Piston là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nếu bạn làm trong ngành sửa chữa và lắp đặt các thiết bị công nghiệp thì chắc hẳn sẽ nghe đến các cụm từ như: động cơ hơi nước, động cơ đốt trong,… Piston là thành phần quan trọng trong động cơ đốt trong.

Nguyên lý hoạt động của piston kết hợp với xi lanh và thanh truyền sẽ tạo nên buồng đốt. Từ đó, cung cấp lực cho động cơ xe hoạt động. Vậy piston là gì ? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của piston ra sao? Hãy cùng Naltako tìm hiểu tất cả trong bài viết dưới đây nhé. 

Piston là gì?

Piston là gì? Piston hay còn được gọi là pít tông. Đây là một cụm từ rất quen thuộc đối với những người làm trong ngành máy móc và nâng hạ công nghiệp như dock leveler hay bàn nâng thủy lực. Như đã nói ở trên, Piston là một bộ phận của động cơ, máy bơm, máy nén khí hoặc xi lanh hơi. Đối với động cơ đốt trong, piston có nhiệm vụ cùng với xi lanh và nắp máy tạo thành buồng đốt. Piston thường có hình dạng trụ tròn hoặc hình hộp, được làm từ kim loại và nằm trong động cơ, máy nén khí, máy bơm, xilanh thủy lực và xi lanh khí nén.

• Đối với máy bơm: lực được truyền từ trục khuỷu và piston nhằm nén chất lỏng trong xilanh.
• Đối với động cơ: Piston có nhiệm vụ truyền lực từ khí nở xilanh đến trục khuỷu thông qua thanh kết nối.

Ngoài ra, trong một số động cơ, piston hoạt động bằng cách đóng và mở các cổng trong xilanh. Để có thể liên tục chuyển hóa nhiệt năng và có nhiều cách để hoàn tất chu trình, piston phải tuân theo quá trình tuần hoàn như sau:

• Truyền nhiệt vào khí bên trong xilanh, khí sẽ nở làm tăng thể tích trong xilanh và sinh động
• Loại bỏ nhiệt khỏi xilanh, áp suất của khí sẽ giảm và cho phép piston được nén dễ dàng hơn.
• Đưa công vào piston, piston sẽ nén trở về trạng thái ban đầu để sẵn sàng thực hiện chu trình mới.

Cấu tạo của piston trong động cơ đốt trong

Piston thường có dạng hình trụ và có cấu tạo gồm 3 phần: đỉnh, đầu và thân. Dưới đây là cấu tạo chi tiết của Piston hiện nay:

Đỉnh piston

Đỉnh piston có 3 dạng: đỉnh bằng, đỉnh lồi, đỉnh lõm tùy theo thiết bị đang sử dụng và cấu tạo của buồng đốt. Trong động cơ đốt trong, các đỉnh piston được thiết kế khác nhau dựa trên các yêu cầu và điều kiện hoạt động của động cơ. 

Đỉnh bằng: Đỉnh piston bằng, phù hợp với các động cơ xăng. Vì kết cấu buồng cháy nằm trên nắp đầu xi lanh, có diện tích chịu nhiệt nhỏ. Đây là một cấu trúc đơn giản và phổ biến trong động cơ xăng.

Đỉnh lồi: Loại piston này có một đỉnh lồi hình cầu, giúp tăng độ bền và độ cứng. Đỉnh lồi thường nhẹ hơn và có diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng. Do đó, piston này được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và tải trọng lớn.

Đỉnh lõm: Đỉnh piston lõm có một khu vực tiếp nhận khí nén hoặc nhiên liệu trong quá trình hoạt động. Đây là một kiểu piston phổ biến trong cả động cơ xăng và động cơ diesel, và có diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng. Nhờ đó, giúp cải thiện hiệu suất cháy và tăng cường hiệu quả nhiên liệu.

👉 Xem thêm: Bộ lọc khí nén: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại

Đầu piston

Đầu piston có các rãnh được thiết kế để lắp các xéc măng, còn được gọi là piston ring. Những vòng xéc măng này giúp ngăn và thoát dầu bôi trơn từ buồng đốt. Đồng thời tạo ra độ kín giữa piston và thành xi lanh. Điều này rất  trọng để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.

Bên cạnh đó, giúp ngăn dầu bôi trơn từ việc vào buồng đốt và gây hại đến quá trình cháy. Đầu piston giới hạn từ phía dưới đỉnh piston xuống đến rãnh xéc măng dầu cuối cùng trên bệ chốt piston.

