سوپاپ خودرو یکی از بخش‌های مهم در موتورهای احتراقی است. کار این قطعه کنترل ورود و خروج هوا به داخل سیلندرهاست و همچون یک دریچه عمل می‌کند. در این مقاله از رادار به معرفی وظایف سوپاپ و تاثیر آن در عملکرد موتور خودرو می‌پردازیم. همچنین با ساختمان سوپاپ و دلایل خرابی آن آشنا خواهیم شد.
سوپاپ خودرو و وظایف آن
خودروهای امروزی دارای موتور احتراقی بوده و با استفاده از نیروی انفجار سوخت در سیلندرها، فعالیت می‌کنند. این موتورها برای انجام صحیح احتراق و انتقال نیروی ناشی از آن به قطعات محرکه ماشین، از بخش‌های متعددی تشکیل شده‌اند. سوپاپ خودرو (Car Soupape) یکی از این بخش‌هاست که همچون دریچه‌ای برای ورود و خروج هوا در سیلندر عمل می‌کند. به عبارت دیگر سوپاپ موظف است ورود هوا به داخل سیلندر و خروج دود از آن را تحت کنترل بگیرد. هوای ورودی از طریق سوپاپ به داخل سیلندر، لازمه احتراق یافتن سوخت است. دود خروجی نیز ناشی از انفجار سوخت درون سیلندر بوده و خروج آن به انجام احتراق بعدی درون محفظه کمک می‌کند.
دومین وظیفه سوپاپ ماشین، ایجاد فضایی ایزوله درون سیلندر برای احتراق کامل سوخت است. زیرا صورت گرفتن احتراق درون سیلندرها نیازمند فضایی غیرقابل نفوذ می‌باشد.اینجاست که سوپاپ با تنظیم درست زمان باز و بسته شدن، شرایط ایزوله را برای احتراق درون سیلندر ایجاد می‌نماید.
محل نصب سوپاپ در خودروهای امروزی، بر اساس نوع موتور، روی سرسیلندر یا بلوک سیلندر می‌باشد. گاهی نیز سوپاپ درون سیلندر یا سرسیلندر قرار می‌گیرد.
نقش سوپاپ خودرو در فرآیند احتراق
اگر بخواهیم نقش سوپاپ خودرو را در موتورهای احتراقی بررسی کنیم، به دو مورد زیر می‌رسیم:
- کنترل هوای ورودی و خروجی درون سیلندر جهت انجام احتراق کامل سوخت
- مدیریت فضای داخلی سیلندر و ایجاد محیطی ایزوله و غیرقابل نفوذ
ویژگی‌های یک سوپاپ خوب
یک سوپاپ خوب و کارآمد، باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- قادر به تحمل حرارت زیاد در اثر انفجارهای مداوم درون سیلندر
- هادی خوب حرارت، جهت انتقال آن به بدنه سرسیلندر
- عدم ایجاد خوردگی یا سوختگی در اثر مجاورت با حرارت بالا
- مقاومت زیاد در مقابل ضربات
- مقاومت بالا در مقابل ساییدگی در طول زمان
ساختمان سوپاپ خودرو و اجزای آن
سوپاپ خودرو دارای ساختاری شبیه به قارچ است که در تمام مدل‌های موتور، ثابت می‌باشد. به عبارت دیگر شکل سوپاپ به صورت یک ساقه و یک صفحه تخت است که در موتورهای مختلف، یکسان می‌باشد. ساختمان سوپاپ از قطعات و اجزای مختلفی تشکیل شده که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم:
- سر سوپاپ که محل برخورد سوپاپ با اسبک است.
- خار نگهدارنده که در بخش انتهایی ساقه و پایین‌تر از سرسوپاپ است. این بخش، محل اتصال فنرهای سوپاپ می‌باشد.
- ساق سوپاپ همان بدنه بلند و کشیده‌ای است که در گیت قرار می‌گیرد.
- مخروطی به بخش دامنه سوپاپ اشاره نموده و محل اتصال نشیمنگاه به ساقه است.
- نشیمنگاه (سیت سوپاپ موتور) نیز همان سر پهن سوپاپ است. این قسمت دارای حلقه‌هایی از جنس چدن سانتریفوژ (و یا آلیاژی مقاوم به ساییدگی) می‌باشد.
