موتور خودرو، قلب تپنده و منبع نیروی محرک آن است که از بهم پیوستن قطعات متعددی تشکیل شده و با همکاری آن‌ها موفق به تولید نیروی لازم برای به حرکت در آوردن چرخ‌ها می‌شود. هر یک از قطعات موتور، اهمیت خاص خود را دارند. چرا که عملکرد ناصحیح هریک می‌تواند منجر به کاهش بازده موتور شود و یا آن‌ها را با مشکلی جدی مواجه کند. گاهی نقص یک قطعه از موتور ممکن است ایجاد آسیب و استهلاک در برخی قطعات دیگر کند و گاهی حتی موتور به دلیل ایجاد مشکل در یک قطعه به طور کامل از کار می‌افتاد و حتی روشن نیز نمی‌شود. سوپاپ یکی از این قطعات موتور است که احتمالا نامش را زیاد شنیده‌اید اما درباره وظایف و چند و چون کارش چندان گفته نشده است.بنابراین شناخت و علم کافی نسبت به وظیفه هریک از این قطعات در موتور لازمه استفاده بهینه از خودرو است.
در این مقاله می‌خواهیم بدانیم سوپاپ چیست، چه وظایفی دارد و چه تاثیری در عملکرد موتور می‌گذارد. همچنین اینکه آیا انواع آن در بازده موتور موثر است یا خیر. با ما همراه باشید.
سوپاپ چیست و چه وظایفی دارد؟
سوپاپ کلمه‌ای با خواستگاه فرانسوی (Soupape) و به معنی دقیق دریچه است. سوپاپ یکی از اصلی‌ترین قطعات انواع موتورهای احتراق داخلی است و البته در موتورهای دیگری مانند پمپ‌های آب به کار می‌رود. در واقع سوپاپ به هر چیزی که ورود و خروج چیزی را کنترل کنند اطلاق می‌شود. سوپاپ در خودرو روی سرسیلندر قرار می‌گیرد و ورود و خروج هوا را کنترل می‌کند. به بیان دقیق‌تر این قطعه قارچی شکل وظیفه کنترل ورود هوا به درون محفظه احتراق و خروج دود از دریچه‌های سر سیلندر را بر عهده دارد. این هوای ورودی لازمه تشکیل مخلوط سوخت و هوا و صورت گرفتن انفجار است و هوای خروجی یا دود نیز مازاد احتراق که خروجش لازمه ادامه روند فعالیت موتور است.
با توجه به اینکه صورت گرفتن احتراق درون سیلندرها نیاز به فضای ایزوله و غیر قابل نفوذ دارد باید گفت وظیفه دیگر سوپاپ ماشین تامین این فضا به کمک سرسیلندر و واشر سرسیلندر است. بنابراین سوپاپ‌ها با زمان بندی مناسب در حرکت و باز و بسته کردن به موقع دریچه‌های بلوک سیلندر یا سرسیلندر هم دود و هوا را به سمتی که باید هدایت می‌کنند و هم محفظه غیرقابل نفوذ احتراق را تشکیل می‌دهند. بنابر شرح وظایف سوپاپ می‌توان گفت یک سوپاپ خوب دارای این خصوصیات است:
۱. ضریب حرارتی بالا دارد و قادر به تحمل حرارت بالا است. همچنین به خوبی حرارت خود را به بدنه سرسیلندر منتقل می‌کند.
۲. حرارت زیاد منجر به سوختگی و یا ایجاد خوردگی در آن نمی‌شود.
۳. مقاومت لازم را در برابر ضربات دارد.
۴. یک سوپاپ خوب به سرعت دچار ساییدگی نمی‌شود.
سوپاپ ها بر حسب نوع موتور روی سرسیلندر یا بلوک سیلندر قرار می‌گیرند. گاهی سوپاپ ها درون سیلندر یا سرسیلندر هستند.
