سوپاپ دود و هوا موتور

سوپاپ – Poppet Valve (همچنین معروف به شیر قارچی) عبارت است از یک شیر که معمولأ برای کنترل زمان بندی و میزان جریان گاز یا بخار به داخل موتور به کار برده می شود. این شیر از یک دهانه گرد یا بیضوی شکل و یک قسمت دیسکی شکل در انتهای یک شفت معروف به میل سوپاپ تشکیل می شود. آن قسمت از دهانه که قسمت دیسکی روی آن قرار می گیرد به نشیمنگاه یا نشیمنگاه سوپاپ معروف است. میل سوپاپ قسمت دیسکی را با لغزاندن آن در مسیر حرکت هدایت می کند. در کارکرد تخلیه، اختلاف فشار به بسته شدن سوپاپ کمک می کند و در سوپاپ های ورودی، اختلاف فشار در باز شدن سوپاپ موثر است. سوپاپ ها به احتمال زیاد در سال 1833 توسط E.A.G Young در شرکت راه آهن نیوکاسل و فرنچتاون اختراع شد. یانگ این ایده را ثبت نمود اما آتش سوزی سال 1836 این دفتر تمامی مدارک آن را از بین برد.

بیشتر بخوانید: میل سوپاپ (میل بادامک)

عملکرد سوپاپ

سوپاپ ها به صورت اساسی با شیرهای دریچه ای و نوسانی فرق می کنند؛ به جای لغزش یا ضربه به نشیمنگاه برای باز کردن دریچه، سوپاپ از نشیمنگاه با حرکتی عمود بر سطح دریچه از روی آن بلند می شود. مزیت مهم سوپاپ این است که نسبت به نشیمنگاه خود حرکتی نداشته و نیازمند روانکاری نمی باشد.

این انیمیشن یک سوپاپ فعال شونده به وسیله فشار (رنگ قرمز) و یک سوپاپ فعال شونده توسط بادامک (آبی رنگ) را در یک سیلندر یک موتور احتراق داخلی نشان می دهد.

در اکثر موارد بهتر است که از یک سوپاپ بالانس شده در سیستم سوپاپ عمل مستقیم استفاده کرد. به علت اینکه در این حالت تمامی نیروهای اعمال شده بر سوپاپ توسط نیروهای مخالف خنثی می شوند و نیروی کمتری برای حرکت سوپاپ لازم است. در نتیجه، سیم پیچ القایی فقط باید بر نیروی فنر غلبه کند.

از سوپاپ ها در بسیاری از فرایندهای صنعتی از کنترل جریان شیر تا ایزوله کردن هوای تمیز در صنعت نیمه هادی ها استفاده می شود. اگرچه اکثر معروفیت آن ها به دلیل استفاده از آن ها در موتورهای احتراق داخلی (موتورهای درون سوز) و ماشین های بخار به شرح زیر است.

شیرهای پرستا (Presta) و شرادر (Schrader) استفاده شده در تایرهای پنوماتیکی مثال-هایی از سوپاپ می باشند. شیر پرستا فنر نداشته و برای بسته شدن به اختلاف فشار در هنگام باد شدن وابسته است.

از سوپاپ ها به صورت گسترده در شلیک اژدرها در زیردریایی ها استفاده می شود. بسیاری از سیستم ها از هوای فشرده برای بیرون راندن اژدر از لوله خود استفاده می کنند و سوپاپ ها باعث می شوند که میزان بسیار زیادی از این هوا بازیابی شده (همراه با میزان زیادی از آب دریا) تا از ایجاد حباب جلوگیری شده و مکان زیردریایی مخفی باقی بماند.

سوپاپ های در حال کار در بالای سیلندر

سوپاپ در موتورهای احتراق داخلی

از سوپاپ ها در اکثر موتورهای رفت و برگشتی برای باز کردن و بستن دریچه های سوخت و تخلیه در سرسیلندر استفاده می  شود. سوپاپ معمولأ از یک دیسک تخت فلزی به همراه یک شفت که به میل سوپاپ معروف است تشکیل شده است.

در موتورهای درون سوز اولیه (سال های 1900) معمول این بود که سوپاپ ورودی اتوماتیک بوده و توسط مکش در موتور باز شده و برای بسته شدن از فشار سبک یک فنر استفاده کند. سوپاپ تخلیه اما به صورت مکانیکی باز شده و فشار بالای محفظه را تخلیه می نمود. استفاده از سوپاپ های اتوماتیک باعث سادگی طراحی می شد، اما شناوری سوپاپ باعث محدودیت در سرعت کارکرد موتور می شد و در حدود سال 1905 استفاده از سوپاپ های ورودی مکانیکی در خودروهای موتوری متداول گشت.

