سوپاپ‌های موتور اجزای مکانیکی هستند که جریان سیال یا گاز را به‌عنوان سوخت به سیلندرها یا محفظه‌های احتراق می‌رسانند و با باز و بسته شدن این جریان را برقرار را مسدود می‌کنند. سوپاپ ماشین درواقع نوعی دریچه است و مانند بسیاری از انواع دیگر دریچه‌ها عمل می‌کند. سوپاپ‌ها دستگاه‌های کاملاً مکانیکی هستند که با سایر قطعات موتور خودرو مانند بازوهای چرخشی ارتباط برقرار می‌کنند تا با ترتیب و زمان‌بندی دقیق باز و بسته شوند. وظیفه سوپاپ‌ها در موتور چیست؟ سرسیلندر سوپاپ‌های موتور را در خود جای می‌دهد. وظیفه اصلی سوپاپ موتور اجازه ورود و خروج هوا به سیلندر است. هوا برای کمک به احتراق سوخت استفاده می‌شود و پیستون‌ها را بالا و پایین می‌راند.
سوپاپ‌های موتور به دو نوع سوپاپ ورودی و دریچه خروجی تقسیم می‌شوند. سوپاپ ورودی اجازه ورود هوا را صادر کرده و دریچه خروجی به سمت اگزوز، اجازه خروج دود و بخارات سمی را می‌دهد. هر چه هوای بیشتری به موتور وارد و از آن خارج شود، موتور کارآمدتر خواهد بود و در نتیجه قدرت و راندمان بیشتری خواهد داشت. به همین دلیل است که سوپاپ موتور تأثیر بسیار زیادی در نحوه عملکرد دارد. پیستون در سیلندر به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند. سوپاپ‌ها در بالای حرکت پیستون قرار دارند. از آنجایی که پیستون در پایین سیلندر قرار دارد، دریچه ورودی باز می‌شود تا هوا به سیلندر وارد شود و سپس بسته می‌شود تا سیلندر هوابندی شده و عملیات فشرده‌سازی ایجاد شود. سوپاپ اگزوز پس از اتمام حرکت‌های فشرده‌سازی و احتراق پیستون باز می‌شود.
اجزای مختلف سوپاپ موتور ماشین
بیشتر سوپاپ‌های موتور به دلیل حرکت رفت و برگشتی به بالا و پایین، به‌عنوان دریچه‌هایی به سبک پاپت ساخته می‌شوند، با سر سوپاپی مخروطی شکل که روی پایه سوپاپ ماشین‌کاری شده قرار می‌گیرد تا مسیر عبور مایعات یا گازها را باز کرده یا ببندد. یک سوپاپ ماشین از اجزایی مانند میل بادامک، بالابر، میله فشارنده، اسبک سوپاپ، انگشتی سوپاپ و فنرهای سوپاپ تشکیل و ساخته می‌شود.
نحوه عملکرد سوپاپ‌ها در موتور
تا اینجا دانستیم که وظیفه سوپاپ که به شکل یک قارچ است، کنترل ورود و خروج هوا به داخل سیلندر برای احتراق سوخت و خارج کردن دود حاصل از احتراق به سمت اگزوز است. وظیفه دیگر سوپاپ این است که به کمک سرسیلندر و واشر سرسیلندر، محفظه احتراق را به‌صورت کامل عایق‌بندی کند تا احتراق با بالاترین کیفیت ممکن اتفاق بیفتد.