آشنایی با ساختمان سوپاپ ماشین
سوپاپ خودرو ساختاری قارچی شکل دارد که در تمام انواع موتور ثابت است. این شکل ثابت به صورت یک ساقه و یک صفحه تخت است که شکلی مشابه ساقه و کلاهک قارچ را تشکیل می‌دهند. بخش‌های مختلف این قطعه عبارتند از:
- سر سوپاپ: محل برخورد این قطعه با اسبک.
- خار نگهدارنده: انتهای ساقه و پایین‌تر از سر سوپاپ است و محل اتصال فنرهای سوپاپ هستند.
- ساق سوپاپ: بدنه بلند و کشیده سوپاپ است که در گیت قرار می‌گیرد.
- مخروطی: این بخش که دامنه نیز نامیده می‌شود محل اتصال نشیمنگاه به ساقه است
- نشیمنگاه: این بخش را سیت سوپاپ موتور نیز می‌نامند که درواقع سر پهن سوپاپ است. سیت سوپاپ دارای حلقه‌هایی است که جنس آن‌ها معمولا چدن سانتریفوژ یا آلیاژی بسیار مقاوم به ساییدگی است.
- وجه: نشیمنگاه سوپاپ داری یک لبه مورب است که وجه نامیده می‌شود. زاویه این لبه بسته به نوع و ساختار موتور طراحی می‌شود. اما به طور کلی این زاویه بین ۴۵ تا ۳۰ درجه است. ۳۰ درجه برای سوپاپ‌های دود و ۴۵ درجه برای سوپاپ‌های هوا به کار می‌رود.
حتما بخوانید: آشنایی با نقش شاتون در خودرو و علائم شاتون زدن
اما این ساختمان کلی اجزای دیگری نیز دارد که توسط آن‌ها عملکرد خود را کامل می‌کند. این اجزا شامل موارد زیر می‌شوند:
- فنر سوپاپ: فنری مارپیچی است که روی بخش انتهایی ساقه سوپاپ ماشین قرار دارد و از یک سمت به بدنه موتور وصل است و از سمت دیگر به وسیله یک نگهدارنده یا واشر تخت به خار سوپاپ متصل می‌شود. فنر کمک می‌کند تا سوپاپ در زمان تراکم روی نشیمنگاه محکم بنشیند و از بروز هرگونه نشتی در این زمان‌ها جلوگیری کند. گاهی اوقات روی هر سوپاپ دو فنر با جهت عکس سوار می‌شود. اگر فشار فنرهای سوپاپ کم باشد سوپاپ شل و سفت می‌شود و موتور نامیزان کار می کند.
- گاید سوپاپ: لوله یا بوشی است که ساقه سوپاپ را در بر می‌گیرد. گاید یا راهنمای سوپاپ را معمولا از چدن سیاه می‌سازند. این قطعه که در سر سیلندر قرار می‌گیرد حرکت مستقیم رفت و برگشت سوپاپ را تنظیم می‌کند و مانع از هرگونه انحراف آن می‌شود. همچنین از ساقه سوپاپ در برابر ضربات محافظت می‌کند. گاید یا بصورت یک تکه با سیلندر یا سرسیلندر ریخته‌گری می‌شود یا با فشار درون آن قرار می‌گیرد. گاید همچنین وظیفه انتقال حرارت را نیز به عهده دارد. سوپاپ درون گاید با لقی مشخصی حرکت می‌کند. این حرکت باید روان صورت گیرد چرا که در صورت سفت بودن آن سوپاپ گرم شده و درون آن گیر کرده و باز می‌ماند.
- انگشتی سوپاپ: در بخش انتهای سوپاپ موتور و نزدیک به سر سوپاپ قرار می‌گیرد و نقش اتصال سوپاپ به میل سوپاپ را بازی می‌کند. انگشتی در همه موتورها مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و گاهی سوپاپ خودرو مستقیم به میل سوپاپ متصل می‌شود.
در برخی سوپاپ‌ها از بوش نشیمنگاه نیز استفاده می‌شود که مانع از فرسودگی آن می‌گردد. استفاده از بوش نشیمنگاه چندان رایج نیست.