عملکرد مکانیکی معمولأ توسط فشار بر انتهای میل سوپاپ صورت می گیرد و از یک فنر برای برگشت سوپاپ به حالت بسته استفاده می شود. در rpmهای بالا، اینرسی در فنر باعث می-شود که نتواند به اندازه کافی عکس العمل سریعی در بازگرداندن سوپاپ به جای خود داشته باشد و منجر به شناور شدن سوپاپ گردد. این پدیده به پرش سوپاپ نیز معروف است. در چنین موقعیتی می توان از سوپاپ های دسمودرمیک (Desmodermic) استفاده کرد که در آن ها عمل بسته شدن به جای استفاده از فنر توسط جابجایی مثبت مکانیکی انجام می شود و می توانند در سرعت های بسیار بالا مثلا در موتورسیکلت ها یا ماشین های مسابقه-ای با دقت مناسب انجام وظیفه کنند.

موتور معمولا حرکت سوپاپ ها را توسط فشار بر میل سوپاپ از طریق بادامک کنترل می کند. شکل و موقعیت بادامک میزان حرکت سوپاپ و سرعت باز شدن آن ها را مشخص می کند. بادامک ها معمولا بر روی میل بادامک که خود به میل لنگ متصل است قرار می گیرند و با سرعت نصف میل لنگ در یک موتور 4 زمانه می چرخند. در موتورهای با راندمان بالا، میل-بادامک متحرک بوده و بادامک ها ارتفاع متغیری دارند و بسته به میزان rpm موتور میزان باز شدن آن ها تغییر می کند.

برای هر کاربردی میل سوپاپ و دیسک آن از آلیاژهای مختلفی ساخته می شوند و ممکن است میل سوپاپ ها به صورت تو خالی بوده و از سدیم به منظور انتقال حرارت بهتر پر شوند. به منظور انتقال حرارت بهتر، یک سرسیلندر آلومینیومی از نشیمنگاه های آهنی استفاده می کند، در حالی که در گذشته سرسیلندرهای چدنی اغلب از نشیمنگاه های ضمنی استفاده می کردند. از آنجا که انتهای میل سوپاپ به قسمت روانکاری در محفظه بادامک می رسد، حتی با این وجود که لقی های مجاز بسیار کمی در حد 04/0 تا 06/0 میلیمتر دارند، حتما باید آب بند باشد تا از خروج گازهای درون سیلندر به محفظه لنگ جلوگیری نماید. بنابراین از یک سری درزگیر لاستیکی برای تضمین عدم نشتی روغن محفظه لنگ به درون سیلندر در مرحله مکش و عدم ورود گازهای تخلیه شده در مرحله تخلیه به آن استفاده می شود. میل سوپاپ های مستعمل یا درزگیر های خراب را می توان از دود آبی رنگ در اگزوز در هنگام فشار پا بر روی پدال گاز و قرار دادن موتور در حالت دور بالا که شاهد وکیووم بالا در منیفولد هستیم، شناسایی کرد. چنین حالتی در هنگام تعویض دنده نیز مشاهده می شود.

در موتورهای چند سوپاپه، ساختار دو سوپاپ به ازای هر سیلندر با استفاده از حداقل یک سوپاپ ورودی دیگر (سرسیلندر سه سوپاپه) یا بیشتر تغییر می کند و یک سوپاپ اضافه تخلیه نیز به کار برده می شود (سرسیلندر چهار سوپاپه) و با استفاده از این تغییر امکان دسترسی به rpmهای بالاتر از لحاظ نظری برای موتور میسر می شود. طراحی های پنج سوپاپه (سه سوپاپ ورودی و دو سوپاپ تخلیه) نیز در بعضی از موتورها استفاده می شود. تعداد سوپاپ های بیشتر در یک موتور به معنای دسترسی به جریان گاز بهبود یافته و جرم های کمتر رفت و برگشتی در یک موتور می باشد که خود به بهبود راندمان موتور و نهایتأ قدرت خروجی بیشتر و مصرف سوخت بهتر می انجامد. موتورهای چند سوپاپه همچنین امکان استفاده از شمع در مرکز سیلندر را میسر می سازند که خود باعث بهبود در راندمان احتراق شده و از کوبش جلوگیری می نماید.

