Các thuật ngữ “bốn xi-lanh” và “sáu xi-lanh” khá phổ biến trong lĩnh vực ô tô, nhưng chúng có ý nghĩa gì? “Xi-lanh” thực chất là không gian mà piston di chuyển, và số lượng xi-lanh trong động cơ tương ứng với số lượng piston.
Thiết kế và hình dạng của piston đã thay đổi qua nhiều năm và điều này chắc chắn đã ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy. Nhưng bằng cách nào nó làm được như vậy?
Về cơ bản, xăng và không khí hòa trộn với nhau trong buồng đốt phía trên piston. Khi tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp đó, nó sẽ tạo ra một vụ nổ nhỏ đẩy piston đi xuống. Chuyển động đó làm quay trục khuỷu, dẫn động hộp số và bánh xe.
Như bạn có thể biết được rằng, piston phải chịu nhiều nhiệt, áp suất và chuyển động hơn hầu hết mọi bộ phận khác của động cơ. Do đó chúng phải được chế tạo để đảm bảo độ bền. Với động cơ không ngừng phát triển, các nhà sản xuất ô tô tiếp tục tìm ra những cách mới để chế tạo piston tốt hơn, bao gồm cả việc thay đổi kích thước và thành phần của chúng.
Pít-tông là trung tâm trong cách động cơ tạo ra chuyển động. Việc thêm piston vào động cơ hoặc làm cho chúng lớn hơn sẽ làm tăng dung tích dịch chuyển, có nghĩa là động cơ tạo ra nhiều công suất hơn vì đốt cháy nhiều xăng hơn.
Tuy nhiên, số lượng piston trong động cơ không phải là điều quan trọng duy nhất về chúng. Hình dạng của piston có tác động lớn đến quá trình đốt cháy bên trong. Chủ yếu, hình dạng của piston có liên quan nhiều đến cách nhiệt và hỗn hợp không khí/nhiên liệu được quản lý.
Trước tiên, hãy nói về các hình dạng piston khác nhau. Piston hình elip hoặc hình bầu dục sẽ trở nên tròn hơn khi được tác dụng nhiệt. Điều này cho phép cải thiện khả năng bịt kín khi xi lanh tiếp xúc với buồng đốt để đạt hiệu suất cao hơn. Một số piston có dạng côn hoặc hình nón, cho phép piston di chuyển tự do hơn bất kể có bao nhiêu nhiệt. Một số khác có hình dạng “thùng” (barrel), trơn tru hơn và tạo ra ít tiếng ồn và độ xóc hơn khi di chuyển [nguồn: Đại học Windsor].
Piston hoạt động như thế nào?
Khi động cơ chạy, piston di chuyển lên xuống trong mỗi xi-lanh, được kích hoạt bởi quá trình đốt cháy trong buồng đốt phía trên mỗi piston.
Khi đạt đến mỗi điểm “chết”, piston dừng lại, đảo ngược hướng và sau đó tăng tốc đột ngột. Ngay trước điểm chết trên của kỳ nén, bugi được định thời để đánh lửa, bắt đầu quá trình nhiên liệu hydrocarbon và oxy trong không khí kết hợp, tạo ra nhiệt lượng cực lớn. Hầu hết không khí trong xi lanh là nitơ, trơ, nhưng bị quá nhiệt bởi sự kiện đốt cháy và giãn nở, đẩy piston xuống dẫn động trục khuỷu thông qua thanh truyền.
Đầu piston hoặc đỉnh piston chịu lực và áp suất ban đầu khi quá trình đốt cháy bắt đầu. Do những thay đổi hướng liên tục và nhanh chóng, các khu vực chốt piston cũng chịu rất nhiều lực. Sự giãn nở nhiệt cũng xảy ra do tất cả nhiệt lượng được truyền từ đầu piston đến thân piston, và đặc biệt là khu vực chốt piston bị ảnh hưởng.
