صمام بوبيت

صمامات ذات زنبركات، وحلقات تثبيت ساق الصمام، وأختام زيتية.

في محركات الاحتراق الداخلي ، صمام البوبيت (يسمى أحيانًا صمام الفطر ^{[ 1 ]} ) هو صمام يستخدم عادة للتحكم في توقيت وكمية تدفق البنزين (الغاز) أو البخار إلى داخل أو خارج المحرك، ولكن له العديد من التطبيقات الأخرى.

يتكون الصمام من فتحة أو حجرة مفتوحة الطرفين، عادةً ما تكون مستديرة أو بيضاوية الشكل في المقطع العرضي، وسدادة، عادةً ما تكون قرصية الشكل، في نهاية عمود يُعرف بساق الصمام. يتم شحذ الطرف العامل لهذه السدادة، وهو سطح الصمام، بزاوية 45 درجة لإحكام إغلاقه مع مقعد الصمام المقابل المشحوذ في حافة الحجرة المراد إحكام إغلاقها. يتحرك العمود عبر دليل الصمام للحفاظ على محاذاته.

يمكن أن يؤثر فرق الضغط على جانبي الصمام إيجاباً أو سلباً على أدائه. ففي تطبيقات العادم، يساعد الضغط المرتفع على الصمام في إحكام إغلاقه، بينما في تطبيقات السحب ، يساعد الضغط المنخفض في فتحه.

تتشابه كلمة " poppet " في أصلها اللغوي مع كلمة " puppet ": فهي مشتقة من الكلمة الإنجليزية الوسطى "popet " (وتعني "شاب" أو "دمية")، من الكلمة الفرنسية الوسطى " poupette "، وهي تصغير لكلمة " poupée ". ويأتي استخدام كلمة "poppet " لوصف الصمام من نفس الكلمة المستخدمة لوصف الدمى المتحركة (marionettes )، التي تتحرك، مثل صمام "poppet"، استجابةً لحركة عن بُعد تنتقل بشكل خطي. ^{[ 2 ] [ 3 ]} في الماضي، كان مصطلح "puppet valve" مرادفًا لمصطلح "poppet valve " ؛ ^{[ 4 ] [ 5 ]} إلا أن هذا الاستخدام لكلمة "puppet" أصبح الآن قديمًا.

يختلف صمام البوبيت عن كل من الصمامات المنزلقة والمتذبذبة. فبدلاً من الانزلاق أو التأرجح فوق مقعد لكشف منفذ، يرتفع صمام البوبيت عن المقعد بحركة عمودية على مستوى المنفذ. وتتمثل الميزة الرئيسية لصمام البوبيت في أنه لا يتحرك على المقعد، وبالتالي لا يحتاج إلى تزييت. ^{[ 6 ]}

في معظم الحالات، يُعدّ وجود صمام متوازن في الصمام ذي الفعل المباشر مفيدًا. إذ تقلّ القوة اللازمة لتحريك الصمام لأن جميع القوى المؤثرة عليه تُعادلها قوى مساوية ومعاكسة. ولا يتعيّن على ملف اللولب سوى مقاومة قوة الزنبرك. ^{[ 7 ]}

تُعرف صمامات البوبيت بشكل أساسي باستخدامها في محركات الاحتراق الداخلي ومحركات البخار، ولكنها تُستخدم أيضًا في الدوائر الهوائية والهيدروليكية العامة حيث يُراد التحكم في التدفق النبضي. ويمكن التحكم في النبضة من خلال مزيج من فرق الضغط وحمل الزنبرك حسب الحاجة.

تُعد صمامات بريستا وشريدر المستخدمة في الإطارات الهوائية أمثلة على صمامات البوبيت. لا يحتوي صمام بريستا على زنبرك، ويعتمد على فرق الضغط لفتحه وإغلاقه أثناء النفخ.

تُستخدم صمامات البوبيت على نطاق واسع في إطلاق الطوربيدات من الغواصات . تستخدم العديد من الأنظمة الهواء المضغوط لدفع الطوربيد من الأنبوب ، ويستعيد صمام البوبيت كمية كبيرة من هذا الهواء (إلى جانب كمية كبيرة من مياه البحر) لتقليل سحابة الفقاعات التي قد تكشف موقع الغواصة المغمورة. ^{[ 8 ]}

تُستخدم صمامات البوبيت في معظم محركات المكابس للتحكم في تدفق غازات السحب والعادم عبر رأس الأسطوانة إلى غرفة الاحتراق . يكون جانب صمام البوبيت الموجود داخل غرفة الاحتراق عبارة عن قرص مسطح، بينما يتناقص حجم الجانب الآخر تدريجيًا من شكل القرص إلى قضيب أسطواني رفيع يُسمى "ساق الصمام".

عدد الصمامات وموقعها

محرك ذو صمامات جانبية (الصمام موضح باللون الأزرق الفاتح)

محرك ذو عمود كامات علوي

في محركات الصمامات الجانبية المبكرة (وتُسمى أيضًا محركات L-head )، كانت الصمامات تقع بجانب الأسطوانة (أو الأسطوانات) في وضعية "مقلوبة" موازية لها. ^{[ 11 ]} ورغم أن هذا التصميم سهّل عملية التصنيع وخفض تكلفتها، إلا أن مسار غازات السحب والعادم الملتوي كان له عيوب كبيرة على تدفق الهواء، مما حدّ من سرعة دوران المحرك ^{[ 12 ]} وقد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة كتلة المحرك تحت الأحمال الثقيلة المستمرة. تطور تصميم الصمامات الجانبية إلى محرك السحب فوق العادم (IOE) ، المستخدم في العديد من الدراجات النارية المبكرة وعدد من السيارات. في محرك IOE، تقع صمامات السحب مباشرة فوق الأسطوانة (كما هو الحال في محركات الصمامات العلوية اللاحقة )، بينما يبقى صمام العادم بجانب الأسطوانة في وضعية مقلوبة.

