سوپاپ موتور چیست و چه نقشی در خودرو دارد؟

برای اینکه موتور احتراق داخلی چهار زمانه هر خودرویی کار کند، دستگاه آن شامل قطعات و مکانیسم‌های مختلفی است که با یکدیگر هماهنگ شده‌اند. در این میان اطمینان از عملکرد به موقع زمان‌بندی سوپاپ موتور مهم است که در ادامه به طور مفصل توضیح داده می‌شود. به طور خلاصه، مکانیسم توزیع گاز، دریچه ورودی/خروجی را در زمان مناسب باز می‌کند تا از به موقع بودن فرآیند در طی یک ضربه خاص در سیلندر اطمینان حاصل شود. در برخی موارد هر دو سوراخ باید بسته شوند. در ادامه این مقاله از مجله آچاره به معرفی سوپاپ موتور و عملکرد آن خواهیم پرداخت.

هدف و ویژگی‌های سوپاپ موتور

سوپاپ یک عنصر فنری است. در حالت آرام، سوراخ را محکم می‌بندد. زمانی که محور بادامک می‌چرخد بادامکی که روی آن قرار دارد، روی سوپاپ فشار می‌آورد و آن را پایین می‌کشد. با این کار سوراخ باز می‌شود. محور بادامک را در جایی دیگری به تفصیل توضیح خواهیم داد. هر بخش عملکرد مخصوص به خود را ایفا می‌کند. حداقل دو سوپاپ در هر سیلندر وجود دارد. در مدل‌های گران‌تر چهار عدد سوپاپ وجود دارد. این قطعات در بیشتر موارد یک جفت هستند و گروه‌های مختلفی از سوراخ‌ها را باز می‌کنند. برخی ورودی و برخی دیگر خروجی هستند. سوپاپ‌های ورودی وظیفه تامین بخش تازه‌ای از مخلوط هوا و سوخت به سیلندر را بر عهده دارند و در موتورهای با تزریق مستقیم حجم هوای تازه را وارد سیلندر می‌کنند. این فرآیند در لحظه‌ای اتفاق می‌افتد که پیستون یک ضربه ورودی را وارد می‌کند. اساس باز شدن سوپاپ‌های اگزوز یکسان است فقط عملکرد متفاوتی دارند. آنها سوراخی را برای خارج کردن محصولات احتراق در منیفولد اگزوز باز می‌کنند.

طراحی سوپاپ موتور

قطعات مورد نظر در گروه بندی سوپاپ مکانیزم توزیع گاز قرار می‌گیرند. آنها همراه با سایر قطعات، تغییر به موقع در زمان بندی سوپاپ را فراهم می‌کنند. ویژگی‌های طراحی سوپاپ‌ها و قطعات مربوطه را در نظر بگیرید چون عملکرد مؤثر آنها به این ویژگی‌ها بستگی دارد.

سوپاپ‌ها به شکل میله‌ای هستند که در یک طرف آن یک سر یا دیسک وجود دارد و در طرف دیگر آن یک خم شدگی دیده می‌شود. قسمت مسطح به گونه‌ای طراحی شده که سوراخ‌های سرسیلندر به صورت هرمتیک بسته شوند. یک انتقال روان بین صفحه و میله انجام می‌شود. این انتقال باعث ایجاد یک سوپاپ ساده می‌شودد به طوری که مقاومتی در برابر جسم در حال حرکت ایجاد نمی‌کند. در یک موتور، سوپاپ‌های ورودی و خروجی کمی متفاوت خواهند بود. بنابراین برای قطعات نوع اول، صفحه پهن تر از قطعه دوم خواهد بود. دلیل این امر دما و فشار بالا در هنگام خروج محصولات احتراق از طریق خروجی گاز است. برای کم هزینه شدن قطعات، سوپاپ موتور دو قسمتی ساخته می‌شوند. اینها در ترکیب بندی متفاوت هستند و دو قسمت با جوش به هم متصل می‌شوند. تراشیدگی در حال کار دیسک سوپاپ اگزوز نیز یک عنصر جداگانه است.

این بخش از نوع دیگری از فلز جوش داده شده که دارای مقاومت در برابر حرارت و همچنین ر استرس مکانیکی است. علاوه بر این ویژگی‌ها، سطح انتهایی سوپاپ‌های اگزوز مستعد تشکیل زنگ نیستند. قسمت‌های فوقانی اجزاء ورودی معمولاً صاف هستند. این طرح دارای سفتی و سهولت اجرا می‌باشد. موتورهای کمپرسور را می‌توان به سوپاپ‌هایی با صفحات مقعر مجهز کرد. این طرح کمی سبک تر از نمونه استاندارد است و در نتیجه نیروی اینرسی را کاهش می‌دهد. در مورد آنالوگ‌های خروجی، شکل سر آنها صاف یا محدب خواهد بود. گزینه دوم کارآمدتر است زیرا به دلیل کارآمد بودن، خروج بهتر گازها از محفظه احتراق را فراهم می‌کند. بعلاوه یک صفحه محدب دوام بیشتری نسبت به صفحه صاف دارد. از طرف دیگر، چنین عنصری سنگین تر است به همین دلیل اینرسی آن آسیب می‌بیند. برای این نوع قطعات به فنرهای محکم تری نیاز خواهد بود.