محل قرارگیری سوپاپ

در طراحی های اولیه موتور، سوپاپ ها به صورت برعکس در بدنه موتور و موازی با سیلندرها جانمایی می شدند. به این نوع طراحی موتورهای سری L می گفتند، به دلیل شکل سیلندر و محفظه احتراق همچنین به موتورهای تخت سر معروف بودند زیرا بالای سرسیلندر تخت بود. واژه ای که در خارج از ایالات متحده برای این نوع موتورها استفاده می شد، سوپاپ کناری بود. اگرچه که این طراحی منجر به ایجاد یک ساختار ساده و ارزان می شد، اما دو ایراد بزرگ داشت: مسیر نامناسب دنبال شده توسط شارژ، ورودی جریان هوا را محدود ساخته و از سرعت های بیش از rpm3600 جلوگیری می نمود و مسیر گازهای خروجی در بدنه موتور تحت بار سنگین ثابت باعث داغ شدن بیش از حد موتور می گشت. این طراحی در موتورهای «ورودی بالای خروجی» یا IOE یا موتورهای سری Fشکل بهبود داده شد و در آن ها سوپاپ ورودی در سرسیلندر و سوپاپ خروجی در بدنه موتور قرار داشت. بعدها هر دو سوپاپ به قسمت سرسیلندر فرستاده شد.

در اکثر این طراحی ها میل بادامک در فاصله نزدیکی از میل لنگ قرار دارد و سوپاپ ها از طریق میل فشاری و اسبک عمل می کنند. این امر منجر به هدررفت انرژی در موتور می-شود، اما ساده تر بوده و به خصوص در موتورهای Vشکل می توان از یک میل بادامک برای فعال سازی سوپاپ های هر دو بلوک سیلندر استفاده نمود؛ به همین دلیل طراحی میل-فشاری در موتورهای Vشکل دوام بیشتری نسبت به دیگر موتورها با ساختارهای متفاوت داشته است.

در طراحی های جدیدتر، میل بادامک بر روی سرسیلندر بوده و مستقیمأ بر روی میل سوپاپ-ها نیرو وارد می کند (از طریق راهنما بادامک ها یا همان تپت ها (tappet)) و به آن سیستم میل بادامک بالاسر گفته می شود. اگر فقط یک میل بادامک وجود داشته باشد به آن بادامک بالاسر تکی (SOHC) و اگر از دو بادامک برای سوپاپ های ورودی و تخلیه (نوع اغلب موتورها) استفاده شود به آن بادامک بالاسر دوگانه (DOHC) گفته می شود. میل بادامک توسط میل لنگ از طریق استفاده از چرخ دنده، زنجیر یا تسمه تایم چرخانده می شود.

استهلاک در سوپاپ ها

در دوران های اولیه ساخت موتور، سوپاپ ها جزو مشکلات عمده یک موتور بودند. متالورژی در آن زمان غایب بود و باز و بسته شدن سریع سوپاپ ها در درون سرسیلندر منجر به استهلاک سریع آن ها می شد. آن ها را باید طی عملیات معروف به «کار سوپاپ» شکل دهی مجدد می کردند. افزودن تتراتیل سرب به سوخت تا حدودی این مشکل را مرتفع می نمود، سرب موجود در سوخت بر روی نشیمنگاه سوپاپ نشسته و در حقیقت باعث روانکاری فلز می شد. در خودروهای مدرن تر و همینطور موتورهای قدیمی تر که ماشین کاری مناسبی داشتند، نشیمنگاه  سوپاپ ها را از آلیاژهای مرغوبی نظیر استلیت (Stellite) و سوپاپ ها را از جنس استیل ضد زنگ می ساختند. این پیشرفت ها مشکل را به طور کلی حل نموده اند و باعث شده اند که هم اینک بتوان از سوخت عاری از سرب استفاده نمود.

سوختن سوپاپ ها (اعمال گرمای بیش از حد به سوپاپ) یکی دیگر از مشکلات است. این گرما منجر به استهلاک زیاد سوپاپ، ایجاد نشتی در آن و همچنین کوبش در موتور (سوپاپ داغ باعث احتراق خارج از موعد در سوخت می شود) خواهد شد. این مشکل را می توان با خنک کاری سوپاپ ها به وسیله سیستم های خنک کاری با آب یا روغن به عنوان سیال مبرد حل نمود. در موتورهای راندمان بالا یا موتورهایی که از توربوشارژ استفاده می کنند، بعضی اوقات از میل سوپاپ های پر شده از سدیم استفاده می شود. این میل سوپاپ ها به عنوان یک لوله حرارتی عمل می کنند. دلیل عمده سوختن سوپاپ عدم وجود لقی مناسب در تپت (راهنما بادامک) می باشد که سوپاپ نمی تواند کاملأ بسته شود. این قضیه منجر به کاهش توانایی آن در هدایت گرما به سرسیلندر از طریق نشیمنگاه خواهد شد و به گازهای داغ حاصل از احتراق اجازه می دهد که بین سوپاپ و نشیمنگاه آن جریان پیدا کنند. سوپاپ های سوخته منجر به تراکم پایین در سیلندر مربوطه شده و باعث کاهش در قدرت خروجی از آن خواهند شد.