انواع سوپاپ ها
سوپاپ ها بر حسب وظیفه خود به دو دسته تقسیم می‌شوند که در ساختارشان تفاوت‌هایی جزئی دارند. این دو نوع شامل موارد زیر می‌شوند:
۱. سوپاپ ورودی یا هوا
کمی بزرگتر از سوپاپ دود است و مقاومت حرارتی پایین‌تری دارد.
۲. سوپاپ خروجی یا دود
به علت مواجهه با دمای بالای محفظه احتراق مقاومت دمایی بالاتری دارد اما به دلیل حساسیت کمترش در مورد عایق‌بندی، سایز آن کوچکتر است.
حتما بخوانید: انواع چراغ خودرو و کاربردهای آن
اما سوپاپ ماشین نوع دیگری دسته‌بندی دارد که به نحوه حرکت و عملکرد آن‌ها بستگی دارد. این انواع عبارتند از:
۱. سوپاپ‌های چرخشی
این سوپاپ‌ها دارای بخش مخصوصی هستند که سوپاپ را همزمان با حرکت بالا و پایین به چرخش در می‌آورند، این چرخش مانع از تشکیل رسوبات در سیت و گاید می‌شود.
۲. سوپاپ سدیمی
این مدل سوپاپ توخالی است و داخل آن با نمک فلز سدیم که دارای نقطه ذوب پایین است پر می‌شود. این ماده در اثر حرارت سوپاپ ذوب شده و با کار و حرکت سوپاپ داخل آن بالا و پایین می‌رود و گرمای سیت را به گاید منتقل می‌کند.
سایز و ساختار کلی سوپاپ‌ها در موتورهای مختلف یکی است و تفاوت‌های آن‌ها بسته به ساختار موتور بسیار جزئی است.
جنس سوپاپ ماشین
محل و نوع کار سوپاپ ها حاکی از آن است که این قطعات در مقابل حرارات زیادی قرار می‌گیرند و همچنین با سرعت زیادی کار می‌کنند. بنابراین در معرض فشار و فرسودگی قابل ملاحظه‌ای قرار دارند. در این بین سوپاپ خروجی یا سوپاپ دود که با گازهای ناشی از احتراق و تقریبا شعله مداوم در تماس است، حرارت بالاتری از سوپاپ ورودی یا هوا تحمل می‌کند. به طوری که در مواقع کار موتور با دور بالا، ممکن است این سوپاپ ماشین به رنگ قرمز تیره شود. بنابراین سوپاپ ماشین باید مقاومت لازم در مقابل شکستگی، زنگ زدگی، تاب برداشتن و فرسودگی سریع، داشته باشد، بخصوص سوپاپ های تخلیه. پس این نوع سوپاپ معمولا از آلیاژهای مخصوص فولاد با مقادیر نسبتا زیاد کروم، نیکل و سلنیوم ساخته می‌شود. شرایط سوپاپ های هوا بسیار خنک‌تر از سوپاپ های دود است بنابراین کمتر در معرض سوختن ، زنگ زدن و فرسودگی قرار دارند. آن‌ها را عموما از آلیاژ فولاد-کبالت می‌سازند.
حتما بخوانید: آشنایی با نقش کمک‌فنر ماشین و انواع آن
دستگاه فرمان سوپاپ
سوپاپ برای حرکت و عملکرد خود نیاز به یک کنترل کننده و هدایتگر دارد. این قطعه همان میل سوپاپ یا میل بادامک است. میل سوپاپ میله‌ای است که زایده‌هایی بادامی شکل به نام بادامک دارد. تعداد بادامک‌های یک میل سوپاپ بر اساس تعداد سوپاپ‌های موتور طراحی می‌شود. در واقع به دلیل همین عملکرد و شکلش به آن میل بادامک یا میل سوپاپ می‌گویند. بادامک‌ها با انگشتی سوپاپ یا خود سوپاپ در تماس هستند. سوپاپ از این میله به انواع مختلف دستور می‌گیرد. به طور کلی دو نوع میل سوپاپ داریم:
-
میل سوپاپ زیر
در این نوع، میل سوپاپ با قطعه‌ای به نام تایپت تماس دارد که میل تایپت از داخل آن عبور می‌کند. میل تایپت از بالا با انگشتی در تماس است و با حرکت انگشتی که در جهت دیگر با سوپاپ در تماس است حرکت سوپاپ را کنترل می‌کند.