نحوه عملکرد سوپاپ به این صورت است که باید زمان‌بندی دقیق و مناسبی را بین باز و بسته شدن دریچه‌های ورودی (برای ورود هوا) و دریچه‌های خروجی (برای خروج دود سمی به سمت اگزوز) را ایجاد کرده و متعادل نگه دارد. وظایف و نحوه عملکرد اجزاء سازنده سوپاپ به شرح زیر است:
- سر سوپاپ: محل برخورد با اسبک
- خار نگهدارنده: محل اتصال فنرهای سوپاپ در انتهای ساقه و زیر سر سوپاپ
- ساق سوپاپ: به قسمت میانی و کشیده سوپاپ اطلاق می‌شود
- مخروطی یا دامنه: محل اتصال نشیمنگاه به ساقه
- نشیمنگاه (Seat): سمت پهن و بزرگ‌تر سوپاپ (به شکل سر قارچ)
- وجه: لبه مورب نشیمنگاه سوپاپ با دو زاویه ۳۰ درجه برای خروج دود و زاویه ۴۵ درجه برای ورود هوا
اساس کار سوپاپ ماشین
سوپاپ ماشین نقش بسیار مهمی در عملکرد موتور ماشین‌های ۴ زمانه یا ۴ مرحله‌ای دارد. برای کامل شدن یک سیکل (کورس) از کار، پیستون‌ها ۴ بار طول سیلندر را می‌پیمایند، ۲ بار به سمت بالا و ۲ بار به سمت پایین. در هر بار بالا و پایین شدن پیستون، سوپاپ‌های مرتبط ورودی و خروجی باید در دقیق‌ترین زمان ممکن باز و بسته شوند.
- سیکل مکش (Intake Stroke)
- سیکل تراکم (Compression Stroke)
- سیکل احتراق (Power Stroke)
- سیکل تخلیه (Exhaust Stroke)
روند زیر مراحل کار یک سوپاپ موتور را تشریح می‌کند:
- میل لنگ موتور در ابتدا نیرو را دریافت می‌کند.
- میل بادامک موتور توسط میل لنگ به حرکت درمی‌آید.
- در طول مکش موتور، میل بادامک حرکت می‌کند و دریچه ورودی را به سمت پایین فشار می‌دهد.
- میل بادامک به دلیل نیروی فنری که دارد، به شیر ورودی اجازه می‌دهد زمانی که پیستون در سیکل فشرده‌سازی است، بسته شود.
- در سیکل تراکم، پیستون با هر دو سوپاپ بسته به سمت مخالف حرکت می‌کند تا سوخت و هوا متراکم شود.
- سپس احتراق افتاده و دود و بخارات سمی تولید می‌شود.
- در مرحله تخلیه، سوپاپ خروج دود باز شده و با حرکت پیستون، دود به سمت اگزوز رانده می‌شود.
- پس از حرکت موتور، سیکل خروج دود از اگزوز رخ می‌دهد که در آن میل بادامک سوپاپ اگزوز را فشار داده و باز می‌کند.
- پیستون دود اگزوز را بیرون می‌راند و مراحل ذکرشده تکرار و تکرار می‌شوند.
نمودار زمان‌بندی سوپاپ
نمودار زمان‌بندی سوپاپ یک شماتیک است که زمان‌بندی مناسب باز و بسته شدن دریچه‌های اگزوز و ورودی هوای سوپاپ‌ها را نشان می‌دهد. حرکت پیستون در داخل سیلندر در نمودار زمان‌بندی سوپاپ نشان داده شده است.
بالای دایره‌ها در محور y، در نمودار زمان‌بندی سوپاپ به‌عنوان نقطه مرگ بالا یا TDC نامیده می‌شود. نقطه مرگ پایین یا BDC نیز در پایین محور yها قرار دارد. نمودار زمان‌بندی ایده‌آل سوپاپ نشان می‌دهد که چگونه زمان‌بندی سوپاپ باید با حرکت پیستون مطابقت داشته باشد.
- هنگامی‌که پیستون به نقطه مرگ بالا نزدیک می‌شود، دریچه هوای ورودی سوپاپ باز می‌شود (IVO).
- هنگامی‌که پیستون به نقطه مرگ پایین نزدیک می‌شود، دریچه ورودی بسته می‌شود (IVC).
- سپس پیستون به سمت کورس تراکم حرکت می‌کند که سوخت را فشرده و می‌سوزاند.
