Engine Piston – Piston Động cơ đốt trong

Piston là một thành phần của động cơ Piston, máy bơm Piston, máy nén khí, xi lanh thủy lực và xi lanh khí nén, trong số các cơ chế tương tự khác. Nó là bộ phận chuyển động được chứa trong xi lanh và được làm kín khí bằng các vòng piston (xéc măng). Trong động cơ, mục đích của nó là truyền lực từ khí giãn nở trong xi lanh đến trục khuỷu thông qua thanh truyền. Trong máy bơm, chức năng được đảo ngược và lực được truyền từ trục khuỷu đến pít-tông nhằm mục đích nén hoặc đẩy chất lỏng trong xi-lanh. Trong một số động cơ, pít-tông cũng hoạt động như một van bằng cách che và mở các cổng trong xi-lanh (động cơ 2 kỳ)

Pít-tông là một thành phần của động cơ đốt trong. Chức năng chính của pít-tông là biến đổi áp suất do hỗn hợp nhiên liệu không khí đang cháy tạo ra thành lực tác động lên trục khuỷu. Pít-tông là một bộ phận dẫn động của trục khuỷu (còn gọi là cơ cấu khuỷu trục thanh truyền), được cấu tạo từ các bộ phận sau:

Ngoài ra còn có các chức năng động cơ thứ cấp được thực hiện bởi piston:

• Góp phần tản nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy
• Đảm bảo làm kín buồng đốt, chống rò rỉ khí và dầu thấm vào buồng đốt
• Dẫn hướng chuyển động của thanh nối
• Đảm bảo sự thay đổi khí liên tục trong buồng đốt
• Tạo ra thể tích biến thiên trong buồng đốt

Các thành phần của Piston

Hình dạng của piston phụ thuộc chủ yếu vào loại động cơ đốt trong. Các pít-tông của động cơ xăng có xu hướng nhẹ hơn và ngắn hơn so với các pít-tông của động cơ diesel. Hình học pít-tông có nhiều điểm phức tạp, do sự phức tạp của môi trường làm việc của nó, nhưng chúng ta thấy các bộ phận chính của pít-tông là:

• Đầu pít-tông hay còn gọi là đỉnh: là phần trên của pít-tông tiếp xúc với áp suất khí trong buồng đốt
• Xéc măng: là phần trên-giữa của pít-tông
• Vấu chốt piston: là phần giữa dưới của pít-tông chứa chốt pít-tông
• Váy piston: là diện tích phía dưới vành vòng xéc măng

Piston được nối với thanh truyền thông qua chốt piston. Chốt cho phép pít-tông quay quanh trục chốt. Chốt được giữ cố định trong pít-tông bằng kẹp giữ chốt.

Sau đỉnh piston là rãnh xéc măng chứa các xéc măng. Hầu hết các piston đều có 3 rãnh xéc măng, xéc măng trên cùng là xéc măng khí (xéc măng nén), xec măng ở giữa là xéc măng trung gian (Scraper), xéc măng dưới cùng là xéc măng dầu. Xéc măng khí có tác dụng bịt kín buồng đốt, ngăn chặn khí thoát vào các te. Xéc măng dầu giúp loại bỏ, chặn dầu từ các te vào buồng đốt. Xéc măng trung gian có vai trò kết hợp đảm bảo kín khí và chặn dầu tối ưu.

Váy pít-tông giữ cho pít-tông cân bằng bên trong xi-lanh. Nó thường được phủ bằng vật liệu ma sát thấp để giảm tổn thất do ma sát. Lỗ chốt pít-tông chứa chốt pít-tông, chốt này kết nối pít-tông với thanh truyền.

Đặc trưng hình học Piston

Pít-tông cần hoạt động bình thường trong nhiều dải nhiệt độ, từ -30 °C đến 300-400 °C. Đồng thời cần phải đủ nhẹ để có quán tính thấp và cho phép tốc độ động cơ cao.

