سوپاپ و نحوه کارکرد آن

[بهداد]

سوپاپ و نحوه کارکرد آن
سوپاپ در اصطلاح فرانسوی Soupape و‏ در لغت به معنی دریچه و یکی از قطعات قارچی شکل موتور بوده که روی سیلندر و درون سر سیلندر موتور قرار می‌گیرد و ورود هوا و خروج به ترتیب هوای ورودی و دود خروجی را کنترل می‌کند . بطور کلی هر چیزی که ورود و خروج چیز دیگری را کنترل کند می‌تواند یک سوپاپ تلقی شود . به عنوان مثال دربهای ورودی و خروجی در فروشگاه های بزرگ که هر کدام محل خاص دارند را می توان به این مورد نسبت داد .
ریشه کلمه سوپاپ فرانسوی است و در اصطلاح به معنای دریچه می باشد . در فرهنگ معین سوپاپ چنین تعریف شده‌است : « پولکی که روی دهانة دریچه‌های سر سیلندر قرار گرفته و دریچه‌ها را سد می‌کند . »

انواع سوپاپ در خودروها به ترتیب زیر می باشند .
سوپاپ و یا سوپاپ های ورودی یا هوا یا بنزین .

سوپاپ و یا سوپاپ های خروجی یا دود یا اگزوز .

سوپاپ‌های متداول امروزی معمولاً از نوع سوپاپ قارچی شکل یا پایه‌دار می‌باشند . این سوپاپ‌ها شامل یک ساقه ( که به مشابه ساقه قارچ است ) و بخش کفی سوپاپ که مانند قسمت بالایی قارچ بوده و این بخش در محفظه احتراق قرار گرفته و بیشترین فشار و درجه حرارت را تحمل می نماید . همچنین محل قرارگیری سوپاپ که در سرسیلندر و یا خود سیلندر قرار دارد نیز دارای یک لبه به نام نشیمنگاه است ، نشیمنگاه سوپاپ دارای یک لبه مورب است . این لبه که با نام وجه سوپاپ نیز شناخته می شود ، دارای شیب خاصی در طراحی و ساخت می باشد که بر حسب نوع موتور مورد استفاده ، سوپاپ دارای زاویه نشیمنگاه خاص مورد استفاده قرار می گیرد . در انتهای دیگر سوپاپ یعنی بر روی ساقه آن یک یا بعضاً دو فنر قوی قرار دارد که بوسیله یک نگهدارنده و دو عدد خار به انتهای سوپاپ محکم شده‌اند ( به یاد داشته باشید این 2 خار بوسیله هیچ موردی نگه داری نمی شوند و تنها در قسمت انتهای سوپاپ قرار دارند ) . فنر سوپاپ موجب می‌گردد تا وجه سوپاپ بر روی نشیمنگاه سوپاپ محکم نگهداشته شده و بدین ترتیب از هر گونه نشتی در زمانهای تراکم و قدرت جلوگیری شود . زاویه رایج برای وجه و نشیمنگاه سوپاپ ۴۵ درجه ‌است . اما برای سوپاپ‌های هوا گاهی از زاویه ۳۰ درجه نیز استفاده می‌شود .
همانگونه که ذکر شد سوپاپ‌ها وظیفه دارند تا در زمانهای مناسب ابتدا هوا را وارد سیلندر سازند . پس از آن در مراحل ترکم و قدرت ( احتراق و سوخت ) بسته بمانند و سپس در مرحله تخلیه گازهای ناشی از احتراق را از سیلندر خارج کند . اما مکانیزم این عمل باز و بسته کردن سوپاپ ها چگونه ‌است و این تنظیم زمانی و نیز نیروی محرکه سوپاپ‌ها از کجا می‌آید؟