- وجه، لبه مورب نشیمنگاه بوده و زاویه‌ای بین 30 تا 45 درجه (بسته به نوع و ساختار موتور) دارد. معمولا زاویه 30 درجه برای خروجی دود و 45 درجه برای وردی هوا در نظر گرفته می‌شود.
- فنر سوپاپ در بخش انتهایی ساق سوپاپ قرار داشته و ظاهری مارپیچی دارد. این فنر از یک سو به بدنه موتور و از سوی دیگر به خار نگهدارنده متصل می‌شود. وظیفه فنر، کمک به نشستن سوپاپ روی نشیمنگاه (در زمان تراکم سوخت درون سیلندر) است. عملکرد نادرست فنرها منجر به شل و سفت کار کردن سوپاپ و نامیزان کار کردن موتور می‌شود.
- گاید سوپاپ، لوله یا بوش نگهدارنده ساق سوپاپ است. گاید را معمولا از چدن سیاه تولید می‌کنند. تنظیم حرکت مستقیم رفت و برگشتی سوپاپ و محافظت از ساقه در مقابل ضربات، بر عهده گاید است.
- انگشتی سوپاپ نیز در انتهای سوپاپ و نزدیک به سرسوپاپ قرار دارد. نقش انگشتی ایجاد اتصال میان سوپاپ و میل سوپاپ است.
انواع مدل‌های سوپاپ خودرو
تقسیم‌بندی مدل‌های سوپاپ خودرو به دو صورت تمرکز بر وظیفه و تمرکز بر نحوه عملکرد انجام می‌شود. در ادامه ابتدا سوپاپها را از حیث وظیفه بررسی نموده و سپس به دسته‌بندی آن‌ها از حیث نحوه حرکت و عملکرد می‌پردازیم.
انواع سوپاپ ماشین از منظر انجام وظایف:
۱- سوپاپ ورودی یا هوا
سوپاپ ورودی موظف است هوا (اکسیژن) مورد نیاز برای احتراق سوخت درون سیلندر را تامین کند. سوپاپ هوا معمولا ابعاد بزرگتری نسبت به سوپاپ دود داشته و از مقاومت حرارتی پایین‌تری برخوردار است. این سوپاپ هنگام پایین رفتن پیستون در سیلندر، باز می‌شود. به این ترتیب هوای مورد نیاز برای احتراق سوخت به سیلندر راه می‌یابد. سپس زمانی که پیستون به انتهای مسیر خود می‌رسد، سوپاپ هوا بسته می‌شود. در نهایت پیستون به سمت بالا به حرکت درآمده تا مخلوط سوخت و هوای درون سیلندر را متراکم کند. زمانی که این تراکم به بیشترین حد ممکن رسید، شمع جرقه زده و انفجار در سیلندر رخ می‌دهد.
۲- سوپاپ خروجی یا دود
سوپاپ خروجی وظیفه خروج دود ناشی از احتراق در سیلندر را بر عهده دارد. این سوپاپ به سبب قرارگیری در معرض انفجارهای سیلندر، حرارت بالایی را تجربه می‌کند. به همین منظور از مقاومت دمایی بالاتری نسبت به سوپاپ هوا برخوردار است.
فعالیت سوپاپ خروجی پس از انفجار مخلوط سوخت و هوا آغاز می‌شود. طوری که با رسیدن پیستون به انتهای مسیر خود به سمت پایین، سوپاپ دود باز می‌شود. سپس در حین بالا رفتن پیستون، دود ناشی از انفجار درون سیلندر به سمت بیرون حرکت می‌کند.
تنظیم زمان باز و بسته شدن سوپاپ خودرو هوا و دود، توسط تسمه تایم متصل به میل‌لنگ صورت می‌پذیرد.
انواع سوپاپ ماشین از منظر نحوه حرکت و عملکرد:
۱- سوپاپ ماشین چرخشی
نوعی از سوپاپها دارای بخش مخصوصی هستند که سبب حرکت چرخشی سوپاپ ماشین همزمان با حرکت بالا و پایین آن می‌شود. این حرکت چرخشی به هدف پیشگیری از تشکیل رسوبات در سیت و گاید طراحی شده است.
