یک مطلب تقدیم به دوست گرامی آقای خسرو بیگی جواب ایمیل شما......
سوپاپ
بطور کلی هر چیزی که ورود و خروج چیز دیگری را کنترل کند می‌توان یک سوپاپ تلقی شود. به عنوان مثال می‌توان درهای ورودی خودکار در فروشگاههای بزرگ نام برد.
ریشه لغوی
سوپاپ یک کلمه فرانسوی (Soupape) است که در زبان ما به همان شکل اصلی استعمال می‌گردد. معنی دقیق آن دریچه است. لیکن 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 اطلاق می‌گردد.
دید کلی
هنگامی که فردی قصد ورود به فروشگاه یا خروج از آنجا را داشته باشد باز می‌شود و در زمانهای دیگر بسته می‌ماند. لازم به ذکر است که سوپاپ برای باز و بسته شدن نظم خاصی پیروی می‌کنند (در مثال مذکور عامل نظم دهنده ورود و خروخ افراد میباشد). همانگونه که می‌دانید موتوهای احتراقی جهت تولید قدرت می‌بایست بتوانند مواد سوختنی را بسوزانند و این کار را در سیلندر موتور انجام می‌دهند. و بدیهی است که برای انجام عمل سوختن به سه چیز نیاز است. ماده سوختنی ، حرارت و اکسیژن.
بنابراین می‌بایست 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 (که عمدتا آب و دی‌اکسید کربن است) به هوا برگرداند. از طرف دیگر چون تولید قدرت در موتور بدین شکل است که ابتدا می‌بایست گاز وارد شده متراکم سازند 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) کاملا بسته بود. 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 نمایند.
انواع سوپاپ‌ها
سوپاپ هوا : از لحاظ اندازه مقداری بزرگتر از سوپاپ دور است و در دمای پایین‌تری کار می‌کند.
سوپاپ دود : به علت تماس مداوم با احتراق یا گازها داغ ناشی از احتراق دمای بالاتری دارد. و البته از لحاظ اندازه هم کوچکتر است.
ساختمان سوپاپ
سوپاپ‌های متداول امروزی معمولا از نوع سوپاپ قارچی شکل یا پایه‌دار می‌باشند. این سوپاپ‌ها شامل یک ساقه (که به مشابه ساقه قارچ است) و یک سه تخت و پهن (که مشابه کلاهک قارچ) می‌باشند. همچنین سه سوپاپ دارای یک لبه مورب است که وجه نامیده می‌شود. همچنین محل قراررگیری سوپاپ که در سرسیلندر و یا خود سیلندر قرار دارد نیز دارای یک لبه به نام نشیمنگاه است.
در انتهای دیگر سوپاپ یعنی بر روی ساقه آن یک یا گاهاً دو فنر قوی قرار دارد که بوسیله یک نگهدارنده و دو عدد خار به انتهای سوپاپ محکم شده‌اند. فنر سوپاپ موجب می‌گردد تا وجه سوپاپ بر روی نشیمنگاه سوپاپ محکم نگهداشته شده و بدین ترتیب از هر گونه نشتی در زمانهای تراکم و قدرت جلوگیری شود. زاویه رایج برای وجه و نشیمنگاه سوپاپ 45 درجه است. اما برای سوپاپ‌های هوا گاهی از زاویه 30 درجه نیز استفاده می‌شود.
مواد ساختمانی و ترکیبات سوپاپ
از آنجایی که سوپاپ‌ها در مقابل حرارات زیادی قرار گرفته و با سرعت زیادی کار می‌کنند در معرض فشار و فرسودگی قابل ملاحظه‌ای قرار دارند، بدیهی است که سوپاپ تخلیه گازهای ناشی از احتراق ، داغتر از سوپاپ تنفس می‌شود، زیرا تقریبا 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.
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 نسبتا زیادی از کروم ، نیکل ، سیلیس و مقدار کمتری از سایر فلزات میباشد. سوپاپ‌های تنفس بسیار خنک‌تر از سوپاپ‌های دود ، کار می‌کند. بنابراین کمتر در معرض سوختن ، زنگ زدن و فرسودگی قرار دارند.
راهنمای سوپاپ
ساقه سوپاپ در داخل یک بوش (آستری قابل تعویض) که به آن گاید یا راهنمای سوپاپ گفته می‌شود حرکت می‌کند در تعداد معدودی از موتورهای گاید ، سوپاپ وجود ندارد جز یک سوراخ که در بدنه سیلندر یا سرسیلندر تعبیه شده است. اما در اکثر موتور خودروهای گاید قابل تعویض میباشد.
