Trong kết cấu của một động cơ ô tô, piston là bộ phận có vai trò đặc biệt quan trọng – nơi bắt đầu chu trình biến nhiên liệu thành chuyển động. Vậy piston hoạt động như thế nào, được làm từ vật liệu gì và có những dạng thiết kế nào? Hãy cùng VATC tìm hiểu kỹ hơn về piston động cơ qua bài viết dưới đây.
1. Giới thiệu chung
Piston (còn được gọi trong tiếng lóng là quả piston hay trái piston) là một bộ phận của động cơ, máy bơm dạng piston, xi-lanh.
Đối với động cơ đốt trong, piston có nhiệm vụ cùng với
Xi-lanh và nắp máy tạo thành buồng đốt. Piston nhận áp suất do sự giãn nở của khí cháy rồi truyền lực cho trục khuỷu để sinh công trong quá trình nổ và nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải (động cơ đốt trong 4 thì), ở động cơ đốt trong 2 thì piston còn thực hiện chức năng làm xupap đóng mở cửa hút và cửa xả. Trong máy bơm, piston làm nhiệm vụ đẩy, hút chất lỏng.
Tất cả công suất động cơ được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trộn với không khí trong buồng đốt. Nhiệt từ quá trình đốt cháy làm cho khí cháy tăng áp suất. Lực của áp suất này được chuyển đổi thành công việc hữu ích thông qua piston, thanh nối và trục khuỷu. Do đó, piston phục vụ ba mục đích.
Chuyển lực. piston truyền lực đốt cháy đến trục khuỷu thông qua thanh nối.
Bịt kín buồng đốt. Các bạc xéc-măng và piston bịt kín khí nén trong hành trình nén và khí đốt trên hành trình công suất.
Dẫn nhiệt. piston truyền nhiệt từ buồng đốt đến thành xi lanh thông qua các bạc xéc-măng và đến dầu động cơ thông qua piston.
2. Các bộ phận liên quan đến piston
Piston được gắn vào thanh truyền bằng chốt piston, còn được gọi là chốt cổ tay. Chốt piston được phép có chuyển động lắc lư do khớp xoay ở đầu piston của thanh truyền. Trục khuỷu thay đổi chuyển động lên xuống (tịnh tiến) của piston thành chuyển động quay. Thanh nối được kết nối với một phần của trục khuỷu được gọi là đai tay quay, chốt khuỷu hoặc ổ trục.
Vòng piston bịt kín khoảng trống nhỏ giữa piston và thành xi lanh, giữ áp suất trên piston. Khi áp suất tích tụ trong buồng đốt, nó sẽ đẩy piston, piston đẩy chốt piston và đầu trên của thanh truyền. Đầu dưới của thanh truyền đẩy tay quay. Điều này cung cấp lực để quay trục khuỷu. Khi trục khuỷu quay, nó phát triển quán tính. Quán tính là lực
3. Vận hành piston
Khi động cơ đang chạy, piston khởi động ở trên cùng của xi lanh. Khi nó di chuyển xuống dưới, nó tăng tốc cho đến khi đạt đến vận tốc cực đại một chút trước khi nó đi xuống nửa chặng đường. Piston dừng lại ở đáy xi lanh ở góc quay trục khuỷu 180 độ.
Trong vòng quay trục khuỷu 180 độ tiếp theo, piston di chuyển lên trên. Nó tăng tốc để đạt vận tốc tối đa cao hơn một chút so với nửa chặng đường và sau đó dừng lại ở đầu hành trình. Do đó, piston khởi động, tăng tốc và dừng hai lần trong mỗi vòng quay trục khuỷu.
Hành động tịnh tiến này của piston tạo ra lực quán tính lớn. Quán tính là lực làm cho một bộ phận bị dừng lại dừng lại hoặc một bộ phận đang chuyển động vẫn chuyển động. piston càng nhẹ thì lực quán tính càng ít phát triển. Quán tính ít hơn sẽ cho phép tốc độ hoạt động của động cơ cao hơn.