-
میل سوپاپ رو
در این نوع، میل سوپاپ مستقیم از طریق بادامک‌ها با انگشتی در تماس است و انگشتی نیز از سمت دیگر با سوپاپ برخورد می کند.
در خودروهایی که این میل سوپاپ مورد استفاده قرار می‌گیرد دو میل سوپاپ استفاده می‌شود. در موتور این خودروها برای هر سیلندر ۴ سوپاپ داریم.
تنظیم زمان‌بندی عملکرد سوپاپ ها
در روند عملکرد سوپاپ ها زمان‌بندی باز و بسته شدن‌شان بسیار مهم است. به این ترتیب که سوپاپ های ورودی در زمان‌های مناسب باید هوا را وارد سیلندر سازند. سپس در مراحل ایجاد تراکم و احتراق سوخت کاملا محکم و بسته بمانند. در پایان هنگام تخلیه، گازهای ناشی از احتراق را از سیلندر در زمان مناسب خارج کنند. بنابراین تنظیم زمانی سوپاپ ها باید بسیار دقیق و کامل انجام شود. پیشتر گفتیم که تنظیم زمان‌بندی عملکرد سوپاپ ها بر عهده میل بادامک است. اما از آنجا که تنظیم بالا و پایین رفتن سوپاپ ها باید هماهنگ با بالا و پایین رفتن پیستون‌ها انجام شود میل بادامک به کمک میل‌لنگ و در ارتباط ثابت و همیشگی با آن این کار را انجام می‌دهد. چرا که میل‌لنگ همواره تحت تاثیر حرکت بالا و پایین پیستون‌ها می‌چرخد و با ارتباط میل بادامک و میل‌لنگ حرکت میل‌بادامک را با پیستون‌ها هماهنگ می‌کند. این هماهنگی نیز زمان‌بندی دقیق سوپاپ ها را همگام با پیستون به دنبال دارد.
به این ترتیب در لحظه پایین آمدن پیستون، میل‌بادامک سوپاپ ورودی را به منظور مکش هوا به داخل سیلندر باز می‌کند. همزمان با شروع تراکم هوای ورودی توسط سیلندر سوپاپ هوا و دود هر دو بسته می‌مانند و این حالت تا پایان احتراق ادامه پیدا می‌کند. در این لحظه حرکت رو به بالای پیستون، سوپاپ دود را باز کرده و تا رسیدن پیستون به نقطه مرگِ بالا، باز می‌ماند. انتقال و تنظیم نیرو در این فرایند توسط تسمه تایم یا زنجیر تایم صورت می‌گیرد. این فرآیند زمان‌بندی را تایمینگ سوپاپ ها می‌نامند. قطعاتی مانند میل بادامک، تایپت یا بالابر، میله فشارنده، اسبک سوپاپ، انگشتی سوپاپ و فنرهای سوپاپ در تایمینگ سوپاپ ها و تنظیم دقیق آن نقش موثر دارند. البته نوع و محل و ترتیب قرارگیری سوپاپ ها ممکن است برخی از این قطعات را حذف کند. مجموعه این قطعات را سیستم راه‌اندازی سوپاپ ها می‌نامند.