ساقه سوپاپ می بایستی در داخل راهنمای خود (گاید) به راحتی حرکت کند. اما تماس و جفت شدن آن دقیق آن با دیواره‌های گاید برای کنترل روغنکاری و جلوگیری از به هدر رفتن روغن و نیز به هدر رفتن گازها در مرحله متراکم ، بسیار مهم میباشد. بعضی از موتورها به درزگیر‌های راهنمای سوپاپ مجهز می‌شوند تا اینکه به کنترل این موارد کمک نمایند.
لقی ساق سوپاپ
در فاصله میان ساقه سوپاپ‌ها و گایدهای آنها می‌بایست یک لقی مناسب وجود داشته باشد همانگونه که ذکر شد لقی بیش از اندازه به روغن اجازه می‌دهد که به طرف پایین ساق سوپاپ ، و به درون مجاری ورودی هوا و خروجی دود جریان یابد و سبب افزایش مصرف روغن گردد.
هرچند که این لقی می‌بایست به اندازه‌ای باشد که اجازه ورود مقداری روغن را جهت روانسازی به هادی سوپاپ بدهد، لقی مذکور به علت اختلاف اندازه میان قطر ساق سوپاپ و قطر داخلی هادی سوپاپ‌ها بوجود می‌آید. قطر این قطعات و در نتیجه میزان لقی قابل قبول ساقه سوپاپ‌ها در دفترچه راهنمای سازنده مشخص شده است.
نشیمنگاه سوپاپ
وقتی که فنر سوپاپ ، لبه سوپاپ را در مقابل نشیمنگاه سوپاپ بطور محکم فشار دهد، آب بندی صورت می‌گیرد. ماشین کاری نشیمنگاه ممکن است. مستقیما روی سه سیاندر و یا روی حلقه نشیمنگاهی مقاومی که در درون سه سیلندر قرار می‌گیرد و از جنس فولاد مقاوم ساخته می‌شود انجام پذیرد. گاهی برای کاهش فرسودگی در نشیمنگاهها از بوش‌ها استفاده می‌کنند.
مزیت دیگر بوش‌های نشیمنگاه (علاوه بر کاهش فرسودگی) اینست 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 ، هر دوی آنها را می‌توان با عملیات سنگ زنی تغییر کرد، سطح تماس بین لبه سوپاپ و نشیمنگاه آن باید آنقدر پهن باشد تا اجازه انتقال گره را بدهد و آنقدر باریک باشد تا به از بین بردن رسوبات کمک کند. لازم به ذکر است که شکل هندسی صحیح لبه‌های سوپاپ‌ها و نشیمنگاهها توسط سازنده ذکر است.
طرز کار سوپاپ
همانگونه که ذکر شد سوپاپ‌ها وظیفه دارند تا در زمانهای مناسب ابتدا هوا را وارد سیلندر سازند. پس از آن در مراحل متراکم و قدرت (احتراق سوخت) بسته بمانند و سپس در مرحله تخلیه گازهای ناشی از احتراق را از سیلندر خارج کند. اما مکانیسم عمل سوپاپ چگونه است و این تنظیم زمانی و نیز نیروی محرکه سوپاپ‌ها از کجا می‌آید؟
زمانبندی کار سوپاپ‌ها
محل زمانبندی و تنظیم زمانهای باز شدن یا بسته ماندن سوپاپ‌ها را قطعه‌ای به نام میل بادامک انجام می‌هد. این میله با توجه به ساختار و شکل برجستگیهای روی آن (بادامک‌ها) تعیین می‌کند که سوپاپ‌ها می‌بایست در چه زمانی باز شده و پس از آن بسته شوند. همچنین تعیین می‌کند که بسته ماندن سوپاپ‌ها می‌بایست تاکی ادامه پیدا کند. همانگونه که ذکر شد حرکات و باز و بسته شدن سوپاپ‌ها می‌بایست کاملا هماهنگ باشد با حرکات بالا و پایین رفتن پیستون در سیلندر. برای تامین کردن این هماهنگی در ساختمان موتورها میل بادامک‌ها را در ارتباط ثابت و همیشگی با میل سنگ نگه می دارند.