Vì lý do này, các piston được chế tạo càng nhẹ càng tốt trong khi vẫn có sức mạnh cần thiết. piston hoạt động với phần trên hoặc đầu của nó tiếp xúc với khí đốt nóng, trong khi váy tiếp xúc với thành xi lanh tương đối lạnh. Điều này dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ khoảng 275 ° F (147 ° C) giữa mặt trên và dưới cùng của piston.
4. Thi công, chế tạo piston
Rảnh bạc xéc-măng:
- Các rãnh bạc xéc-măng được đặt ở giữa đầu piston và váy. Chiều rộng của các rãnh, chiều rộng của đất giữa các rãnh vòng và số lượng vòng là những yếu tố chính trong việc xác định chiều cao piston tối thiểu. Đường kính ngoài của đất khoảng 0,02 đến 0,04 in. (0,5 đến 1 mm) nhỏ hơn đường kính váy.
Piston đúc:
- Piston nhôm đúc thường được chế tạo bằng cách sử dụng đúc trọng lực. Trong quá trình này, hợp kim nhôm nóng chảy và khoảng 10% silicon được đổ vào khuôn. Silicon được sử dụng để tăng độ bền và giúp kiểm soát sự giãn nở của piston khi nó nóng. Các kim loại khác được sử dụng trong hợp kim nhôm bao gồm đồng, niken, mangan và magie.
Piston hypereutectic:
- Một piston nhôm đúc tiêu chuẩn chứa khoảng 9% đến 12% silicon và được gọi là piston eutectic. Để tăng thêm công suất, hàm lượng silicon được tăng lên khoảng 16% và piston thu được được gọi là piston hypereutectic. Các ưu điểm khác của piston hypereutectic là giảm 25% trọng lượng và tốc độ giãn nở thấp hơn.
- Nhược điểm của piston hypereutectic là giá thành cao hơn, vì chúng khó đúc và gia công hơn. piston siêu eutectic thường được sử dụng trong thị trường hậu mãi và làm thiết bị ban đầu trong nhiều động cơ tăng áp và tăng áp.
Piston rèn:
- Động cơ hiệu suất cao cần piston có thêm sức mạnh. piston rèn có cấu trúc hạt dày đặc và rất chắc chắn. piston rèn thường được sử dụng trong động cơ tăng áp hoặc tăng áp. Bởi vì piston rèn ít xốp hơn piston đúc, chúng dẫn nhiệt nhanh hơn. piston rèn thường chạy mát hơn khoảng 20% so với piston đúc.
Thi công thiết kế đầu piston:
- Bởi vì đầu piston tạo thành một phần của buồng đốt, hình dạng của nó rất quan trọng đối với quá trình đốt cháy. Nhiều động cơ mới hơn có piston phẳng. Một số piston mặt phẳng này đến gần đầu xi lanh đến mức các hốc được cắt ở đỉnh piston để có khe hở xu-páp. piston được sử dụng trong động cơ công suất cao có thể có mái vòm hoặc cửa sổ bật lên trên.
CHÚ Ý: Các động cơ đời mới không sử dụng rãnh xu-páp(valve reliefs) vì điều này đòi hỏi phần đỉnh của piston phải dày hơn để đảm bảo đủ độ bền cần thiết. Đỉnh piston càng dày thì rãnh xéc-măng trên cùng sẽ càng nằm thấp hơn so với đỉnh piston. Để giảm lượng khí thải hydrocacbon (HC) chưa cháy, các kỹ sư cố gắng đặt xéc-măng trên cùng càng gần với đỉnh piston càng tốt nhằm ngăn nhiên liệu không cháy bị giữ lại giữa đỉnh piston và xéc-măng trên cùng.
