سفری به عمق سوپاپ

اگر بخواهیم به اجزای درون اتاق احتراق یک سیلندر نگاه کنیم ابتدا شمع را می بینیم سپس سوپاپ ها و در نهایت انژکتور که در سیستم های جدید داخل سیلندر و در اتاق احتراق قرار می گیرد

اگر بخواهیم به اجزای درون اتاق احتراق یک سیلندر نگاه کنیم ابتدا شمع را می‌بینیم. سپس سوپاپ‌ها و در نهایت انژکتور که در سیستم های جدید داخل سیلندر و در اتاق احتراق قرار می‌گیرد. اما در این هفته قصد پرداختن به شمع یا انژکتور را نداریم. بلکه می‌خواهیم با هم سفری به عمق سوپاپ داشته و وظیفه آن را تشریح کنیم.

شاید بتوان به سوپاپ لقب پنجره یا دریچه سیلندر داد.ابتدا به شرح سوپاپ می‌پردازیم سپس به نسل‌های جدید آن و وظایف آنها پرداخته و در نهایت دلیل انتخاب عنوان مقاله را می‌گوییم.

سوپاپ یک کلمه فرانسوی (Soupape) است که در زبان ما به همان شکل اصلی استفاده می‌شود. معنی دقیق آن دریچه است. اما معنی رایج آن عبارت است از یکی از قطعات موتور که روی سیلندر موتور قرار می‌گیرد و ورود هوا و خروج دود را کنترل می‌کند. البته در مواردی به دریچه‌های موجود در تلمبه‌های آب نیز گفته می‌شود.

همان‌گونه که می‌دانید موتورهای احتراق داخلی جهت تولید قدرت باید بتوانند سوخت را بسوزانند و این کار را در سیلندر موتور انجام می‌دهند. کاملاً مشخص است که برای انجام عمل سوختن و تولید قدرت به سه چیز نیاز است. ماده سوختنی(سوخت)‌، حرارت (جرقه در موتور‌های بنزینی) و اکسیژن.

بنابراین باید هر موتور (سیلندرهای موتور) با هوای بیرون در ارتباط باشد تا بتواند اکسیژن هوا را دریافت کند و پس از احتراق گازهای حاصل از احتراق را به هوا برگرداند. از طرف دیگر چون تولید قدرت در موتور بدین شکل است که ابتدا می‌بایست گاز وارد شده متراکم شود و پس از تراکم آن در مرحله انفجار حرکت مولکول‌های گاز محترق شده را به حرکت جنبشی پیستون تبدیل نمایند لازم است که محیط انجام این فعالیت (سیلندر) کاملاً بسته یا آب بند باشد و با محیط بیرون هیچ ارتباطی نداشته باشد بنابراین از سوپاپ‌ها استفاده می‌شود تا در زمان‌های مناسب ارتباط میان سیلندر و محیط بیرون را قطع یا وصل کنند.

اما سوپاپ‌ها درون سیلندر در دو نوع استفاده می‌شوند:

۱)‌ سوپاپ هوا‌: از لحاظ اندازه مقداری بزرگتر از سوپاپ دود است و در دمای پایین‌تری کار می‌کند.

۲)‌ سوپاپ دود‌: به علت تماس مداوم با احتراق و گازهای داغ ناشی از احتراق دمای بالاتری دارد و البته از لحاظ اندازه هم کوچکتر است.

اما کمی به ساختمان سوپاپ بپردازیم تا سفرمان را به عمق سوپاپ آغاز کنیم. سوپاپ‌های متداول امروزی معمولاً از نوع سوپاپ قارچی شکل یا پایه‌دار هستند. این سوپاپ‌ها شامل یک ساقه (که مشابه ساقه قارچ است) و یک بشقابک (که مشابه کلاهک قارچ) هستند. همچنین سر سوپاپ دارای یک لبه مورب است که وجه نامیده می‌شود. همچنین محل قرارگیری سوپاپ که در سرسیلندر و یا خود سیلندر قرار دارد نیز دارای یک لبه به نام نشیمنگاه است.محل نشستن سوپاپ در سیلندر را سیت سوپاپ می‌نامند که بسیار مهم بوده و در آب‌بندی سیلندر بسیار تاثیر‌گذار است.در مواقعی که سیت سوپاپ با سر سوپاپ یا کلاهک آن کاملاً آب‌بندی نباشد در زمان تراکم و انفجار اتاق احتراق کاملا آب بندی و بدون درز نبوده و از قدرت مفید موتور به شدت کاسته می‌شود. همچنین به علت عدم تماس درست کلاهک و سیت سوپاپ گرما کاملاً دفع و منتقل نمی‌شود در نتیجه امکان سوختن سوپاپ دود بسیار زیاد می‌شود.