انواع سیستم سوپاپ موتور خودرو
۱. سیستم سوپاپ ایستاده دو ردیفه یا T HEAD
این روش که در خودروهای قدیمی کاربرد داشته دارای دو میل بادامک است. یکی کنترل سوپاپ های دود را در دست دارد و دیگری کنترل سوپاپ های گاز. مزایای این سیستم شامل سادگی طرح و راه‌های ورود و خروج هوا و دود، شست‌وشوی بهتر گازهای سوخته از اتاقک احتراق و تعداد کمتر قطعات متحرک سیستم می‌شود. اما معایب آن نیز مواردی همچون بزرگ بودن و زیاد بودن طول محفظه احتراق، حرکت سوپاپ به طرفین محفظه و در نتیجه پایین آمدن کارایی موتور، طولانی شدن مسیر شعله، بیشتر شدن عرض بلوک موتور و الزام استفاده از دو میل بادامک را در برمی‌گیرد. در کنار معایب گفته شده باید به هزینه بیشتر تولید این سیستم نیز اشاره کرد.
۲. سیستم سوپاپ ایستاده یا L HEAD
این روش جدیدتر از سیستم T است و در آن همه سوپاپ های دود و گاز که به طور ایستاده در یک طرف بلوک سیلندر قرار می‌گیرند از یک میل سوپاپ فرمان می‌برند. در این سیستم مسیر ورود و خروج گازها به شکل L است. در این سیستم محفظه احتراق کوچکتر شده و فرم پر شدن آن نیز متفاوت است. این دو در کنار هم باعث می‌شوند تا احتراق بهتر صورت گیرد و راندمان حجمی موتور به ۸۸ درصد برسد. در این سیستم سوپاپ ها به کمک تایپت حرکت می‌کنند. مزایای آن‌ها دردرجه اول استفاده از یک میل‌بادامک است که کاهش هزینه‌ها را در پی دارد. تعمیرات راحت‌تر و باز شدن ساده‌تر سرسیلندر و بهتر سوختن سوخت از دیگر مزایای این سیستم هستند. معایب آن نیز شامل طرح پیچیده مانیفولدها و وجود قطعه اضافی تایپت می‌شود.
حتما بخوانید: مقایسه کیا سراتو، هیوندا اکسنت و مزدا۳
۳. سیستم سوپاپ ترکیبی یا F HEAD
در این سیستم سوپاپ گاز به حالت معلق در سرسیلندر قرار دارد و سوپاپ دود به صورت ایستاده قرار می‌گیرد. این حالت کمک می‌کند تا عمل پر شدن سیلندر توسط سوخت به علت نزولی بودن جریان آن کنترل شود. مسیر خروج دود و گاز در این سیستم به شکل F است. معمولا در موتورهای ۴ زمانه شاهد این سیستم هستیم. این سیستم‌ها گاهی مشکل نامناسب شدن محل جرقه شمع و طولانی گشتن محل انفجار تا مرکز سیلندر را در پی‌دارند.
۴. سیستم سوپاپ معلق یا I HEAD
در این روش هر دو سوپاپ گاز و دود در سیلندر و معلق هستند و مسیر خروج گاز و ورود دود یک خط مستقیم به شکل I است. این سیستم راندمان حجمی موتور را به ۹۰ درصد ارتقاء می‌دهد. این سیستم نیز در موتورهای ۴ زمانه کاربرد بیشتری دارد. تعمیرات این سیستم‌ها سخت‌تر از دیگر سیستم‌ها است اما فضای احتراق را کوچکتر کرده و فاصله انفجار تا مرکز سیلندر را تا حد امکان کاهش می‌دهند.
سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ ها
گفتیم که زمان باز و بسته شدن سوپاپ ها وابسته به چرخش میل بادامک است. چرخش میل بادامک نیز به واسطه میل‌لنگ با حرکت پیستون‌ها تنظیم است. بنابراین باز و بسته شدن سوپاپ ها دقیقا به ترتیب و با فاصله زمانی مشخص بر حسب دور موتور صورت می‌گیرد. این سیستم تایمینگ سوپاپ سال‌هاست که در موتورهای احتراقی کاربرد دارد و حالت معمول مدیریت زمان‌بندی سوپاپ ها است. اما به تازگی سیستمی توسط طراحان معرفی شده است که VVT یا زمان‌بندی متغییر نامیده می‌شود. در این سیستم سوپاپ هوا قادر است بدون توجه به موقعیت پیستون زمان بیشتری را باز بماند. تنظیم این زمان بیشتر با مدیریت هوشمند عملکرد سوپاپ ها امکان پذیر می‌شود. سیستم VVT کمک می‌کند تا در دورهای مختلف موتور، توان آن افزایش یافته و مصرف سوخت کاهش یابد. در این سیستم ساختار میل سوپاپ خودرو اندکی متفاوت طراحی می‌شود. سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ ها نقص سیستم‌های قبلی را که مانع از تزریق بیشتر مخلوط سوخت و هوا به درون سیلندر می‌شد، رفع می‌سازد.