Các hốc lõm được gia công hoặc đúc vào đỉnh piston để tạo khoảng trống cho xupap thường được gọi là:
- Eyebrows: Lõm mắt (dạng lõm hình cong như lông mày)
- Valve reliefs: Hốc xupap (khoảng hở xupap)
- Valve pockets: Khoang xupáp
- Độ sâu của các lõm mắt (eyebrows) có ảnh hưởng lớn đến tỷ số nén và rất cần thiết để tạo khoảng trống cho xupáp nếu dây curoa cam hoặc xích cam của trục cam gãy. Nếu không có các lõm này, piston có thể va chạm vào xupap khi piston lên đến điểm chết trên (DCT), trong trường hợp xupap không đóng đúng lúc do trục cam không quay. Nếu động cơ được thiết kế không cho piston chạm vào xupap, thì khi dây curoa hoặc xích cam bị đứt, piston sẽ không gây hư hỏng.
Piston váy trượt:
Một piston có thiết kế váy trượt (slipper skirt) ngắn hơn ở hai bên không phải là bề mặt chịu lực đẩy (thrust surfaces). Các ưu điểm của thiết kế piston váy trượt bao gồm:
- Trọng lượng nhẹ hơn.
- Cho phép chiều cao tổng thể của động cơ ngắn hơn, vì các đối trọng của trục khuỷu có thể tiến sát hơn đến piston khi piston ở điểm thấp nhất của hành trình.
Piston được mài theo biên dạng cam:
Piston bằng nhôm giãn nở khi nóng lên. Một phương pháp kiểm soát sự giãn nở được phát triển bằng cách sử dụng váy piston được mài theo biên dạng cam (cam ground). Với thiết kế này, các bề mặt chịu lực đẩy của piston khớp sát với xi-lanh, trong khi đường kính bệ chốt piston được lắp lỏng hơn. Khi piston mài theo biên dạng cam nóng lên, nó sẽ giãn nở.
Hoàn thiện bề mặt piston:
- Lớp hoàn thiện trên váy piston thay đổi tùy theo nhà sản xuất, nhưng tất cả đều được thiết kế để giúp giảm hiện tượng mài mòn (scuffing).
- Scuffing là hiện tượng xảy ra khi kim loại của piston thực sự tiếp xúc với thành xi-lanh.
- Khi piston dừng lại ở điểm trên cùng của xi-lanh, hiện tượng hàn hoặc chuyển kim loại từ phần này sang phần khác có thể xảy ra.
- Hiện tượng scuffing có thể được giảm bằng cách phủ bề mặt váy piston một lớp mỏng 0.0005 in. (0.0125 mm) titan hoặc lớp phủ moly (molybdenum) hoặc than chì.
Kích thước đầu piston:
- Phần đỉnh (top) hay đầu piston có đường kính nhỏ hơn phần còn lại của piston. Phần đầu piston chịu tác động nhiệt nhiều nhất nên có xu hướng giãn nở nhiều hơn so với các phần khác của piston.
- Hầu hết các piston đều có các rãnh tách ngang đóng vai trò như đế nhiệt (heat dams). Các rãnh này giúp giảm truyền nhiệt từ phần đầu piston nóng sang váy piston bên dưới. Điều này giúp váy piston giữ được nhiệt độ thấp hơn, từ đó giảm sự giãn nở. Khi rãnh này được đặt tại rãnh xéc-măng dầu, nó cũng có thể được sử dụng để dẫn dầu trở lại và kiểm soát giãn nở.
Chốt tăng cứng cho piston:
Một bước phát triển quan trọng trong việc kiểm soát sự giãn nở xảy ra khi nhôm piston được đúc xung quanh hai gân thép cứng (struts).
- Các chốt này tăng độ bền cho piston tại khu vực chốt piston – nơi cần thêm độ cứng.
- Gân cũng giúp kiểm soát sự giãn nở nhiệt.
- Piston có gân thép tăng cứng giúp đảm bảo khe hở tốt giữa piston và xi-lanh ở nhiệt độ bình thường. Đồng thời, chúng cho phép khe hở vận hành ở trạng thái nguội có thể nhỏ tới 0.0005 in. (0.0127 mm). Khe hở nhỏ này giúp ngăn ngừa hiện tượng piston gõ thành xi-lanh và gây tiếng ồn.
Chốt piston:
- Chốt piston được dùng để gắn piston với tay biên. Chốt piston còn được gọi là chốt cổ tay (wrist pins) hoặc chốt gudgeon (gudgeon pins) – một thuật ngữ thường dùng ở Anh.