زمانبندی و تنظیم زمان های بازشدن یا بسته ماندن سوپاپ‌ها را قطعه‌ای به نام میل بادامک انجام می‌هد . این میله با توجه به ساختار و شکل برجستگیهای روی آن که به آن ها بادامک گویند این مهم را به انجام می رساند . همچنین تعیین می‌کند که بسته ماندن سوپاپ‌ها می‌بایست تا چه زمانی ادامه پیدا کند . همانگونه که ذکر شد حرکات و باز و بسته شدن سوپاپ‌ها می‌بایست کاملاً هماهنگ باشد با حرکات بالا و پایین رفتن پیستون در سیلندر . برای تامین کردن این هماهنگی در ساختمان موتورها میل بادامک‌ها را در ارتباط ثابت و همیشگی با میل لنگ نگه می‌دارند . در اصطلاح رایج به این عمل تایم زنی موتور گفته می شود .
از آنجا که میل لنگ تحت تاثیر حرکات بالا و پایین پیستون می‌چرخد از اینرو حرکت میل بادامک به خودی خود با حرکت پیستون هماهنگ می‌شود . این هماهنگی باعث می‌شود تا در لحظه پایین آمدن در ابتدای کورس خود ( همان اولین مرحله در موتورهای چهار زمانه ) ، به منظور مکش هوا به داخل سیلندر میل بادامک سوپاپ هوا را باز کند . اینکار تا زمانی ادامه می‌یابد که پیستون شروع به متراکم ساختن هوای ورودی سازد در این زمان سوپاپ هوا و سوپاپ دود هر دو بسته می شوند . بسته بودن سوپاپ تا پایان مرحله قدرت ادامه پیدا می‌کند در این لحظه با شروع حرکت پیستون به به سمت بالا سوپاپ دود هم باز شده و تا رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا باز می‌ماند . پس از آن سیکل جدیدی آغاز می‌شود . البته این سیستم کامل نبوده و در تمام موتورها زمان هایی با نام آوانس و ریتارد زمان بندی سوپاپ ها داریم و زمانی که به آن قیچی سوپاپ ( زمانی که هر دو سوپاپ دود و هوا باز باشند ) گویند که در مقالات بعدی به شرح کامل این موارد خواهیم پرداخت . تنها به این نکته بسنده کنیم که باز بودن سوپاپ ها به زمانی که در بالا گفته شده است خلاصه نمی گردد و مطلب فوق تنها برای آموزش و آشنایی کلی و نه دقیق و جزئی با این سیستم بوده است .
یک سوپاپ خوب باید دارای خصوصیاتی باشد که به شرح زیر می باشد .

1. یک سوپاپ خوب باید بتواند حرارت زیاد را تحمل کند و هادی خوبی برای انتقال حرارت خود به بدنه سرسیلندر باشد . در برخی از سوپاپ ها ساق سوپاپ را توخالی ساخته و داخل آنرا با سدیم پر می نمایند تا برای انتقال گرما به محل هایی که برای خنک کاری انتخاب گردیده اند ، مناسب باشند .
2. حرارت زیاد نباید باعث سوختگی و ایجاد خوردگی در سوپاپ گردد.

3. یک سوپاپ خوب باید در مقابل ضربات مقاوم باشد.

4. یک سوپاپ خوب باید در مقابل سائیدگی مقاومت نماید.

سیستم سوپاپ ایستاده یا ال ( L ) هد

این روش جدید ترین روش سیستم سوپاپ بوده که تمام سوپاپهای دود و گاز به طور ایستاده در یک طرف بلوک سیلندر قرار داشته و به وسیله فرمان گرفتن میل سوپاپ کار می‌کند . در این روش به علت کوچک شدن محفطه احتراق و فرم خاص آن پر شدن سیلندر ( منظور همان ورود بهتر گازها بوده است ) بهتر انجام می‌شود و راندمان حجمی موتور به ۸۸درصد نیز می‌رسد در این روش ورود گاز و خروج دود به شکل (L) است .
سیستم سوپاپ مختلط یا اف ( F ) هد

در این روش سوپاپ گاز به طور معلق و سوپاپ دود به طور ایستاده قرار می‌گیرد تا عمل پر شدن سیلندر به علت نزولی جریان سوخت کنترل شود. خروج دود و گاز به صورت (F) شکل می‌باشد .
سیستم سوپاپ معلق یا آی ( I ) هد

در این روش هر دو سوپاپ گاز و دود در سر سیلندر قرار داشته و جهت خروج گاز و ورود دود در یک خط مستقیم به شکل (I) قرار دارند که راندمان حجمی موتور ۹۵ درصد می‌باشد .
سیستم سوپاپ ردیفه یا تی ( T ) هد