در انتهای دیگر سوپاپ یعنی بر روی ساقه آن یک یا گاهی دو فنر قوی قرار دارد که به وسیله یک نگهدارنده و دو عدد خار به انتهای سوپاپ محکم شده‌اند. فنر سوپاپ موجب می‌شود کلاهک سوپاپ بر روی نشیمنگاه سوپاپ محکم نگه داشته شده و بدین ترتیب از هر‌گونه نشتی در زمان‌های تراکم وانفجار جلوگیری می‌شود. زاویه رایج برای کلاهک و نشیمنگاه سوپاپ ۴۵ درجه است. اما برای سوپاپ‌های هوا گاهی از زاویه ۳۰ درجه نیز استفاده می‌شود.

● جنس سوپاپ

از آنجایی که سوپاپ‌ها در مقابل حرارت قرار گرفته و با سرعت زیادی کار می‌کنند در معرض فشار و فرسودگی قابل ملاحظه‌ای قرار دارند، کاملاً روشن است که سوپاپ تخلیه گازهای ناشی از احتراق یا همان سوپاپ دود ، داغتر از سوپاپ تنفس یا هوا می‌شود، زیرا تقریباً در معرض یک شعله مداوم قرار دارد.

در حقیقت در شرایطی که موتور زیر بار قرار می‌گیرد، حرارت آن ممکن است آنقدر بالا رود که سوپاپ به رنگ قرمز کدر درآید یا اصطلاحاً سرخ شود.

به منظور ایجاد مقاومت در مقابل شکستگی‌، زنگ زدگی‌، تاب برداشتن و فرسودگی سریع‌، سوپاپ‌های تخلیه از آلیاژ فولاد مخصوصی ساخته می‌شوند که دارای مقادیر نسبتاً زیادی از کروم‌، نیکل‌، سیلیس و مقدار کمتری از سایر فلزات است. سوپاپ‌های تنفس بسیار خنک‌تر از سوپاپ‌های دود‌، کار می‌کند. بنابراین کمتر در معرض سوختن‌، زنگ‌زدن و فرسودگی قرار دارند.این سوپاپ‌ها معمولاً از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده که هم سبک‌تر هستند هم ضریب حرارتی بالایی دارند.

در بسیاری از مقالات گفته می‌شود گاید سوپاپ در این موتور کاملاً متفاوت است. یا در شرح سیستم‌های تنفس موتورهای جدید گاید سوپاپ نیز بسیار استفاده می‌شود. در اینجا این سوال پیش می‌آید که گاید سوپاپ چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟

ساقه سوپاپ در داخل یک بوش (قابل تعویض) که به آن گاید یا راهنمای سوپاپ گفته می‌شود حرکت می‌کند در تعداد معدودی از موتورها ‌گاید سوپاپ وجود ندارد.در تعداد معدودی جز یک سوراخ که در بدنه سیلندر یا سرسیلندر تعبیه شده است هیچ عضو دیگری برای ساق سوپاپ وجود ندارد. اما در اکثر موتور خودروها جدید گاید قابل تعویض است.

ساقه سوپاپ باید در داخل راهنمای خود (گاید) به راحتی حرکت کند. اما تماس و جفت شدن دقیق آن با دیواره‌های گاید برای کنترل روغن‌کاری و جلوگیری از به هدر رفتن روغن و نیز به هدر رفتن گازها در مرحله تراکم‌، بسیار مهم است. بعضی از موتورها به درزگیر‌های راهنمای سوپاپ مجهز می‌شوند تا به کنترل این موارد کمک کنند. خراب شدن گاید سوپاپ سبب کاهش سطح روغن در موتور می‌شود. وقتی گاید سوپاپ خراب می‌شود روغنی که برای روغن‌کاری آن استفاده می‌شود به سمت کلاهک سوپاپ حرکت کرده و پس از مدتی وارد محفظه احتراق می‌شود. در نتیجه این روغن در طی عمل احتراق می‌سوزد که این یکی از منابع روغن‌سوزی در موتور است.