Piston hình Oval

Do quá trình đốt cháy, nhiệt độ bên trong xi-lanh động cơ lên tới hàng trăm độ C. Pít-tông là một trong những bộ phận chính hấp thụ một phần nhiệt sinh ra và phân tán nó vào dầu động cơ. Vì trục chốt pít-tông chứa nhiều vật liệu hơn trục váy, nên sự giãn nở nhiệt dọc theo trục chốt cao hơn một chút so với sự giãn nở nhiệt dọc theo trục váy. Vì lý do này, pít-tông có hình bầu dục, đường kính dọc theo trục chốt nhỏ hơn từ 0,3-0,8 % so với đường kính dọc theo trục váy.

Piston hình nón

Hình dạng của piston không phải là một hình trụ hoàn hảo. Ở nhiệt độ thấp, khe hở giữa pít-tông và xi-lanh động cơ cao hơn so với nhiệt độ cao. Ngoài ra, khe hở không cố định dọc theo chiều dài của pít-tông, nó nhỏ hơn xung quanh đỉnh pít-tông so với vùng váy pít-tông. Điều này cho phép đầu pít-tông giãn nở nhiệt nhiều hơn, vì nó chứa nhiều thể tích kim loại hơn.

Độ lệch chốt pít-tông

Chuyển động của pít-tông bên trong xi lanh có 3 bậc tự do, 1 bậc chính và 2 bậc thứ cấp:

• Dọc theo trục thẳng đứng của xi lanh, giữa điểm chết trên (TDC) và điểm chết dưới (BDC) (chính, trục y)
• Xung quanh trục chốt (thứ cấp, góc α)
• Dọc theo trục váy (phụ, trục x)

Chuyển động chính tạo ra mô-men xoắn ở trục khuỷu, điều này được mong muốn từ quan điểm cơ học. Các chuyển động thứ cấp xảy ra do sự kết hợp của một số yếu tố: chuyển động hai chiều của thanh truyền và khe hở giữa pít-tông và xi-lanh. Cả hai chuyển động thứ cấp đều gây ra ma sát với thành xi lanh và gây ra tiếng ồn, độ rung (tiếng vỗ của pít-tông).

Khi quay trục khuỷu theo chiều kim đồng hồ, phía bên trái của xi lanh được gọi là phía đẩy (TS) và phía đối diện được gọi là phía chống lực đẩy (ATS). Tác động của pít-tông có thể xảy ra ở hai bên của xi-lanh. Tiếng vỗ pít-tông kích thích khối động cơ và biểu hiện dưới dạng rung động bề mặt, cuối cùng được phát ra dưới dạng tiếng ồn ở vùng lân cận động cơ. Một điều bất tiện khác là khi pít-tông di chuyển qua TDC và BTC, tải trọng tăng lên được tạo ra trên trục khuỷu, do pít-tông thẳng hàng với tâm quay của trục khuỷu.

Độ lệch chốt pít-tông là độ lệch giữa tâm lỗ chốt pít-tông và tâm trục khuỷu. Bằng cách đưa nó vào thiết kế, nó cải thiện đặc tính tiếng ồn của động cơ do pít-tông đập tại TDC. Đây là mối quan tâm lớn của NVH (độ rung và tiếng ồn – noise vibration and harshness) đối với các kỹ sư sản xuất, những người muốn loại bỏ tiếng ồn đáng báo động ở bất cứ đâu họ có thể. Lý do thứ hai là cải thiện công suất động cơ bằng cách giảm ma sát bên trong TS và ATS.

Độ lệch của chốt làm giảm ứng suất cơ học gây ra trong thanh truyền, khi nó đạt đến TDC hoặc BDC, bởi vì thanh truyền không phải đóng pít-tông theo hướng ngược lại ở cuối hành trình. Độ lệch này làm cho thanh truyền di chuyển trên đường vòng cung tại TDC và BDC.

Tải trọng cơ học

Pít-tông là thành phần của động cơ đốt trong (ICE) phải chịu ứng suất cơ và nhiệt nhiều nhất. Do có pít-tông nên sức mạnh của ICE bị hạn chế. Trong trường hợp ứng suất nhiệt hoặc cơ học quá cao, pít-tông là bộ phận đầu tiên bị hỏng (so với khối động cơ, van, đầu xi-lanh). Điều này là do pít-tông phải là sự dung hòa giữa khối lượng và khả năng chống chịu ứng suất cơ và nhiệt.