از آنجا که میل لنگ تحت تاثیر حرکات بالا و پایین پیستون می‌چرخد از اینرو حرکت میل بادامک به خودی خود با حرکت پیستون هماهنگ می‌شود. این هماهنگی باعث می‌شود تا در لحظه پایین آمدن در ابتدای کورس خود ، به منظور مکش هوا به داخل سیلندر میل بادامک سوپاپ هوا را باز کند. اینکار تا زمانی ادامه می‌یابد که پیستون شروع به متراکم ساختن هوای ورودی سازد در این زمان سوپاپ هوا و سوپاپ دود هر دو بسته شده‌اند. بسته بودن سوپاپ تا پایان مرحله قدرت ادامه پیدا می‌کند در این لحظه با شروع پیستون به حرکت رو به بالای خود سوپاپ دود هم باز شده و تا رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا باز می‌ماند. پس از آن سیکل جدیدی آغاز می‌شود.
سیستم راه انداز سوپاپ
برای راه اندازی و باز بسته کردن سوپاپ‌ها در موتورهای مختلف و وابسته به نوع و ساختار آن موتورها قطعات متفاوتی وجود دارد اما بطور کلی قطعات مورد نیاز برای باز و بسته شدن صحیح سوپاپ‌ها عبارتند از میل بادامک ، بالابر ، میله فشارنده ، اسبک سوپاپ ، انگشتی سوپاپ و فنرهای سوپاپ البته محل و ترتیب سوپاپ‌ها در وجود یا عدم وجود این قطعات موثر است.
ساختمان پیستون
پیستونها به شکل یک استوانه توخالی هستند که یک سر آنها بسته و سر دیگرشان باز است که از طریق این سر و بوسیله شاتون به میل لنگ متصل می‌شود البته معمولا قطر پیستون در سر باز آن بیشتر است. به عنوان یک مثال اگر یک استکان را برگردانید تقریبا شکل کلی یک پیستون را خواهید دید.
طول پیستونها معمولا کمی بیشتر از قطرشان است و تا حد امکان سبک ساخته می‌شوند. پیستونها می‌بایست دارای استحکام لازم بوده و کیفیت بالایی داشته باشند در ضمن می‌بایست بتوانند به خوبی حرارت را هدایت کنند. هدایت حرارت در پیستون بسیار حیاتی است زیرا در غیر اینصورت پیستون بسیار داغ شده و خطر چسبیدن آن بر اثر انبساط به جداره سیلندر پیش می‌آید.
مواد ساختمانی
موادی که برای ساختن پیستونها بکار می‌روند عبارتند از چدن خاکستری ، فولاد ریخته گری ، و آلیاژ آلومینیوم. از چدن یا فولاد معمولا در ساختار پیستونهای موتورهای سنگین که به سرعت زیاد و شتاب آنی نیاز ندارند استفاده می‌شود. در اغلب موتورهای اتومبیلها از پیستونهایی استفاده می‌شود که با آلیاژ آلومینیوم ساخته شده‌اند. دلیل این تفاوت اینست که مواد بکار رفته در پیستونهای اتومبیلها با وزن سبکتر خود اجازه کار در سرعت‌های بیشتر و انعطاف پذیری در سرعت‌های مختلف را به پیستونها می‌دهند.
از طرف دیگر در بعضی از موتورهای سنگین از پیستونهای آلیاژ آلومینیومی به لحاظ داشتن خواص رسانش گرمایی مناسب این ماده استفاده می‌شود بدین ترتیب که استفاده از آن ، کنترل بهتر حرارت محفظه احتراق را فراهم آورده و بنابراین باعث کنترل بهتر احتراق می‌گردد. پیستونهای چدنی در مقابل فرسودگی مقاومت بیشتری داشته شی کمتری در داخل سیلندر نسبت به پیستونهای آلومینیومی نیاز دارند (اصطلاح لقی پیستون به فاصله میان پیستون و جداره سیلندر گفته می شود). پیستونها چدنی گاهی اوقات با قلع یا یک فلز مخصوص روکش داده می‌شوند تا جلای صاف‌تر و مقاومت بهتری در مقابل فرسودگی بوجود آورند.
عیب پیستونهای آلومینیومی
عیب مهم پیستونهای آلیاژ آلومینیومی اینست که دارای ضریب انبساط بالایی می‌باشند. این بدان معناست که لقی در این پیستون می‌بایست اندکی بیشتر از لقی در پیستونهای چدنی باشد، معمولا برای جلوگیری از انبساط پیستونها از روشهای مخصوصی استفاده می‌شود که در ذیل چهار روش رایج آنها را به اختصار می‌کنیم:
روش اول :
در این روش مقطع بدنه پیستون را به جای آنکه به شکل دایره بسازند. به شکل بیضی عمود بر محور انگشتی پیستون و قطر کوچک آن در جهت انگشتی پیستون باشد.
