Piston là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và vấn đề thường gặp

Piston giúp chuyển đổi năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu thành chuyển động cơ học. Hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của piston giúp nắm bắt cách vận hành động cơ. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về piston và ứng dụng của nó.

Piston là gì?

Piston (hay còn gọi là pitông), một bộ phận chuyển động then chốt có hình trụ, được tích hợp một cách chính xác bên trong xi lanh piston của động cơ đốt trong. Với vai trò trung tâm, chức năng cơ bản của piston là tiếp nhận lực mạnh mẽ được sinh ra từ quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Lực này sau đó được truyền đi một cách hiệu quả tới trục khuỷu thông qua thanh truyền.

Quá trình này biến đổi chuyển động tịnh tiến lên xuống của piston thành chuyển động quay liên tục của trục khuỷu, tạo ra động năng cần thiết để dẫn động bánh xe và các bộ phận khác của động cơ. Như vậy, piston đóng vai trò là cầu nối quan trọng giữa năng lượng hóa học và động năng cơ học trong động cơ đốt trong.

Cấu tạo của piston trong ô tô

Trong động cơ ô tô, piston thường được làm từ hợp kim nhôm, có đặc tính nhẹ nhưng bền, chịu được nhiệt độ cao và áp suất lớn. Thiết kế của piston tối ưu hóa cho việc truyền lực, giảm ma sát và đảm bảo độ bền khi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của buồng đốt. Với nhiều thành phần khác nhau, đây là các thành phần chính của piston:

• Đỉnh piston: Đỉnh piston (crown) là phần tiếp xúc trực tiếp với quá trình đốt cháy nhiên liệu. Tùy thuộc vào loại động cơ, đỉnh piston có thể có thiết kế phẳng, lõm hoặc lồi để tối ưu hóa quá trình cháy nhiên liệu và tăng hiệu suất động cơ.
• Đầu piston: Là phần nằm ngay dưới đỉnh piston, có nhiệm vụ hỗ trợ quá trình truyền tải nhiệt từ đỉnh piston xuống thân piston, giúp làm mát hiệu quả. Đầu piston còn có thể có các rãnh để lắp đặt vòng xéc măng giúp cải thiện hiệu suất làm kín.
• Thân piston: Thân piston (skirt) là phần tiếp xúc với thành xi lanh piston, có nhiệm vụ giữ cho piston di chuyển ổn định và thẳng hàng trong xi lanh. Thân piston được thiết kế với độ côn và độ bầu dục nhất định để đối phó với sự giãn nở nhiệt không đồng đều khi động cơ hoạt động.
• Rãnh xéc măng: Xéc măng là những vòng kim loại đàn hồi, lắp vào các rãnh trên thân piston, có các chức năng: Bịt kín buồng đốt, ngăn không cho khí nén và khí cháy rò rỉ xuống carter, điều tiết lượng dầu bôi trơn giữa piston và xi lanh. Và truyền nhiệt từ piston sang thành xi lanh.

Trên thân piston có các rãnh ngang dùng để lắp xéc măng. Thông thường, một piston ô tô có từ 3-4 rãnh xéc măng, bao gồm:

• Rãnh cho xéc măng khí (compression rings)
• Rãnh cho xéc măng gạt (scraper ring)
• Rãnh cho xéc măng dầu (oil control ring)

Nguyên lý hoạt động của piston trong ô tô

Piston hoạt động theo chu trình bốn kỳ trong động cơ đốt trong, bao gồm kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ và kỳ xả. Mỗi chu trình này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và cung cấp năng lượng cần thiết cho phương tiện hoặc thiết bị vận hành.

• Kỳ nạp: Khi piston di chuyển từ điểm chết trên (TDC) xuống điểm chết dưới (BDC), thể tích trong xi lanh tăng lên, tạo ra áp suất âm. Điều này khiến hỗn hợp không khí và nhiên liệu (đối với động cơ xăng) hoặc không khí sạch (đối với động cơ diesel) được hút vào xi lanh thông qua van nạp đang mở. Quá trình này giúp đảm bảo buồng đốt có đủ hỗn hợp để thực hiện chu trình tiếp theo.
• Kỳ nén: Khi piston bắt đầu di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, van nạp và van xả đều đóng lại. Hỗn hợp nhiên liệu-không khí (đối với động cơ xăng) hoặc không khí (đối với động cơ diesel) bị nén lại, làm tăng nhiệt độ và áp suất bên trong xi lanh. Việc nén này giúp tối ưu hóa điều kiện cháy của nhiên liệu, đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả.
• Kỳ nổ: Khi piston đạt điểm chết trên, hỗn hợp nhiên liệu-không khí được đốt cháy bởi bugi (đối với động cơ xăng) hoặc tự bốc cháy do áp suất cao (đối với động cơ diesel). Quá trình đốt cháy sinh ra một lượng lớn năng lượng nhiệt, tạo áp suất đẩy piston xuống mạnh mẽ về điểm chết dưới. Đây là giai đoạn sinh công, nơi động cơ sản sinh ra lực kéo chính để làm quay trục khuỷu và cung cấp năng lượng cho phương tiện.
• Kỳ xả: Khi piston di chuyển trở lại từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, van xả mở ra. Khí thải từ quá trình đốt cháy được đẩy ra ngoài qua van xả, làm sạch xi lanh và chuẩn bị cho chu trình tiếp theo. Khi piston đạt điểm chết trên, van xả đóng lại, hoàn thành một chu kỳ làm việc của động cơ.