Các loại hình dạng Piston
Pít-tông có nhiều hình dạng và thiết kế khác nhau để có thể chịu được mọi áp lực tác động lên chúng trong động cơ.
Hình elip
Piston có hình elip (còn gọi là piston cam) thích ứng tốt hơn với các kích thước thay đổi của lỗ xi lanh. Các piston hình elip này bắt đầu có hình elip khi lạnh và chuyển sang hình tròn hơn khi động cơ đạt đến nhiệt độ vận hành. Điều này cải thiện độ kín xung quanh piston và tăng hiệu suất đốt cháy.
Hình côn
Hình dạng đầu của piston côn có đường kính nhỏ, mở rộng xuống thân piston. Hình dạng côn này nhằm mục đích bù đắp cho sự phát triển và giãn nở vì nhiệt. Lượng nhiệt tác dụng lên đầu piston đôi khi có thể khiến nó giãn nở. Thiết kế côn của piston cho phép nó di chuyển tự do trong xi lanh bất chấp sự thay đổi này.
Hình thùng (Barrel)
Váy piston hình thùng cho phép chuyển tiếp mượt mà hơn khi piston đổi hướng. Mỗi piston cuộn vào thành xi lanh khi kết thúc hành trình, ngay khi nó chuyển hướng. Hình dạng piston này giúp giảm tiếng ồn và tải trọng bên lên váy piston đồng thời phân tán lực chuyển hướng trên một diện tích bề mặt lớn hơn.
Bù, lệch chốt (Offset)
Có những thiết kế piston mà chốt piston lệch khỏi đường tâm piston. Trên thực tế, hầu như tất cả các piston đều được chế tạo theo cách này.
Thiết kế này giúp piston êm hơn bằng cách giảm độ rung lắc của piston. Nếu bạn lắp piston ngược lại, bạn sẽ thấy động cơ bị gõ. Chốt piston/cổ tay lệch cho phép piston di chuyển theo cách tuyến tính thực sự trong lỗ xi lanh.
Sự phát triển và tác động của thiết kế piston
Khi động cơ phát triển, piston cũng phát triển theo. Chúng ngày càng ngắn hơn và nhẹ hơn, và sử dụng các váy nhỏ hơn — “thân” hình trụ của piston. Các piston mới hơn thường được làm bằng hợp kim nhôm bao gồm nhiều silicon hơn so với trước đây. Điều này cải thiện khả năng chống nhiệt và giảm sự giãn nở vì nhiệt.
Tác dụng của hình học Piston Bowl
Hình dạng của đỉnh piston (crowns), cũng đã thay đổi qua nhiều năm. Trước đây, hình dạng đỉnh piston có dạng phẳng, nhưng hiện nay nó thường có dạng có hình bát (Bowl). Điều này có tác dụng riêng của nó đối với quá trình đốt cháy. Phần lớn, các piston hình bát này được tìm thấy trong động cơ diesel, nhưng chúng đang trở nên phổ biến hơn trong động cơ xăng có phun nhiên liệu trực tiếp.
Vì đỉnh piston có hình dạng giống như một cái bát, nó có thể kiểm soát chuyển động của cả nhiên liệu và không khí khi piston đi lên trước khi đánh lửa cho kỳ nén. Điều này tạo ra một cơn lốc xoáy không khí và nhiên liệu bên trong bát poston trước khi quá trình đốt cháy hoặc nén xảy ra, cải thiện hỗn hợp và tạo ra quá trình đốt cháy hiệu quả hơn. Kết quả là, động cơ có nhiều công suất hơn để hoạt động. Các bát cũng có thể được định hình để tối ưu hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Bằng cách tác động đến hỗn hợp không khí/nhiên liệu, bạn có thể đạt được quá trình đốt cháy tốt hơn và hiệu quả hơn, dẫn đến nhiều công suất hơn. Các bát có nhiều hình dạng khác nhau — một số cũng được thiết kế để tối ưu hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
