Xupap

Xupap, hay còn gọi là xupap hình nấm (từ tiếng Pháp: soupape, tiếng Anh: poppet valve), là một loại linh kiện trong van thường được sử dụng để kiểm soát thời gian và lưu lượng của hỗn hợp khí cháy trong động cơ.

Ứng dụng thường gặp nhất của xupap là giúp đóng–mở các cửa nạp và cửa xả trong xi lanh động cơ đốt trong. Đa các động cơ hiện đại có thiết kế sử dụng bốn xupap trên mỗi xi lanh (hai xupap nạp và hai xupap xả), hoặc ba xupap trên mỗi xi lanh (hai xupap nạp và một xupap xả). Xupap làm việc trong điều kiện khắc nghiệt do bị va đập mạnh và tiếp xúc với nhiệt độ–áp suất cao, đặc biệt là xupap xả. Do vậy, xupap thường được làm bằng thép hợp kim chịu nhiệt. Một số xupap phi kim loại được làm từ những vật liệu khác như Nylon, Polyamide-imide (Torlon), Polyetheretherketone (PEEK).

Xupap được cho là đã được phát minh vào năm 1833 bởi E.A.G. Young, một nhân viên của công ty Đường sắt Newcastle và Frenchtown (Công ty Đường sắt Newcastle và Frenchtown). Young đã được cấp bằng sáng chế nhưng mọi hồ sơ liên quan đến phát minh này đã bị mất trong vụ hỏa hoạn tại Văn phòng Bằng sáng chế vào năm 1836.

Nguyên lý vận hành

Về cơ bản, xupap hình nấm khác biệt với van trượt (van trượt) và van dao động tịnh tiến (van dao động). Thay vì trượt hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại trên mặt đế của van để mở cửa nạp-xả như hai loại van kia, xupap nâng lên từ mặt đế với chuyển động vuông góc so với mặt phẳng của cửa nạp-xả. Lợi ích chính của xupap là không có chuyển động trên mặt đế, do đó không cần sự bôi trơn.

Trong hầu hết các trường hợp, có thêm một 'xupap cân bằng' trong van tác động trực tiếp (van tác động trực tiếp). Nhờ vậy, để di chuyển đầu xupap chỉ cần ít lực tác động hơn vì các lực đều hướng ngược chiều và có độ lớn bằng nhau. Cuộn dây điện từ chỉ cần chống lại lực của lò xo xupap.

Xupap được sử dụng rộng rãi trong nhiều quy trình công nghiệp, từ kiểm soát lưu lượng trong quy trình sản xuất sữa đến cách ly không khí vô trùng trong ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, chúng nổi bật nhất là trong việc sử dụng trong động cơ đốt trong và động cơ hơi nước.

Van Presta và van Schrader được sử dụng trên lốp xe khí nén là những ví dụ của xupap. Van Presta không có lò xo và hoạt động dựa trên chênh lệch áp suất để mở và đóng khi lốp được bơm căng.

Xupap cũng được sử dụng rộng rãi trong việc phóng ngư lôi từ tàu ngầm. Nhiều hệ thống sử dụng khí nén để bắn ngư lôi ra khỏi ống phóng ngư lôi; xupap giúp thu hồi một lượng lớn không khí này (cùng với một lượng đáng kể nước biển) để giảm thiểu đám mây bong bóng có thể làm lộ vị trí của tàu ngầm.

Cấu trúc

Cấu tạo của xupap gồm ba phần chính: đầu, thân, và đuôi.

Đầu xupap

Đầu xupap (tiếng Anh: crown hoặc valve head), còn được gọi là đĩa xupap hoặc nắp xupap, có nhiệm vụ mở và đóng cửa nạp-xả trong buồng đốt của động cơ đốt trong. Mặc dù có hình dạng tương tự nhau, đầu xupap nạp thường lớn hơn so với đầu xupap xả.

Phần quan trọng nhất của đầu xupap là mặt đệm (mặt đệm) được mài góc vát nghiêng α ở bên ngoài để đảm bảo kín bệ xupap trong thân máy hoặc nắp xi lanh. Góc vát của mặt đệm α quyết định đến đặc tính dòng khí qua cửa xupap. Góc vát này được đo từ phương ngang. Góc vát phổ biến nhất là 45° vì giúp xupap tự định tâm khi đóng, đồng thời làm chặt mặt đệm vào bệ xupap. Các góc vát nhỏ hơn (30° hoặc 40°) thường được sử dụng cho xupap xả để tăng khả năng truyền nhiệt. Một số xupap xả và nạp có mặt đệm với góc vát từ 20 đến 40° giúp dòng khí đi qua mặt cạnh xupap dễ dàng hơn. Góc vát nhỏ này cũng giúp giảm sự mài mòn, làm giảm sửa chữa cơ cấu xupap (OHV hoặc OHC). Thông thường, xupap xả có góc α = 45°, trong khi xupap nạp thường có góc α từ 30° đến 45°.