حتما بخوانید: بهترین زمان فروش خودرو دست دوم چه زمانی است؟
تفاوت موتورهای ۸ و ۱۶ سوپاپه
احتمالا تاکنون درباره خصوصیات موتورهای مختلف عنوان ۸ یا ۱۶ سوپاپ را بسیار شنیده‌اید. در موتورهای ۸ سوپاپ که در گذشته بیشتر مورد استفاده قرار می‌گرفتند هر سیلندر به یک سوپاپ گاز و یک سوپاپ دود مجهز بود. اما این موتورها راندمان رضایت‌بخشی نداشتند و قدرت موتور در آن‌ها به میزان دلخواه طراحان نمی‌رسید، علاوه‌بر اینکه مصرف سوخت‌شان بالا بود. اما مهندسان طراح می‌دانستند برای بهتر کردن بازده موتور باید میزان مکش هوا و بنزین سریعتر و بیشتر باشد و همچنین تخلیه دود کامل صورت گیرد. در نتیجه برای رسیدن به این هدف تعداد سوپاپ‌ها افزایش یافت تا ورود و خروج بیشتر شود. بنابراین در موتورهای نسبتا جدید هر سیلندر موتور به ۲ سوپاپ گاز و۲ سوپاپ دود مجهز شد که موتورهای ۴ سیلندر را تبدیل به ۱۶ سوپاپ کرد.
لازم به ذکر است طبعا هر چه تعداد سیلندر بیشتر باشد این اعداد افزایش می‌یابد. برای مثال موتورهای ۶ سیلندر دارای ۲۴ سوپاپ هستند. همچنین گاهی برای تولید موتورهایی با توان خروجی بیشتر و قدرت بالاتر تعداد سوپاپ‌های بیشتری برای هر سیلندر در نظر گرفته می‌شود. این تعداد می‌تواند تا ۳ سوپاپ ورودی و ۲ سوپاپ خروجی ارتقاء یابد.
رایج‌ترین علامت خرابی سوپاپ‌ها
معمولا خرابی سوپاپ‌ها از مشکلاتی نظیر شکستن ساقه یا خرابی سیت ناشی می‌شود. گاهی نیز در گاید نقصی ایجاد می‌گردد. این علایم معمولا به صورت صدای چلق چلق یا صدای خشک کار کردن موتور شنیده می‌شوند و گاهی نیز بازده موتور کاهش می‌یابد. علل خرابی سوپاپ می‌تواند یکی از موارد زیر باشد:
– سوختن سوپاپ در اثر تنظیم نبودن نسبت هوا و سوخت.
– در موتورهای دارای تسمه تایم پاره شدن تسمه‌تایم می‌تواند کج شدن سوپاپ‌ها را به دنبال داشته باشد.
– گاهی در اثر خرابی سیستم خنک کننده سیلندر بیش از حد داغ می‌شود. در این مواقع ممکن است سیت سوپاپ در اثر حرارت بیش از حد از جای خود بیرون آمده و خراب شود.
– گاهی نیز خرابی گاید سوپاپ، ایجاد صدایی شبیه به خشک کار کردن موتور می‌کند.
خرابی گاید سوپاپ به ندرت اتفاق می‌افتد و از دلایل آن می‌توان به نامرغوب بودن جنسش، کارکرد زیاد موتور و یا خراب شدن سوپاپ اشاره کرد.