Đầu piston phải làm kín buồng cháy trong xi lanh để tạo ra không gian nén chất lượng cho quá trình cháy. Khi piston di chuyển lên, không gian giữa đỉnh piston và nắp đầu xi lanh phải được làm kín hoàn hảo để ngăn chất lượng hỗn hợp nhiên liệu-khí bị rò rỉ ra ngoài trước khi cháy.

Đối với các động cơ có hoạt động nhiệt độ cao, đầu piston có vai trò tản nhiệt. Đầu piston tiếp xúc với không khí môi trường và nhiệt độ của dầu bôi trơn. Nhờ đó, giúp làm giảm nhiệt độ của piston trong quá trình hoạt động. 

Thân piston

Thân piston thực hiện dẫn hướng và hỗ trợ cho chuyển động của pít tông (piston) trong xi lanh của động cơ. Bộ phận này có vai trò quan trọng trong việc truyền lực từ quá trình cháy trong buồng đốt đến trục khuỷu (connecting rod) và từ đó truyền tiếp lực để làm quay trục khuỷu và chuyển động quay của động cơ.

Nguyên lý hoạt động của piston

Nguyên lý hoạt động của piston là một phần quan trọng trong hoạt động của động cơ đốt trong bao gồm cả động cơ xăng và động cơ diesel. Dưới đây là nguyên lý hoạt động của piston trong động cơ xăng hiện nay:

Nạp hỗn hợp nhiên liệu-khí: Trong động cơ xăng, hỗn hợp nhiên liệu-khí được hút vào buồng đốt thông qua van hút khi piston di chuyển xuống từ vị trí trên cùng của xi lanh. Trong động cơ diesel, chỉ khí được hút vào trong giai đoạn nạp.

Nén hỗn hợp nhiên liệu-khí: Sau khi piston đạt đáy xi lanh, piston bắt đầu di chuyển lên trên. Trong quá trình này, van nạp sẽ đóng lại và piston nén hỗn hợp nhiên liệu-khí trong buồng đốt. Áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu-khí dần tăng lên do quá trình nén.

Pha cháy: Khi hỗn hợp nén đạt đến điểm cực đại về áp suất và nhiệt độ, bước cháy sẽ xảy ra. Trong động cơ xăng, bước cháy được kích hoạt bằng cách tạo một tia điện qua điện cực bugi (spark plug). Trong động cơ diesel, bước cháy xảy ra do áp suất nén cao làm nhiệt độ của khí đạt đủ để tự cháy khi nhiên liệu phun vào buồng đốt.

Riêng với piston áp dụng trong hệ thống thuỷ lực, quá trình hoạt động có thể khiến thiết bị này quá nhiệt. Lúc này bạn cần sử dụng Bộ làm mát dầu cho hệ thống thủy lực để quá trình làm việc của piston được diễn ra ổn định và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Mở van xả: Sau quá trình cháy, piston di chuyển xuống từ vị trí trên cùng của xi lanh để đẩy sản phẩm cháy ra khỏi buồng đốt thông qua van xả.

Truyền lực và tuần hoàn: Trong quá trình di chuyển lên và xuống của piston, năng lượng từ bước cháy được chuyển thành năng lượng cơ học thông qua trục khuỷu và truyền động của động cơ. Quá trình này lặp lại liên tục, tạo ra sự hoạt động tuần hoàn của động cơ, cung cấp công suất và mô-men xoắn cho các thiết bị hoặc phương tiện sử dụng động cơ đốt trong.

Những ứng dụng phổ biến của piston hiện nay

Sử dụng piston trong động cơ đốt trong xe ô tô, xe máy

Trong động cơ (engine) xăng và diesel, quá trình nạp, nén, đốt cháy và xả diễn ra phía trên pít-tông đẩy pít-tông di chuyển lên và xuống trong xi lanh. Khi pít-tông di chuyển, nó làm cho trục khuỷu quay, từ đó truyền lực vào hệ thống truyền động của xe, giúp xe di chuyển.Piston xe máy có hai nhiệm vụ chính. Thứ nhất, nó hút nhiên liệu vào buồng đốt. Thứ hai, trong quá trình nổ, piston truyền lực vào trục khuỷu, thực hiện quá trình nạp, nén và xả trong động cơ đốt trong.