سیت یا نشیمنگاه و اهمیت آن: وقتی که فنر سوپاپ‌، لبه سوپاپ را در مقابل نشیمنگاه سوپاپ به طور محکم فشار دهد، آب‌بندی صورت می‌گیرد. ماشین‌کاری نشیمنگاه یا همان سیت سوپاپ ممکن است مستقیماً روی سر سیلندر و یا روی حلقه نشیمنگاهی مقاومی که در درون سر سیلندر قرار می‌گیرد و از جنس فولاد مقاوم ساخته می‌شود انجام گیرد. گاهی برای کاهش فرسودگی در نشیمنگاه‌ها از بوش‌ها استفاده می‌کنند.

مزیت دیگر بوش‌های نشیمنگاه (علاوه بر کاهش فرسودگی) این است که به آسانی قابل تعویض بوده و نیاز به ماشین کار را از بین می‌برند. لازم به ذکر است که در صورت پدیدار شدن فرسودگی در لبه سوپاپ‌ها و یا در نشیمنگاه یا همان سیت سوپاپ، هر دوی آنها را می‌توان با عملیات سنگ زنی تغییر داد. سیت‌های قابل تعویض بسیار مناسب بوده و می‌توانند موتور را همیشه در شرایط بسیار نرمال و خوبی نگه دارند.

اما در آغاز مقاله گفتیم که دلیل انتخاب عنوان این هفته را ذکر می‌کنیم. در این بخش می‌خواهیم به عمیق‌ترین بخش سوپاپ بپردازیم؛ نقطه تماس کلاهک سوپاپ با ساق آن.در حقیقت همه ما در این بخش به نظاره این ناحیه که داغ‌ترین بخش سوپاپ است می‌نشینیم.

همان طور که اشاره شد یکی از قسمت‌هایی که با حرارت زیاد تماس مستقیم دارد سوپاپ دود است. این تماس مستقیم با حرارت بالا می‌تواند در عملکرد سوپاپ و عمر مفید آن تاثیر منفی شدیدی داشته باشد، به خصوص سوپاپ دود که تماس بیشتری با حرارت دارد.

در حالت عادی بر اساس قوانین ترمودینامیک می‌توان نتیجه گرفت که جایی که سطح تماس بیشتری با سرسیلندر یا بلوک سیلندر دارد خنک‌تر می‌ماند و جایی که تماس کمتری دارد گرم‌تر می‌شود. می‌توان نتیجه گرفت که گرم ترین ناحیه سوپاپ همان قسمت مرکزی است (همان جایی که ساق سوپاپ به تاج سوپاپ متصل می‌شود).

● حال برای خنک کردن این قسمت چه راهی می‌توان پیدا کرد؟

سوپاپ‌های سدیمی یکی از بهترین راه‌های این مشکل است.

به این‌گونه که قسمت داخلی سوپاپ را تو خالی ساخته و داخلش را با نمک‌های فلزی هم مانند سدیم که دمای ذوب پایینی دارند پر می‌کنند و با اصطلاح این نوع سوپاپ ها را سدیمی می‌نامند.

سدیم در دمای ۹۷ درجه سیلیسوس به حالت مذاب در آمده و در اثر حرکت خطی رفت و برگشتی سوپاپ (و داشتن اینرسی سدیم مذاب شده) ماده سیال در داخل خود سوپاپ به بالا و پایین پریده و باعث انتقال گرمای سر سوپاپ به ساق سوپاپ می‌شود و به این ترتیب گرمای داغ‌ترین موضوع سوپاپ به سدیم مذاب و سپس به ساق سوپاپ و گاید سوپاپ و بعد به مجاری خنک کاری سرسیلندر راه پیدا می‌کند و عمر سوپاپ بیشتر می‌شود.

شاید به جرات بتوان گفت این طرح دوای درد موتور‌های تند گرد بوده که دور موتور تا حد بسیار زیادی بالامی‌رود و این بالا رفتن دور باعث کاهش یافتن فرصت خنک‌کاری در موتور و اجزا آن می‌شود. امروزه از این سوپاپ‌ها در موتورهای جدید و تولید انبوه نیز استفاده می‌شود تا بازده موتور و عمر آن افزایش یابد. شاید تنها عیب این سیستم افزایش بهای موتور در ابتدا بوده که در دراز‌مدت به راحتی جبران می‌شود.

محمدحسن اسداللهی