Các vấn đề thường gặp khi piston hỏng

Piston hoạt động với cường độ cao, chịu áp suất, nhiệt độ và ma sát lớn trong động cơ. Sau thời gian sử dụng, piston có thể bị mài mòn, nứt gãy, quá nhiệt hoặc kẹt trong xi-lanh. Nếu không xử lý kịp thời, những lỗi này có thể làm giảm công suất động cơ, tăng mức tiêu hao nhiên liệu và gây hỏng hóc nghiêm trọng.

Mài mòn piston

Piston và thành xi-lanh trong quá trình hoạt động phải ma sát liên tục dẫn tới bị mài mòn. Nguyên nhân chủ yếu thường do dầu bôi trơn kém chất lượng, sử dụng lâu ngày mà không thay hoặc bụi bẩn xâm nhập vào động cơ. Khi piston bị mòn, nó không còn giữ được độ kín khít với thành xi-lanh, làm giảm áp suất nén và hiệu suất động cơ. Một dấu hiệu dễ nhận biết là động cơ yếu đi, tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và có tiếng kêu lạ khi hoạt động.

Piston bị rò rỉ dầu

Khi vòng bạc piston bị mòn, hiện tường rò rỉ dầu xảy ra khiến piston không còn giữ được độ kín khít, khiến dầu nhớt lọt vào buồng đốt. Dấu hiệu dễ nhận biết nhất là khói xả có màu xanh, mức dầu giảm nhanh bất thường dù không có dấu hiệu rò rỉ bên ngoài. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất động cơ mà còn có thể gây đóng muội than trên bugi, ảnh hưởng đến quá trình đánh lửa.

Nứt piston

Khi động cơ phải chịu áp suất quá cao hoặc làm việc trong điều kiện quá tải kéo dài gây ra hiện tượng nứt piston. Một số nguyên nhân khác có thể là sử dụng nhiên liệu không phù hợp hoặc đánh lửa sớm quá mức. Tuy nhiên khi piston bị nứt, động cơ sẽ có tiếng kêu lạ, xe bị rung mạnh hơn bình thường và có thể bị mất công suất đột ngột. Nếu vết nứt lan rộng, piston có thể vỡ và làm hỏng cả xi-lanh, buộc phải thay thế toàn bộ cụm động cơ.

Lỗi thanh truyền

Khi động cơ bị ngập nước (thủy kích) hoặc do lực nén quá lớn từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, thanh truyền sẽ bị cong hoặc gãy; điều này làm piston không di chuyển đúng quỹ đạo, gây mất cân bằng trong động cơ. Khi thanh truyền gặp vấn đề, xe sẽ có tiếng gõ mạnh trong động cơ, rung lắc dữ dội và có nguy cơ hư hỏng nghiêm trọng nếu không sửa chữa kịp thời.

Piston kẹt trong xi-lanh

Piston có thể bị kẹt do quá nhiệt, thiếu dầu bôi trơn hoặc cặn bẩn tích tụ trong xi-lanh. Khi piston kẹt, động cơ có thể không khởi động được, hoặc nếu khởi động được thì chạy rất yếu và có hiện tượng “đốt cháy khô” khiến piston bị cháy đen. Trường hợp nặng, piston có thể bị bó cứng hoàn toàn, khiến động cơ ngừng hoạt động và cần phải tháo rời để sửa chữa.

Bị lỗi do lực nén quá mạnh

Nếu áp suất trong buồng đốt vượt quá mức cho phép, piston có thể bị biến dạng hoặc vỡ. Điều này thường xảy ra do điều chỉnh sai tỷ lệ nhiên liệu – không khí hoặc sử dụng xăng dầu có chỉ số octane không phù hợp. Khi lực nén quá mạnh, piston có thể bị đẩy lệch khỏi vị trí ban đầu, gây mài mòn bất thường và ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống động cơ.

Những ứng dụng của piston

Dưới đây là những ứng dụng chính của piston trên xe ô tô con:

• Tạo công suất cho động cơ: Piston di chuyển lên xuống trong xi lanh, thực hiện các chu kỳ nạp, nén, cháy và xả. Chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu thành chuyển động quay của trục khuỷu, giúp xe vận hành.
• Đảm bảo hiệu suất và hiệu quả nhiên liệu: Giảm ma sát và tổn thất nhiệt, giúp động cơ hoạt động trơn tru. Cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải độc hại.
• Giảm rung động và tiếng ồn: Thiết kế piston tối ưu giúp động cơ hoạt động êm ái hơn. Giảm độ rung, hạn chế tiếng ồn, tăng trải nghiệm lái xe thoải mái.
• Tăng độ bền và tuổi thọ động cơ: Piston chịu được áp suất và nhiệt độ cao, hạn chế mài mòn. Giúp động cơ bền bỉ hơn, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa.
• Hỗ trợ kiểm soát khí thải: Tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu, hạn chế phát sinh khí thải. Đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, bảo vệ môi trường.

Piston đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất, độ bền và khả năng vận hành của động cơ ô tô. Nắm vững những ứng dụng này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức ô tô và hiểu hơn về cách xe hoạt động.

Nếu bạn cần thay thế piston hoặc bất kỳ bộ phận nào khác của động cơ, hãy liên hệ ngay Phụ Tùng Đức Anh qua Hotline/Zalo: 0979 722 210 để được tư vấn và đặt hàng nhanh chóng – đơn vị chuyên cung cấp phụ tùng ô tô chính hãng, chất lượng cao với giá cả cạnh tranh. Chúng tôi đảm bảo mang đến những sản phẩm: Chính hãng, OEM và aftermarket được kiểm định chất lượng, mang lại hiệu quả giúp xe của bạn vận hành mạnh mẽ và an toàn hơn.