این روش که در موتورهای قدیمی بکار می‌رود و البته موتور خودروهای نظامی نیز در برخی موارد از این سیستم استفاده می نمایند ، شامل دو میل بادامک است که با یکی سوپاپ دود و با یکی سوپاپ گاز باز و بسته می‌شود . راندمان حجمی موتور در سیستم سوپاپ ردیفه به علت بد پر شدن سیلندر ۷۵ درصد می‌باشد و خروج و ورود سوخت به شکل (T) می‌باشد .
در خودروهای جدید ، اکثرا از سیستم 4 سوپاپ برای هر سیلندر استفاده می گردد . در این سیستم از تمامی محفظه احتراق برای جاگذاری سوپاپ ها استفاده می شود و برای ورود و خروج هوا و دود ، از 2 سوپاپ استفاده می گردد که در مجموع 4 سوپاپ می شود . البته در برخی از خودروها 3 سوپاپ که به ترتیب 2 عدد برای ورود و یک عدد برای خروج و 5 سوپاپ که به ترتیب 3 عدد برای ورود و 2 عدد برای خروج نیز استفاده می گردد . در این نوع موتور ها بجای استفاده از یک میل سوپاپ برای سرسیلند ( خودروهایی که آرایش به غیر از خطی داشته باشند ، دارای 2 سر سیلندر و حتی 3 سر سیلندر نیز می باشند ) ، از 2 میل سوپاپ استفاده می گردد .
سیستم VVTI این سیستم ها بطور کلی بر مبنای عملکرد متغیر سوپاپ ها بنا نهاده شده است وتوسط خودروسازان مختلف با نام های متفاوتی خوانده می شود .

در موتورهای احتراق داخلی بهینه سازی جریان هوا داخل وخارج هر محفظه احتراق کلید بالابردن هر کارایی می¬باشد. قدرت و صرفه جویی سوخت ( افزایش بازدهی ) و سایر پارامترهای اساسی همگی بستگی دارد به اینکه چگونه جریان هوای یک موتور داخل وخارج می¬شود.

در موتورهای چهارزمانه یک سوپاپ (یا بسته به طراحی چند سوپاپ) جهت وارد شدن وسوپاپی دیگر جهت خارج شدن اختصاص داده می¬شود . این سوپاپها توسط چرخش میل بادامک در لحظه خاصی باز وبسته می¬شوند بادامک¬ها را در موقعیت دقیقی نسبت به میل لنگ توسط تسمه زنجیر و دنده و ترکیبی از این دو قرار گرفته اند .

برجستگی¬های ماشینکاری شده روی میل بادامکها سوپاپ را در زمان معینی از سیکل کاری باز می¬کند و برای مدت مشخصی باز نگه می¬دارد وبه همین ترتیب آنرا در زمان مشخصی می¬بندد .

راه¬های دیگری برای کارکرد سوپاپ¬ها وجود دارد که شامل طرح¬های سیستمهای متغیر بادی و الکترونیکی می¬باشد اما برای موتورهای با مصرف عمومی راه حلی ارزان و جامع مد نظر است.

بمدت چندین دهه موتورها یک ارتباط ثابتی بین میل لنگ و بادامکها داشتند که این به معنی است که بطور مثال در یک سیلند مشخص سوپاپ (های) ورودی دقیقا در یک نقطه مشخص از موقعیت پیستون باز می¬شد صرف نظر از اینکه موتور تند یا آرام کار می¬کند این سیستم ساده و با کارایی پایین است درتغییری که در این سیستم داده شد وسیستم¬های جدید بوجود آمد ، باز وبسته شدن سوپاپها در هر دور موتور و موقعیت دریچه گاز متفاوت است .

این سیستم که باعث این عمل می¬گردد را ، سیستم متغییر باز و بسته شدن سوپاپ¬ها می¬نامند . در این سیستم مدت زمان¬ها یا به اصطلاح فنی زاوایای آوانس و ریتارد ، سوپاپ¬ها و همچنین زاویه باز شدن سوپاپ¬ها تغییر می¬نماید .