همچنین طراحی میله این نوع سوپاپ با قسمت‌های ورودی کمی متفاوت است. برای اطمینان از اتلاف حرارت، ضخامت میله بزرگتر انتخاب می‌شود. این کار باعث افزایش مقاومت در برابر حرارت قوی قطعه می‌شود. با این حال، این راه حل یک اشکال دارد چون مقاومت بیشتری در برابر گازهای حذف شده ایجاد می‌کند. با این وجود سازندگان هنوز از این طرح استفاده می‌کنند زیرا گاز خروجی تحت فشار قوی آزاد می‌شود. امروزه سوپاپ‌های دارای خنک کننده اجباری ابداع شده‌اند. این تغییرات دارای یک هسته توخالی است که سدیم مایع به داخل حفره آن پمپ می‌شود. این ماده با حرارت قوی که در نزدیکی قسمت فوقانی قرار دارد تبخیر می‌شود. در نتیجه این فرآیند، گاز گرما را از دیواره‌های فلزی جذب می‌کند. در نتیجه گاز سرد و متراکم می‌شود. مایع به سمت پایه جریان می‌یابد جایی که فرآیند تکرار می‌شود. برای اینکه از محکم بودن رابط سوپاپ‌ها اطمینان حاصل شود یک تراشیدگی در سیت و روی صفحه انتخاب می‌شود. هنگام نصب سوپاپ‌ها روی موتور، با سر اصطکاک پیدا می‌کنند.

ویژگی‌های خم شدگی سوپاپ

این قسمت در معرض نیروی اصطکاک است زیرا تحت تأثیر محور بادامک قرار می‌گیرد. برای اینکه سوپاپ باز شود بادامک باید آنقدر آن را فشار دهد تا فنر فشرده شود. روغن کاری کافی باید برای این مجموعه انجام شود و برای اینکه زود فرسوده نشود باید محکم باشد. برخی از توسعه دهندگان موتور برای جلوگیری از سایش میله از درپوش‌های مخصوصی استفاده می‌کنند که از مواد مقاوم در برابر چنین بارهایی ساخته شده است. برای جلوگیری از گیر کردن سوپاپ در روکش هنگام گرم کردن، قسمت میله نزدیک صفحه کمی نازکتر از قسمت نزدیک خم شدگی است. برای تثبیت فنر سوپاپ، دو شیار در انتهای سوپاپ‌ها ایجاد می‌شود.

فنرهای سوپاپ

فنر سوپاپ بر راندمان سوپاپ تاثیر می‌گذارد. برای این کار لازم است تا بین سر و مدار اتصال محکمی ایجاد شود و وسیله در حال کار از میان فیستول تشکیل شده نفوذ نکند. اگر این قسمت خیلی محکم باشد محور بادامک یا خمیدگی میله سوپاپ به سرعت فرسوده می‌شود. از سوی دیگر، یک فنر ضعیف نمی‌تواند تناسب خوبی بین دو قطعه ایجاد کند. از آنجایی که این قطعه در شرایط تغییر بارهای سریع عمل می‌کند ممکن است شکسته شود. برای جلوگیری از خرابی سریع، سازندگان پیشرانه از انواع فنرها استفاده می‌کنند. در برخی انواع تسمه تایم، نوع دوتایی تعبیه می‌شود. چنین تغییراتی بار روی یک قطعه جداگانه را کاهش می‌دهد و در نتیجه عمر کاری آن را بیشتر می‌کند. در این طرح فنرها جهت چرخش متفاوتی خواهند داشت.

برای ساخت این قطعات از فولاد فنری استفاده شده و پس از تشکیل محصول، محکم می‌شود. برای جلوگیری از اکسید شدن قطعه، آن را با لایه‌ای از کادمیوم می‌پوشانند و گالوانیزه می‌کنند. علاوه بر سوپاپ‌های زمان بندی کلاسیک، در مدل‌های خودروهای اسپرت هم می‌توان از سوپاپ پنوماتیک استفاده کرد. در واقع این همان قطعه است فقط با مکانیزم پنوماتیکی خاص به حرکت در می‌آید. این چنین سیستمی در موتورسیکلت‌های کلاس MotoGP استفاده می‌شود. یکی از مدل‌ها با مکانیزم مشابه موتورسیکلت آپریلیا عمل می‌کند. قدرت آن 240 اسب بخار بود و قطعا برای حمل و نقل دو چرخ، این قدرت خیلی زیاد است.