۲- سوپاپ خودرو سدیمی
طراحی سوپاپ خودرو سدیمی به صورت توخالی انجام می‌شود. درون آن نیز با نمک فلز سدیم پر شده است. این نمک نقطه ذوب پایینی داشته و در مجاورت با حرارت، به سرعت ذوب می‌شود. از این رو هنگام بالا و پایین رفتن سوپاپ، مایع نمک فلز سدیم نیز درون آن بالا و پایین می‌رود. به این ترتیب گرمای سیت به راحتی به گاید منتقل خواهد شد.
جنس سوپاپ ماشین
سوپاپ ماشین در محیطی بسیار داغ فعالیت می‌کند. از این رو باید طوری ساخته شود که مقاومت زیادی در مقابل حرارت بالا داشته باشد. در غیر این صورت احتمال شکستگی، تاب برداشتن و فرسودگی سوپاپها در اثر کار در فشار و حرارت بالا، بسیار زیاد است. در این میان سوپاپ خروجی دود، حرارت بیشتری نسبت به سوپاپ ورودی هوا تحمل می‌کند. به همین منظور آلیاژ به کار رفته در ساخت این دو سوپاپ با یک‌دیگر متفاوت است. امروزه سوپاپ خروجی را از آلیاژی مخصوص با ترکیب فولاد، کروم، نیکل و سلنیوم تهیه می‌کنند. برای ساخت سوپاپ ورودی نیز آلیاژ فولاد-کبالت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نحوه عملکرد سوپاپ خودرو در موتور
همان‌طور که گفتیم سوپاپ خودرو موظف است در زمان مناسب مخلوط سوخت و هوا را به سیلندر وارد کند. سپس در زمان تراکم و احتراق، کاملا بسته باقی مانده و محفظه ایزوله‌ای ایجاد کند. در نهایت نیز به هنگام تخلیه، مسیر خروجی گازهای ناشی از احتراق را فراهم آورد. سپس سیکل (دور) جدیدی از احتراق درون سیلندر شروع می‌شود. حال سوال اینجاست که این زمانبندی دقیق برای سوپاپها چطور تنظیم می‌شود؟ نیروی محرکه لازم برای حرکت سوپاپها از کجا تامین می‌شود؟
تنظیم زمانبندی عملکرد سوپاپها
تنظیم زمانبندی باز و بسته شدن سوپاپها در موتور به عهده میل بادامک است. این میله دارای برجستگی‌هایی (بادامک‌ها) است که سوپاپ خودرو به کمک آن‌ها باز و بسته می‌شود. ایجاد هماهنگی میان حرکت سوپاپها و پیستون‌ها نیز بر عهده میل بادامک است. این میله در ارتباط با میل‌لنگ بوده و همان‌طور که می‌دانید حرکت میل‌لنگ نیز تحت تاثیر حرکات بالا و پایین پیستون‌هاست. از این طریق بالا و پایین رفتن سوپاپها، با حرکت پیستون‌ها هماهنگ می‌شود. در این فرآیند، انتقال و تنظیم نیرو توسط تسمه تایم (یا زنجیر تایم) صورت می‌پذیرد. به همین منظور به آن فرآیند تایمینگ سوپاپ خودرو می‌گویند.
وجود اجزای مختلف در ساختمان سوپاپها از جمله اسبک، انگشتی، فنرها و میل بادامک و تایپت در تنظیم زمانبندی تایمینگ نقش موثری دارند.
سیستم زمانبندی متغیر سوپاپها
سیستم زمانبندی تایمینگ سوپاپها که توسط چرخش میل بادامک و میل‌لنگ، با حرکت پیستون‌ها تنظیم می‌شد، سال‌هاست که در خودروهایی با موتور احتراقی کاربرد دارد. اما این سیستم ایرادهایی نظیر توان کم موتور نسبت به میزان مصرف سوخت دارد. برای حل این مشکل، خودروسازان سیستم زمانبندی متغیر سوپاپ ماشین (VVT) را طراحی نمودند. سیستم VVT، به سوپاپ هوا اجازه می‌دهد بدون توجه به موقعیت پیستون، زمان بیشتری باز بماند. تنظیم این مدت زمان بیشتر با مدیریت هوشمند عملکرد سوپاپها فراهم می‌آید. به این ترتیب توان خودرو، در دور موتورهای مختلف افزایش یافته و مصرف سوخت آن هم کاهش می‌یابد. راه‌اندازی سیستم VVT در موتورهای احتراقی نیازمند انجام یکسری تغییرات در ساختار میل بادامک می‌باشد.