کاربرد سوپاپ برای ماشین های بخار

جیمز وات در دهه 1770 از سوپاپ برای کنترل جریان بخار به سیلندرهای موتور بخار خود استفاده می کرد. یک تصویر برش خورده از موتور بخار وات در سال 1774 که از این وسیله استفاده می کرد، در مجله تورستون (Thurston) 1878 جلد 98 موجود است و سپس لاردنر (Lardner) در سال 1840 به صورت تصویری نحوه عملکرد سوپاپ موتور وات را توضیح داد.

سوپاپ بالانس شده در حق اختراع ایالات متحده. بخار با فشار بالا در نقطه A وارد شده و از نقطه B خارج می شود. میل سوپاپ D به بالا حرکت کرده و دیسک های سوپاپ C را می بندد

هنگامی که در کاربردهای فشار قوی مانند شیر ورودی در ماشین های بخار استفاده می شد، همان فشاری که به سوپاپ کمک می کرد که خود را در نشیمنگاه آب بند کند، نیروی بسیار زیادی نیز در بلند کردن سوپاپ از محل خود فراهم می کرد. این امر موجب توسعه  سوپاپ های بالانس شده یا سوپاپ های دوضربه ای شد که در آن ها دو سوپاپ به وسیله یک میل سوپاپ مشترک حرکت می کردند و فشار در هر سوپاپ به میزان زیادی فشار بر سوپاپ دیگر را متعادل می کرد. در این سوپاپ ها، نیروی مورد نیاز برای باز کردن سوپاپ توسط فشار و اختلاف بین سطوح بازشدگی هر دو سوپاپ تامین می شد. زیکل (Sickels) در سال 1842 اختراع خود را در مورد استفاده از چرخ دنده در سوپاپ برای سوپاپ های دوضربه ای ثبت نمود. در ژورنال ساینس (Science) در سال 1889 انتقاداتی درباره سوپاپ های تعادلی (در مقاله با عنوان سوپاپ های دوگانه یا آمریکایی یا بالانس شده) در هنگام استفاده در موتورهای بخار پارویی گزارش شد که طبق طبیعت آن باید در حدود 15% نشتی در خود داشته باشد.

از سوپاپ ها در لوکوموتیوهای بخار معمولأ به همراه چرخ دنده های سوپاپ مدل لنتز (Lentz) یا کپروتی (Caprotti) استفاده می شد. از مثال های بریتانیایی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• LNER Class B12
• LNER Class D49
• LNER Class P2
• LMS Stanier Class 5 4-6-0
• BR standard class 5
• BR standard class 8 71000 Duke of Gloucester

شرکت واگن سازی Sentinel از سوپاپ در واگن های بخار و لوکوموتیوهای بخار خود استفاده نمود. بازگشت با استفاده از سیستم ساده میل بادامک لغزان صورت می گرفت.

سوپاپ نوسانی در لوکوموتیوهای بازسازی شده شاپلون (Chapelon 4-6-2)

بسیاری از لوکوموتیوها در فرانسه مخصوصأ آن ها که طبق طراحی آندره شاپلون (A. Chapelon) بازسازی شده بودند، مانند SNCF 240 P، از سوپاپ های با بادامک نوسانی لنتز استفاده می کردند که توسط چرخ دنده والشارت (Walschaert) که در لوکوموتیوها موجود بود، عمل می کردند.

از سوپاپ ها همچنین در لوکوموتیوهای آمریکایی شرکت راه آهن پنسیلوانیا مدل T1 duplex نیز استفاده می شد، اگرچه که این  سوپاپ ها معمولأ به دلیل سرعت بیش از km/h160 (mph100) این لوکوموتیوها با مشکل روبرو شده و خراب می شدند زیرا این سوپاپ ها توانایی تحمل چنین فشاری را نداشتند. این سوپاپ ها مسئول همان صدای آشنای «تق تق» در لوکوموتیوها هستند.

اگر چنانچه قصد خرید انواع لوازم یدکی همچون لوازم یدکی هیوندای را دارید اما در این خصوص اطلاعات کافی ندارید میتوانید برای مشاوره با شماره های درج شده در سایت تماس بگیرید.