محفظه روغن 16-ساچمه سوپاپ یکطرفه 17-فنر پلانجر 18-روغن زیر پلانجر

شکل 24-اجزای تایپت هیدرولیکی

•  بدنه تایپت: بدنه تایپت هیدرولیکی همانند تایپت های معمولی بوده و در واقع عملیات تبدیل حرکت دورانی میل بادامک به حرکت خطی را انجام می‌دهد ولی داخل آن متعلقاتی وجود دارد که تایپت‌های معمولی از آنها برخوردار نیستند.
• پلانجر: پلانجر پیستونی است که داخل بدنه تایپت واقع شده است و دارای لقی مشخصی با بدنه تایپت است. با ورود روغن به زیر پلانجر، لقی مکانیزم سوپاپ به حداقل ممکن می‌رسد و باعث می‌شود که زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها به دقت محقق گردد.
• فنر پلانجر: این فنر نیز زیر پلانجر واقع شده است و به همراه نیروی ناشی از فشار روغن موتور، همواره پلانجر را در بالاترین موقعیت خود حفظ می‌کند که منجر به کاهش لقی مکانیزم سوپاپ می‌گردد.
• سوپاپ یکطرفه: این سوپاپ یکطرفه در بخش زیرین پلانجر قرار گرفته است و اجازه ورود روغن به بخش زیرین پلانجر را داده و اجازه برگشت و خروج روغن را نمی‌دهد و لقی مکانیزم سوپاپ به حداقل ممکن می‌رسد.

لازم به ذکر است که با انبساط تدریجی قطعات مکانیزم سوپاپ، نیروی اعمالی از سوی اجزای مکانیزم سوپاپ به پلانجر تایپت هیدرولیک افزایش می‌یابد و در اینصورت روغن زیر پلانجر تحت فشار قرار می‌گیرد و باعث می‌شود که مقداری از روغن زیر پلانجر، به صورت نشتی از فضای لقی بین پلانجر و بدنه تایپت تخلیه گردد و با از بین رفتن نیروی ناشی از انبساط قطعات مکانیزم، نشتی روغن نیز متوقف می‌شود و لقی مکانیزم سوپاپ در شرایط مطلوب حفظ می‌گردد