استُبدلت هذه التصاميم إلى حد كبير بمحركات الصمامات العلوية (OHV) بين عامي 1904 وأواخر الستينيات/أوائل إلى منتصف السبعينيات، حيث يقع صماما السحب والعادم مباشرةً فوق الأسطوانة (مع وجود عمود الكامات في أسفل المحرك). وبدورها، استُبدلت محركات OHV إلى حد كبير بمحركات عمود الكامات العلوي (OHC) بين الخمسينيات والثمانينيات. يتشابه موقع الصمامات بشكل عام بين محركات OHV وOHC، إلا أن محركات OHC تتميز بوجود عمود الكامات في أعلى المحرك مع الصمامات، وغالبًا ما تحتوي على عدد أكبر من الصمامات لكل أسطوانة. تحتوي معظم محركات OHC على صمام سحب إضافي وصمام عادم إضافي لكل أسطوانة (رأس أسطوانة بأربعة صمامات)، مقارنةً بتصميم صمامين لكل أسطوانة المستخدم في معظم محركات OHV. مع ذلك، استخدمت بعض محركات OHC ثلاثة أو خمسة صمامات لكل أسطوانة.

كان جيمس وات يستخدم صمامات دوارة للتحكم في تدفق البخار إلى أسطوانات محركاته الشعاعية في سبعينيات القرن الثامن عشر. ويمكن الاطلاع على رسم توضيحي مقطعي لمحرك وات الشعاعي لعام 1774 باستخدام هذه الآلية في كتاب ثورستون 1878:98، ^{[ 13 ]} كما يقدم لاردنر (1840) وصفًا مصورًا لاستخدام وات للصمام الدوار. ^{[ 14 ]}

عند استخدامها في تطبيقات الضغط العالي، كصمامات دخول في محركات البخار مثلاً، فإن الضغط نفسه الذي يُساعد على إحكام إغلاق صمامات البوبيت يُساهم بشكل كبير في القوة اللازمة لفتحها. وقد أدى ذلك إلى تطوير صمام البوبيت المتوازن أو صمام الضربة المزدوجة ، حيث يتحرك سدادتان للصمام على ساق مشتركة، ويُوازن الضغط على إحداهما الضغط على الأخرى إلى حد كبير. ^{[ 15 ] [ 16 ]} في هذه الصمامات، تُحدد القوة اللازمة لفتح الصمام بالضغط والفرق بين مساحتي فتحتي الصمام. حصل سيكلز على براءة اختراع لآلية صمام لصمامات البوبيت ذات الضربة المزدوجة عام 1842. ونُشرت انتقادات في مجلة ساينس عام 1889 لصمامات البوبيت المتوازنة (التي أطلق عليها المقال اسم "صمام البوبيت المزدوج أو المتوازن أو الأمريكي") المستخدمة في محركات سفن البخار ذات العجلات، حيث ذُكر أنها بطبيعتها تُسرّب بنسبة 15%. ^{[ 17 ]}

استُخدمت صمامات البوبيت في قاطرات البخار ، وغالبًا ما تُستخدم مع أجهزة صمامات لينتز أو كابروتي . ومن الأمثلة البريطانية على ذلك:

• فئة LNER B12
• فئة LNER D49
• فئة LNER P2
• قاطرة ستانير من الفئة الخامسة LMS 4-6-0
• الفئة القياسية BR 5
• قطار دوق غلوستر رقم 71000 من الفئة 8 القياسية التابعة لشركة السكك الحديدية البريطانية .

استخدمت شركة سينتينل واجن ووركس صمامات ذات أذرع في عرباتها البخارية وقاطراتها البخارية. وكان يتم عكس اتجاه الحركة بواسطة نظام عمود كامات منزلق بسيط .

استخدمت العديد من القاطرات في فرنسا، وخاصة تلك التي أعيد بناؤها وفقًا لتصميمات أندريه شابيلون، مثل SNCF 240P ، صمامات Lentz ذات الكامة المتذبذبة، والتي تم تشغيلها بواسطة آلية صمام Walschaert التي كانت القاطرات مجهزة بها بالفعل.

استُخدم صمام البوبيت أيضًا في قاطرات T1 المزدوجة التابعة لسكك حديد بنسلفانيا الأمريكية ، على الرغم من أن هذه الصمامات كانت تتعطل بشكل متكرر نظرًا لتشغيل القاطرات بسرعات تتجاوز 160 كم/ساعة (100 ميل/ساعة) ، ولم تكن هذه الصمامات مصممة لتحمل ضغوط هذه السرعات. كما أن صمامات البوبيت كانت تُصدر صوتًا مميزًا يشبه صوت النفخ.  

اخترع الأمريكي إي. إيه. جي. يونغ، من شركة سكة حديد نيوكاسل وفرينشتاون ، تصميمًا واحدًا لصمام بوبيت في عام 1833. وقد حصل يونغ على براءة اختراع لفكرته، لكن حريق مكتب براءات الاختراع الأمريكي عام 1836 دمر جميع سجلاتها. ^{[ 18 ]}