دستگاه فرمان سوپاپ ماشین
تا اینجا خواندیم که سوپاپ ماشین برای حرکت و انجام وظایف خود، نیازمند یک هدایتگر می‌باشد. این هدایتگر همان میل بادامک است که برخی آن را با نام میل سوپاپ هم می‌شناسند. این میله دارای زائده‌هایی است که شبیه به بادام هستند. تعداد این بادامک‌ها، به تعداد سوپاپ‌های موتور بستگی دارد. میل بادامک از طریق انگشتی و یا خود سوپاپ ارتباطش با سوپاپ را حفظ کرده و دستورات لازم را به آن می‌دهد.
امروزه دو نوع میل سوپاپ وجود دارد که عبارتند از:
1- میل سوپاپ زیر
میل سوپاپ زیر دارای قطعه‌ای میله‌ای شکل به نام تایپت است. تایپت از داخل میل بادامک عبور کرده و از بالا با انگشتی سوپاپ در تماس است. به این ترتیب کنترل حرکت انگشتی و در نهایت حرکت سوپاپ خودرو را در دست دارد.
2- میل سوپاپ رو
میل سوپاپ رو به طور مستقیم با انگشتی در ارتباط است. این تماس از طریق بادامک‌ها صورت گرفته و حرکت سوپاپ ماشین را کنترل می‌کند.
انواع سیستم عملکرد سوپاپ خودرو
تا اینجا با مفهوم سوپاپ خودرو و انواع آن در موتور آشنا شدیم. حال به سراغ بررسی سیستم‌های عملکرد سوپاپ در موتور می‌رویم. این سیستم‌ها محل قرارگیری سوپاپها در موتور و وظیفه هر یک را مشخص می‌کنند.
۱- سیستم سوپاپ ایستاده دو ردیفه (T HEAD)
سیستم سوپاپ ایستاده دو ردیفه معمولا در خودروهای قدیمی کاربرد دارد. در این سیستم دو میل بادامک برای کنترل سوپاپها به کار رفته است. یکی از میل بادامک‌ها، وظیفه کنترل سوپاپها دود را داشته و دیگر کنترل‌کننده سوپاپ‌های هوا است. مزیت‌های سیستم T HEAD در سادگی طرح، تعداد کم قطعات متحرک سیستم، شستشوی بهتر گازهای سوخته از سیلندرها و وجود راه‌های ورود و خروج هوا و دود خلاصه می‌شود. اما معایب آن شامل بزرگ و زیاد بودن طول محفظه احتراق، حرکت سوپاپها به طرفین محفظه و افت کارایی موتور، مسیر شعله طولانی، افزایش عرض بلوک موتور و الزام به وجود دو میل بادامک می‌شود. در کنار این معایب، هزینه‌های سنگین تولید این سیستم را هم باید در نظر گرفت.
۲- سیستم سوپاپ ایستاده (L HEAD)
سیستم سوپاپ ایستاده نسبت به مدل T HEAD جدیدتر است. در این سیستم، تمام سوپاپ‌های دود و هوا به طور ایستاده در یک سمت بلوک سیلندر قرار می‌گیرند. فرمان‌دهنده به این سوپاپها تنها یک میل بادامک است و به کمک تایپت حرکت می‌کنند. مسیر ورود و خروج هوا و دود در این سیستم به شکل L بوده و از این رو آن را L HEAD می‌نامند.
L HEAD موجب کوچک‌تر شدن محفظه احتراق شده و فرم پر شدن آن هم متفاوت از حالت قبل است. در نتیجه احتراق بهتری در سیلندر رخ داده و راندمان حجمی موتور به 88% می‌رسد. از مزایای سیستم سوپاپ ایستاده به استفاده از یک میل بادامک، کاهش هزینه ساخت، احتراق بهتر سوخت، باز شدن ساده‌تر سرسیلندر و تعمیرات راحت‌تر اشاره نمود. البته معایب آن هم عبارتند از: طراحی پیچیده مانیفولدها و وجود تایپت به عنوان یک قطعه اضافه‌تر.