Tải trọng có chu kỳ của piston do:

• Lực khí cháy từ áp suất xi lanh
• Lực quán tính từ chuyển động dao động của piston, và
• Lực bên từ sự hỗ trợ của lực khí bởi thanh truyền nghiêng và lực quán tính của thanh truyền dao động

Các lực thẳng đứng tác dụng lên pít-tông bao gồm: lực do khí cháy giãn nở sinh ra và lực quán tính do khối lượng riêng của pít-tông sinh ra.

Lực quán tính nhỏ hơn nhiều so với lực khí cháy và có cường độ lớn nhất khi pít-tông đổi hướng, tại TDC và BDC.

Lực pít-tông ở trên được tính toán bằng kỹ thuật Phân tích phần tử hữu hạn tiên tiến cho pít-tông nhôm được sử dụng trong các loại xe hạng nhẹ có động cơ diesel.

Quá trình đốt cháy có các đặc điểm khác nhau đối với động cơ diesel và xăng. Trong động cơ diesel, áp suất khí cực đại trong quá trình đốt cháy có thể đạt tới 150 – 160 bar. Trong động cơ xăng, áp suất tối đa dưới 100 bar. Do áp suất cao hơn, pít-tông diesel phải chịu ứng suất cơ học cao hơn.

Để làm việc không bị hỏng hóc trong điều kiện khắc nghiệt như vậy, các piston của động cơ diesel được thiết kế mạnh hơn, chắc chắn hơn với khối lượng lớn hơn. Hạn chế là quán tính cao hơn, lực động lớn hơn nên tốc độ cực đại của động cơ thấp hơn. Một lý do khiến động cơ diesel có tốc độ tối đa thấp hơn (khoảng 4500 vòng/phút) so với động cơ xăng (khoảng 6500 vòng/phút), là các bộ phận cơ khí nặng hơn (pít-tông, thanh truyền, trục khuỷu, v.v.).

Tải trọng nhiệt

Đỉnh pít-tông tiếp xúc trực tiếp với khí đốt, bên trong buồng đốt, do đó, nó phải chịu ứng suất nhiệt và cơ học cao. Tùy thuộc vào loại động cơ (diesel hoặc xăng) và kiểu phun nhiên liệu (phun trực tiếp hoặc gián tiếp), đỉnh pít-tông có thể phẳng hoặc có thể dạng vòm lõm.

Tải trọng nhiệt từ nhiệt độ khí trong quá trình đốt cháy cũng là tải trọng tuần hoàn lên pít-tông. Nó hoạt động chủ yếu trong quá trình giãn nở ở phía buồng đốt của pít-tông. Ở các hành trình khác, tùy theo nguyên lý hoạt động mà nhiệt tải lên pít-tông bị giảm bớt, ngắt quãng, thậm chí có tác dụng làm mát trong quá trình trao đổi khí. Nói chung, sự truyền nhiệt từ khí đốt nóng đến pít-tông chủ yếu xảy ra do đối lưu và chỉ một phần nhỏ là do bức xạ.

Nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy được piston hấp thụ một phần. Hầu hết nhiệt được truyền qua khu vực vòng của pít-tông (khoảng 70%). Váy pít-tông thoát 25% nhiệt và phần còn lại được truyền tiếp đến chốt pít-tông, thanh truyền và dầu. Tốc độ động cơ cao hơn có nghĩa là nhiệt độ piston cao hơn. Điều này xảy ra do nhiệt tích tụ không có thời gian để tiêu tan giữa hai chu kỳ đốt cháy liên tiếp. Đồng thời, tải động cơ cao hơn có nghĩa là nhiệt độ pít-tông cao hơn, bởi vì có nhiều hỗn hợp không khí-nhiên liệu được đốt cháy hơn, tạo ra nhiều nhiệt hơn.

Liên quan đến hành trình giãn nở, khoảng thời gian mà tải nhiệt từ quá trình đốt cháy hoạt động là rất ngắn. Do đó, chỉ một phần rất nhỏ của khối lượng thành phần của pít-tông, gần bề mặt ở phía đốt cháy, tuân theo các dao động nhiệt độ theo chu kỳ. Do đó, gần như toàn bộ khối lượng của pít-tông đạt đến nhiệt độ gần như tĩnh, tuy nhiên, nhiệt độ này có thể có những biến đổi cục bộ đáng kể.