Đỉnh xupap (phần mặt tiếp xúc trên cùng của đầu xupap) có nhiều hình dạng như phẳng, lồi, lõm, hoặc có rãnh nhỏ ở giữa để lắp dụng cụ mài rà khi cần thiết. Đầu xupap dạng lồi giúp xupap có độ cứng cao hơn nhưng lại nặng và bề mặt tiếp xúc dễ bị tác động bởi nhiệt độ; xupap dạng này thường được sử dụng cho xupap xả để làm sạch khí thải. Xupap dạng lõm giảm khối lượng và duy trì hình dạng dù chịu nhiệt độ cao, thích hợp cho động cơ xe đua. Đầu xupap phẳng phổ biến nhất vì cấu trúc đơn giản, dễ gia công và có tiết diện nhỏ chịu nhiệt tốt.

Thân xupap

Thân xupap (stem) có hình dạng hình trụ đặc với đường kính khoảng 0,16 đến 0,25 lần đường kính đầu xupap, chịu trách nhiệm hướng dẫn và tản nhiệt cho xupap. Trong quá trình hoạt động, thân xupap di chuyển tịnh tiến trong ống dẫn hướng xupap. Phần gần đầu xupap của thân xupap thường có nhiệt độ cao hơn, dễ gây ra hiện tượng xupap kẹt. Để tránh hiện tượng này, phần thân xupap gần đầu thường được gia công với đường kính nhỏ hơn hoặc làm đường kính ống dẫn hướng lớn hơn.

Để tăng hiệu quả tản nhiệt, một số loại xupap có thân rỗng để chứa natri; khoảng 50%–60% thể tích bên trong thân xupap là natri. Natri có nhiệt độ nóng chảy khoảng 97,79 °C, sẽ chảy khi xupap nóng lên trong quá trình vận hành và giúp truyền nhiệt từ tán xupap đến thân xupap, sau đó tản nhiệt qua ống dẫn hướng xupap. Thân xupap rỗng chứa natri có hiệu quả giảm nhiệt từ 80 °C đến 150 °C. Lưu ý rằng loại xupap chứa natri cần được xử lý cẩn thận sau khi sử dụng để tránh nguy hiểm cháy nổ khi tiếp xúc với không khí.

Đuôi xupap

Đuôi xupap là bộ phận có cấu trúc gắn đĩa giữ lò xo xupap. Đuôi xupap có nhiều thiết kế khác nhau như hình côn hoặc rãnh vòng để lắp với móng hãm xupap (collet), hoặc có lỗ để lắp chốt hãm (cotter pin). Trên xupap đặt trong cơ cấu trục cam trực tiếp như OHV, đuôi xupap thường có thiết kế ren để gắn đĩa lò xo.

Các bộ phận khác

Ngoài xupap, còn có những chi tiết khác như bệ đỡ xupap, ống dẫn hướng, lò xo, đệm xupap để hỗ trợ và đảm bảo chức năng của xupap.

Bệ đỡ xupap, hay còn gọi là đế xupap, là phần được gắn vào thân máy hoặc nắp xi lanh để xupap hoạt động mượt mà và đảm bảo kín khít khi đóng.

Ống dẫn hướng xupap, còn gọi là bạc dẫn hướng xupap, giữ cho xupap di chuyển một cách trơn tru trong thân máy hoặc nắp xi lanh, đảm bảo vị trí và hạn chế ma sát.

Lò xo xupap đảm bảo xupap hoạt động chính xác trong các giai đoạn nén và xả của động cơ đốt trong, ngăn ngừa hư hỏng do tải trọng đột ngột và lực quán tính.

Đệm xupap giúp bảo vệ buồng đốt và điều hòa nhiệt độ trong quá trình hoạt động của xupap, đặc biệt là trên nắp xi lanh hợp kim nhôm.

Vật liệu sử dụng cho xupap

Xupap hoạt động trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao, đặc biệt là xupap xả có thể tiếp xúc với nhiệt độ lên đến 900 °C, trong khi xupap nạp làm mát bằng khí mới với nhiệt độ khoảng 550 °C. Ngoài ra, xupap chịu tác động từ lực quán tính và môi trường ăn mòn.

Để đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt này, xupap thường được làm từ thép hợp kim chịu nhiệt và được mạ hợp kim coban để chống ăn mòn. Ngoài ra, có những loại xupap không kim loại được làm từ các vật liệu như Nylon, Torlon, PEEK.

Các bộ phận khác của xupap được sản xuất từ nhiều loại vật liệu khác nhau như gang xám, gang trắng, thép hợp kim, đồng thanh, v.v. Lò xo xupap thường được làm từ dây thép hợp kim có thành phần silic, crom. Đệm xupap trong động cơ hiện đại thường được làm từ gang xám hoặc thép luyện nhiệt.

Ghi chú

Liên kết bên ngoài

• Động cơ đốt trong loại pít tông – Thuật ngữ về các bộ phận và hệ thống – Phần 3: Xupáp, truyền động trục cam và cơ cấu chấp hành TCVN 8273-3:2016. ISO 7967-3:2010
• Poppet valve (thiết bị cơ khí) tại Encyclopædia Britannica (bằng tiếng Anh)