- پس از انبساط، بنزین می‌سوزد و پیستون را به نقطه مرگ پایین برمی‌گرداند.
- هنگامی‌که پیستون به نقطه مرگ پایین (EVO) نزدیک می‌شود، دریچه اگزوز باز می‌شود.
- اکنون پیستون به سمت کورس خروج دود از اگزوز حرکت می‌کند و گازهای خروجی اگزوز را از طریق دریچه سوپاپ به بیرون می‌راند.
- هنگامی‌که پیستون پس از کورس اگزوز (EVC) به نقطه مرگ بالایی می‌رسد، دریچه اگزوز سوپاپ بسته می‌شود.
تفاوت بنزین سوپر و معمولی چیست؟
انواع سوپاپ خودرو
جدا از اینکه سوپاپ‌های موتور ماشین بر اساس عملکرد (ورود هوا در مقابل خروج دود از اگزوز) به دو دسته سوپاپ هوا (ورودی) و سوپاپ اگزوز (خروجی) طبقه‌بندی می‌شوند، انواع مختلفی از سوپاپ‌های موتور بر اساس طراحی و مواد نیز وجود دارد. متداول‌ترین انواع سوپاپ ماشین به شرح زیر است:
- سوپاپ‌های موتور تک فلزی
- سوپاپ‌های موتور دو فلزی
- سوپاپ‌های موتور توخالی یا سوپاپ سدیمی
سوپاپ‌های موتور تک فلزی از یک ماده واحد ساخته می‌شوند که برای ساختن میل سوپاپ و سر سوپاپ استفاده می‌شود. این سوپاپ‌های موتور دارای مقاومت حرارتی قوی و همچنین خواص ضد اصطکاک عالی هستند.
دریچه‌های موتور دو فلزی با جوشکاری اصطکاکی دو ماده مجزا به یکدیگر ایجاد می‌شوند تا دریچه‌ای با فولاد آستنیتی روی سر شیر و فولاد مارتنزیتی روی میل سوپاپ ایجاد شود. فولاد آستنیتی روی سر سوپاپ مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کند، در حالی که فولاد مارتنزیتی روی میل سوپاپ استحکام کششی و مقاومت سایشی بالایی را ارائه می‌دهد.
سوپاپ‌های توخالی موتور نوعی سوپاپ دو فلزی هستند که دارای محفظه توخالی پر از سدیم هستند. با افزایش دمای دریچه، سدیم مایع می‌شود و با حرکت دریچه به گردش درمی‌آید که به پخش گرما کمک می‌کند. از آنجا که ماده ساقه مارتنزیتی گرما را بهتر از مواد سر آستنیتی هدایت می‌کند، شکل توخالی اجازه می‌دهد تا انتقال حرارت بیشتری از طریق ساقه نسبت به دریچه‌های جامد انجام شود. سوپاپ‌های توخالی به‌خوبی با موتورهای فعلی سازگار هستند.
سنسور موقعیت در موتورهای احتراق داخلی برای اندازه گیری موقعیت و سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این اطلاعات برای کنترل احتراق مورد استفاده است و به بهبود عملکرد سوپاپ ماشین کمک می کند.
مواد سازنده سوپاپ ماشین
سوپاپ‌های موتور یکی از پرفشارترین اجزای موتورهای احتراق داخلی هستند. سوپاپ‌های موتور باید بتوانند در معرض قرار گرفتن مکرر و مداوم در برابر دماهای بالا، فشار بالا از محفظه احتراق و تنش‌ها و بارهای مکانیکی ناشی از دینامیک موتور مقاومت کنند تا عملکرد مطمئن موتور را ارائه دهند. بنابراین سوپاپ ماشین معمولاً از جنس آلیاژهای مخصوص فولاد با مقادیر نسبتاً زیاد کروم، نیکل و سلنیوم، فولاد ضدزنگ، تیتانیوم، نیکروم، سیلیکون کروم، یا آلیاژهای کبالت کروم ساخته می‌شوند.