۳- سیستم سوپاپ ترکیبی (F HEAD)
در سیستم سوپاپ ترکیبی، سوپاپ هوا به صورت معلق در سرسیلندر تعبیه شده و سوپاپ دود به صورت ایستاده قرار می‌گیرد. این حالت به کنترل فرآیند پر شدن سیلندر با سوخت، به سبب نزولی بودن جریان کمک می‌کند. مسیر خروج دود در این سیستم مختلط، شبیه به F بوده و به همین دلیل آن را F HEAD می‌نامند.
F HEAD معمولا در خودروهایی با موتور 4 زمانه کاربرد دارد. از جمله ایرادات این سیستم می‌توان به نامناسب شدن محل جرقه شمع و طولانی بودن محل انفجار تا مرکز سیلندر اشاره نمود.
۴- سیستم سوپاپ معلق (I HEAD)
در سیستم سوپاپ معلق، هر دو سوپاپ هوا و دود به صورت معلق در سیلندر قرار دارند. مسیر خروجی گاز و دود در این سیستم به صورت یک خط مستقیم شبیه به I است. از این رو آن را I HEAD می‌نامند.
I HEAD، اغلب در موتورهای 4 زمانه کاربرد داشته و راندمان حجمی موتور را به 90% ارتقا می‌دهد. فضای احتراق در این سیستم کوچک‌تر بوده و فاصله انفجار تا مرکز سیلندر به حداقل ممکن می‌رسد. البته تعمیرات این سیستم‌ها معمولا سخت‌تر از سایر مدل‌هاست.
بررسی تفاوت موتورهای ۸ و ۱۶ سوپاپ
در گذشته برای هر سیلندر موتور، یک سوپاپ دود و یک سوپاپ هوا در نظر گرفته می‌شد. به این ترتیب اگر موتوری دارای 4 سیلندر بود، تعداد سوپاپ‌های آن، 8 عدد می‌شد. اما این طراحی نتایج مورد انتظار خودروسازان را فراهم نمی‌آورد. طوری که با وجود مصرف سوخت بیشتر، توان بازدهی موتور پایین بود. خودروسازان برای حل این مشکل به سراغ افزایش سرعت مکش هوا و بنزین و تخلیه کامل دود از سیلندر رفتند. به همین منظور تعداد سوپاپ خودرو ورودی و خروجی هوا و دود، هر کدام به 2 عدد افزایش یافت. بنابراین به ازای هر سیلندر در موتور، 4 سوپاپ ورودی و خروجی قرار گرفت. در نتیجه موتورهای 4 سیلندر مجهز به 16 سوپاپ شدند.
با این احتساب درمی‌یابیم با افزایش تعداد سیلندرها، تعداد سوپاپها نیز افزایش می‌یابد. طوری که موتورها 6 سیلندر دارای 24 سوپاپ خواهد بود. علاوه بر این، در تولید خودروهایی با توان خروجی بیشتر، امکان افزایش بیشتر سوپاپها به ازای هر سیلندر وجود دارد. این تعداد تا 3 سوپاپ ورودی و 2 سوپاپ خروجی، قابلیت ارتقا دارد.
علل خرابی خرابی در سوپاپ خودرو
خرابی سوپاپ خودرو معمولا در شکستن ساقه، معیوب شدن سیت و یا نقص در گاید بروز می‌کند. این خرابی با صدایی شبیه به چلق چلق (خشک کار کردن موتور) و یا کاهش بازدهی موتور همراه است.
از جمله علل خرابی سوپاپ ماشین می‌توان موارد زیر را نام برد:
- سوختن سوپاپ در اثر تنظیم نبودن نسبت هوا و سوخت در سیلندر
- کج شدن سوپاپها ناشی از پاره شدن تسمه تایم
- بیرون آمدن سوپاپ از جای خود و خرابی آن در اثر ایراد سیستم خنک‌کننده و داغ شدن بیش از حد سیلندر
- خراب شدن سوپاپ در اثر نامرغوب بودن جنس گاید سوپاپ، کارکرد زیاد موتور
سخن پایانی
در این مقاله در رابطه با سوپاپ خودرو، وظایف آن و انواع سیستم‌هایش صحبت کردیم. اگر شما هم مطلب مهمی در مورد سوپاپ می‌دانید که در این مقاله به آن اشاره نشده، در بخش نظرات با ما در میان بگذارید.