Làm mát Piston

Khi công suất đầu ra cụ thể tăng lên trong các động cơ đốt trong hiện đại, các pít-tông phải chịu tải nhiệt ngày càng tăng. Do đó, việc làm mát pít-tông hiệu quả được yêu cầu thường xuyên hơn để đảm bảo an toàn vận hành.

Nhiệt độ pít-tông có thể được hạ xuống bằng cách tuần hoàn dầu qua khu vực giữa pít-tông. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị phun dầu gắn trên khối động cơ, thiết bị này sẽ bơm dầu động cơ qua một lỗ khi pít-tông gần điểm chết dưới (BDC).

Tenneco Powertrain đã thiết kế một pít-tông thép mới cho động cơ diesel mà hãng đã thiết kế với buồng làm mát “sealed-for-life” ở vùng khum lên (Crown) – công nghệ EnviroKool, cho phép các pít-tông vận hành an toàn ở nhiệt độ Crown cao hơn 100°C so với giới hạn hiện tại. Để tạo thành núm EnviroKool, một khoang làm mát tích hợp được tạo ra bên trong pít-tông bằng cách hàn ma sát, sau đó đổ đầy dầu chịu nhiệt độ cao và khí trơ. Buồng này được làm kín vĩnh viễn bằng một nút hàn. Theo Tenneco Powertrain, công nghệ EnviroKool giúp khắc phục những hạn chế về nhiệt độ của các khoang mở thông thường sử dụng dầu bôi trơn làm phương tiện truyền nhiệt.

Các loại Piston

Hình dạng của pít-tông bị hạn chế do dung tích khối của ICE. Do đó, cách chính để tăng khả năng chịu nhiệt và cơ học của pít-tông là tăng khối lượng của nó. Điều này không được khuyến khích vì pít-tông có khối lượng lớn, có quán tính cao dẫn đến lực động học cao, đặc biệt là khi tốc độ động cơ cao. Sức bền của pít-tông có thể được cải thiện bằng cách tối ưu hóa hình học nhưng sẽ luôn có sự thỏa hiệp giữa khối lượng và sức bền cơ học và nhiệt.

Nếu chỉ nhìn qua, thì bạn sẽ nghĩ piston là một thành phần rất đơn giản, nhưng thực ra piston rất phức tạp

Do hợp kim nhôm có độ bền thấp hơn gang nên phải sử dụng các phần dày hơn nên không phát huy được hết lợi thế về trọng lượng nhẹ của vật liệu này. Hơn nữa, do hệ số giãn nở nhiệt cao hơn, các pít-tông nhôm phải cho phép có khoảng hở chạy lớn hơn. Mặt khác, khả năng dẫn nhiệt của nhôm gấp khoảng 3 lần so với sắt. Điều này, cùng với độ dày lớn hơn của các phần được sử dụng, cho phép pít-tông nhôm chạy ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 200°C so với pít-tông gang.

Trong một số ứng dụng, độ bền và khả năng chống mài mòn của pít-tông hợp kim nhôm không đủ để đáp ứng nhu cầu tải, do đó vật liệu kim loại đen được sử dụng (ví dụ: gang, thép). Có một số phương pháp sử dụng kim loại đen trong sản xuất pít-tông:

• Gia cố cục bộ, chèn kim loại đen (rãnh xéc măng)
• Các bộ phận mở rộng của pít-tông composite (ví dụ: đỉnh pít-tông, bu lông)
• Piston được chế tạo hoàn toàn bằng gang hoặc thép rèn

Có hai loại vật liệu kim loại đen được sử dụng cho pít-tông hoặc các bộ phận của pít-tông:

• Gang austenit cho chất mang vòng
• Gang với graphite hình cầu cho pít-tông và váy pít-tông
• Thép hợp kim crom-molypden (42CrMo4)
• Thép hợp kim crom-molypden-niken (34CrNiMo6)
• Thép hợp kim molibden-vanadi (38MnVS6)