Chốt piston có nhiệm vụ truyền lực do piston sinh ra… - Áp suất buồng đốt và quán tính piston với thanh truyền. Chốt piston được làm từ thép cao cấp có hình dạng ống giúp vừa chắc vừa nhẹ. Đôi khi, lỗ bên trong của chốt piston thuôn nhọn nên nó lớn ở hai đầu và nhỏ ở giữa chốt. Điều này mang lại độ bền của chốt tỷ lệ thuận với vị trí của tải trọng đặt lên nó. Một lỗ côn kép như thế này đắt hơn để sản xuất, vì vậy nó chỉ được sử dụng khi lợi thế trọng lượng của nó xứng đáng với chi phí bổ sung.
Vị trí chốt piston:
- Một số lỗ chốt piston không chính giữa piston. Chúng nằm về phía bề mặt lực đẩy chính, gần 0,062 in. (1,57 mm) tính từ đường tâm piston.
Lực đẩy phụ:
Mặt lực đẩy nhỏ của đầu piston có diện tích lớn hơn mặt chính. Điều này là do pin offset. Khi piston di chuyển lên trong xi lanh trên hành trình cấu trúc, nó sẽ đi ngược lại bề mặt lực đẩy nhỏ. Khi áp suất nén trở nên đủ cao, diện tích đầu lớn hơn ở phía phụ khiến piston hơi nghiêng trong xi lanh. Điều này giữ cho phần trên của bề mặt lực đẩy nhỏ trên xi lanh. Nó buộc đáy của bề mặt lực đẩy chính tiếp xúc với thành xi lanh. Khi piston tiếp cận tâm trên cùng, cả hai bề mặt lực đẩy đều tiếp xúc với thành hình trụ.
Lực đẩy chính:
- Khi trục khuỷu vượt qua tâm trên cùng, lực tác dụng lên thanh nối sẽ di chuyển toàn bộ piston về phía bề mặt lực đẩy chính. Phần dưới của bề mặt lực đẩy đã tiếp xúc với thành xi lanh. Phần còn lại của váy piston trượt vào tiếp xúc hoàn toàn ngay sau điểm giao nhau, do đó kiểm soát cú tát của piston. Hoạt động này được minh họa trong.
- Lệch piston về phía bề mặt lực đẩy nhỏ sẽ mang lại lợi thế cơ học tốt hơn. Nó cũng sẽ gây ra ít ma sát giữa piston với xi lanh hơn và làm tăng tiếng ồn của piston. Đối với những con trai này, độ lệch thường được đặt về phía bề mặt lực đẩy nhỏ trong động cơ đua. Tiếng ồn và độ bền không quan trọng trong động cơ đua bằng hiệu suất tối đa.
Piston hoàn thiện
- Hoàn thiện và kích thước của chốt piston được kiểm soát chặt chẽ. Chốt piston có lớp hoàn thiện mịn, giống như gương. Kích thước của chúng được giữ ở hàng chục phần nghìn inch để có thể duy trì sự vừa vặn chính xác. Nếu chốt piston bị lỏng trong piston hoặc trong thanh truyền, nó sẽ phát ra âm thanh khi động cơ đang chạy. Điều này thường được mô tả là một cú gõ kép. Tiếng ồn được tạo ra khi piston dừng lại ở tâm chết trên và xảy ra một lần nữa khi nó bắt đầu di chuyển xuống phường, tạo ra tiếng gõ kép hoặc tiếng lạch cạch.
- Nếu chốt piston quá chặt trong piston, nó sẽ hạn chế sự giãn nở của piston dọc theo đường kính chốt và dẫn đến trầy xước piston. Khe hở chốt piston bình thường nằm trong khoảng từ 0,0005 đến 0,0007 in (0,0126 đến 0,018 mm).
Trên đây là toàn bộ thông tin về piston (pít-tông) động cơ trên ô tô mà trung tâm VATC gửi đến bạn. Hy vọng bạn đã có thêm cho mình kiến thức hay trong ngày.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