تعداد سوپاپ‌ها در موتور

یک موتور احتراق داخلی 4 زمانه استاندارد دارای یک محور بادامک و دو سوپاپ در هر سیلندر است. در این طرح یک قسمت مسئول تزریق مخلوطی از هوا و قسمت دیگر برای خارج کردن گازهای خروجی به منیفولد اگزوز است. عملکرد پیشرفته موتور شامل چهار سوپاپ در هر سیلندر می‌شود یعنی دو تا برای هر فاز. به لطف این طراحی، پر شدن بهتر محفظه با قسمت جدیدی از VTS یا هوا و همچنین حذف سریع گازهای خروجی و تهویه حفره سیلندر تضمین می‌شود.

تا به امروز، برای بهبود عملکرد واحدهای قدرت، موتوری توسعه یافته که در آن پنج سوپاپ وجود دارد. دو تا برای اگزوز و سه تا برای ورودی. نمونه‌ای از این واحدها مدل‌های فولکس واگن-آئودی هستند. اگرچه اصل عملکرد زمان بندی در چنین موتوری با نسخه‌های کلاسیک یکسان است اما طراحی پیچیده‌ای دارد به همین دلیل است که کمی پر هزینه خواهد بود. سازنده تعداد سوپاپ‌ها را با اندازه محفظه‌ای که سوخت و هوا وارد آن می‌شود تعیین می‌کند. برای این کار می‌توانید قطر سوراخ و به همراه آن اندازه صفحه را افزایش دهید. با این حال چنین مدرن سازی محدودیت‌هایی نیز دارد. اما نصب یک سوپاپ ورودی اضافی کاملاً واقع بینانه است بنابراین خودروسازان در حال توسعه چنین تغییراتی در سر سیلندر هستند. از آنجایی که سرعت ورودی مهمتر از اگزوز است با تعداد بیشتر سوپاپ، همیشه عناصر ورودی بیشتری وجود خواهد داشت.

سوپاپ موتور از چه چیزی ساخته شده است؟

از آنجایی که سوپاپ‌ها در شرایط حداکثر تنش حرارتی و مکانیکی کار می‌کنند، از فلزی ساخته می‌شوند که در برابر چنین عواملی مقاوم باشد. در دور موتور بالا، سوپاپ‌ها به سرعت به داخل سیت‌ها می‌افتند که باعث ایجاد ضربه در لبه‌های قطعه می‌شود. همچنین در فرآیند احتراق مخلوطی از هوا و سوخت، لبه‌های نازک صفحه در معرض حرارت شدید قرار می‌گیرند. علاوه بر دیسک سوپاپ، بوش‌های سوپاپ نیز تحت فشار قرار می‌گیرند. عوامل منفی که منجر به سایش این عناصر می‌شود، روانکاری ناکافی و اصطکاک مداوم در هنگام حرکت سریع سوپاپ‌ها است.

به این دلایل، الزامات زیر برای سوپاپ‌ها اعمال می‌شود:

• باید ورودی/خروجی را بطور هرمتیک ببندند.
• باید به خوبی کارآمد باشد تا هیچ مقاومتی در برابر رسانه ورودی یا خروجی ایجاد نشود.
• نباید سنگین باشد.
• فلز باید سفت و محکم و بادوام باشد.
• نباید اکسید شود.

قسمتی که برای باز کردن سوراخ است در موتورهای دیزلی تا 700 درجه و در نمونه‌های بنزینی تا 900 درجه بالای صفر گرم می‌شود. با چنین گرمایش قوی، سوپاپ باز خنک نمی‌شود. سوپاپ اگزوز را می‌توان از هر آلیاژ فولادی که می‌تواند حرارت بالا را تحمل کند ساخت.

جمع‌بندی

سوپاپ‌ موتور اجزای مکانیکی است که در موتورهای احتراق داخلی برای محدود کردن جریان سیال یا گاز به داخل و از محفظه‌های احتراق یا سیلندرها در حین کار موتور استفاده می‌شود. سوپاپ‌های موتور از نظر عملکردی، کارکردی مشابه بسیاری از انواع دیگر سوپاپ‌ها دارند زیرا جریان را مسدود یا عبور می‌دهند. با این حال آنها یک دستگاه کاملاً مکانیکی هستند که با سایر اجزای موتور مانند بازوهای چرخان به منظور باز و بسته شدن صحیح در تعامل هستند.