روش دوم :
در این روش برای کنترل کردن انبساط پیستون بر اثر حرارت یک سری شکافهای عمودی و افقی و یا فرو رفتگیهایی در بدنه پیستون ایجاد می‌گردد.
روش سوم :
در این روش برای کنترل انبساط حرارتی پیستون از روش تقویت کردن یا دو فلزی نمودن قسمتی از پیستون که در معرض حرارت بیشتری قرار دارد، استفاده می‌گردد. بدین ترتیب که در داخل پیستون نواری از فولاد یا یک فلز مخصوص (که فلز غیر قابل تغییر نامیده می‌شود) قرار می‌دهند و روی آنها را با ماده اصلی یا آلیاژ‌های آلومینیوم پوشش می‌دهند. در بعضی از پیستونها مواد فولادی بصورت حلقه‌ای در موقع ریخته گری داخل پیستون قرار می‌گیرند.
روش چهارم
در این روش برای جلوگیری از انتقال حرارت سر پیستون (که در مجاورت احتراق سوخت است) به بدنه پیستون ، یک سر حرارتی شامل شیاری است که در نزدیکی سر پیستون و به موازات شیارهای رینگ ایجاد می‌شود با این عمل تا اندازه‌ای راهی که حرارت را از سر پیستون به بدنه آن منتقل می‌سازد کمتر می‌کنند. بنابراین بدنه زیاد گرم نمی‌شود و انبساط زیادی پیدا نمی‌کند.
قسمت‌های اصلی پیستون
قسمت‌های اصلی پیستون عبارتند از سر یا تاج ، شیارهای رینگ ، سطوح پیستون ، بدنه یا دامن و سوراخ انگشتی.
سر یا تاج پیستون
این قسمت سطح بالایی پیستون است معمولا دایره‌ای شکل است و نیروی تولید شده توسط سوخت مستقیما روی آن وارد می‌شود سر بعضی از پیستونها خصوصا پیستونهای موتورهای دوزمانه و موتورهای دیزلی فرمدار ساخته می‌شود.
شیارهای رینگ
شیارهای محل قرار گرفتن رینگها در قسمت بالای پیستون می‌باشند در هر پیستون معمولا 3تا 5 شیار رینگ وجود دارد. پایین‌ترین شیارها متعلق به رینگ‌های روغن میباشد و همین دلیل در ته این شیار منافذی برای ورود روغن به داخل پیستون تعبیه شده است.
سطوح پیستونها
تکیه گاهها یا سطوح عبارتست از لبه‌هایی که بین شیارهای رینگ قرار گرفته‌اند بگونه‌ای که رینگها را در شیارهای خود نگه داشته و حمایت می‌کنند.
بدنه یا دامن پیستون
بدنه پیستون به قسمت خارجی آن گفته می‌شود که در زیر شیارهای رینگ قرار دارد. پیستون توسط بدنه در حالت راست قرار می‌گیرد.
سوراخ انگشتی
سوراخ انگشتی محلی است که شاتون بوسیله انگشتی به پیستون متصل می‌گردد. اطراف دو سوراخ انگشتی پیستون (در داخل پیستون) ضخیم‌تر ساخته شده است تا استقامت این سوراخها افزایش یابد. هر یک از این قسمت‌ها ، برجستگی انگشتی پیستون نامیده می‌شود.
طرز کار پیستون
همانگونه که ذکر شد پیستون اولین قطعه متحرک موتور است که باعث می‌شود تا انرژی آزاد شده از احتراق سوخت در دسترس قرار بگیرد. بدین منظور پیستون با حرکات خود ابتدا باعث ورود هوا و یا مخلوط هوا و سوخت به داخل سیلندر می‌شود (در هنگام حرکت به سمت پایین) ، سپس باعث فشرده شدن مخلوط مذکور می‌گردد و در ضمن به نحو رضایت بخشی از نشت کردن گازها جلوگیری می‌کند (در هنگام حرکت رو به بالا) ، پس از عمل احتراق انرژی آزاد شده توسط پیستون جذب شده و با کمک شاتون به میل لنگ منتقل می‌گردد. و در نهایت پیستون باعث بیرون راندن گازهای ناشی از احتراق از محفظه سیلندر می‌گردد.
کاربرد ویژه
از پیستون در ساختمان موتورهای احتراق خارجی و موتورهای رفت و برگشتی استفاده می‌شود.