Ứng dụng của piston trong thủy lực

Piston thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thủy lực, đặc biệt là trong các máy móc hạng nặng. Dưới đây là một số ứng dụng chính của piston thủy lực:

• Bơm thủy lực: Piston thủy lực được sử dụng làm bộ phận chính trong máy bơm thủy lực. Piston tạo lực đẩy dựa vào nguyên lý chất lỏng không nén được để tạo ra áp suất và đẩy chất lỏng (thường là dầu thủy lực) qua hệ thống ống dẫn đến các thiết bị khác như xi lanh, động cơ, hay các thiết bị khác cần lực đẩy mạnh mẽ.
• Bộ ty ben: Piston thủy lực là một thành phần chính trong bộ ty ben. Khi chất lỏng thủy lực được đẩy vào các piston, tạo lực đẩy mạnh mẽ để di chuyển các cần cẩu, máy xúc hay các phần máy khác theo hướng cần thiết. Cần cẩu và máy xúc thì piston thủy lực được sử dụng trong: Bàn nâng đổ liệu, thang nâng thủy lực, sàn nâng thủy lực, máy ép thủy lực. Đây là những dòng máy được sử dụng nhiều trong công nghiệp hiện nay. 
• Hệ thống điều khiển và chuyển động: Piston thủy lực cũng được sử dụng trong các hệ thống điều khiển và chuyển động trong nhiều loại máy móc công nghiệp. Chúng có thể được sử dụng để điều khiển van, cổng, các cơ cấu chuyển động và nhiều ứng dụng khác.
• Máy công cụ và máy gia công: Trong các máy công cụ và máy gia công, piston thủy lực thường được sử dụng để tạo lực cắt, cắt, hoặc uốn các vật liệu và bề mặt công việc.

Ứng dụng của piston trong nén khí

Piston nén khí được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Sử dụng máy nén khí mini trong thông tắc bồn cầu: Khi thông tắc xảy bồn cầu hoặc các hệ thống cấp thoát nước khác, máy nén khí mini có thể được sử dụng để tạo áp suất và thổi khí vào đường ống, giúp xử lý tắc nhanh chóng và hiệu quả.

Sử dụng trên cửa thông minh: Trong các ứng dụng tự động hóa và cửa kho lạnh, piston nén khí có thể được sử dụng để điều khiển cơ cấu mở và đóng cửa. Khi áp suất khí hoạt động, piston sẽ thu hoặc đẩy cơ cấu cửa để thực hiện việc mở hoặc đóng cửa xe bus, cửa các siêu thị, chung cư thông minh và các cửa tự động khác.

Sử dụng trong máy xịt rửa xe: Trong các thiết bị xịt rửa áp lực, piston nén khí có vai trò tạo ra áp suất cao để đẩy nước ra khỏi béc xịt với lực mạnh. Giúp làm sạch bụi bẩn, cặn bẩn và bám đọng trên bề mặt xe, giúp rửa xe nhanh chóng và hiệu quả.Ngoài các ứng dụng trên piston nén khí cũng có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất, năng lượng, chế tạo và xử lý vật liệu, làm sạch, kiểm tra và thử nghiệm, nén khí trong hệ thống máy móc,…

Các vật liệu sản xuất piston

Do phải làm việc dưới áp suất lớn và nhiệt độ cao, chịu ma sát trong thời gian dài và liên tục nên vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• Trọng lượng riêng nhỏ
• Độ bền cao
• Hệ số ma sát nhỏ
• Chịu mài mòn và chịu ăn mòn cao
• Hệ số dãn nở nhiệt thấp
• Dễ gia công (đúc, cắt gọt)
• Dễ tìm

Trong sản xuất piston, hợp kim nhôm và gang (hay thép) được sử dụng cho các mục đích khác nhau do các đặc tính và ưu điểm riêng của từng vật liệu. Tuy nhiên, các nhà sản xuất vẫn ưu tiên lựa chọn hợp kim nhôm để chế tạo pít tông. Một số ưu điểm của piston làm từ hợp kim nhôm:

• Trọng lượng riêng nhỏ: Nhôm có mật độ nhỏ hơn so với gang hoặc thép, điều này giúp giảm trọng lượng tổng thể của piston và giúp cải thiện hiệu suất động cơ.
• Truyền nhiệt tốt: Nhôm có khả năng truyền nhiệt tốt hơn, cho phép nhiệt độ trên bề mặt của piston được phân phối đồng đều và nhanh chóng.
• Hệ số ma sát nhỏ: Bề mặt nhôm có tính chất trơn trượt tốt hơn, giảm ma sát giữa piston và vái, giúp tăng hiệu suất và giảm mức tiêu hao năng lượng.
• Dễ gia công cắt gọt: Nhôm có tính dẻo và dễ gia công hơn, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình sản xuất piston.

Tuy nhiên, piston bằng hợp kim nhôm cũng có nhược điểm đó là nhôm có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn so với gang hoặc thép. Điều này có thể tạo ra sự lỏng lẻo hoặc khe hở trong quá trình hoạt động ở nhiệt độ cao. Đồng thời nhôm có độ bền chịu mài mòn thấp hơn gang hoặc thép.

Trong các sản phẩm yêu cầu tính bền và độ bền cao như bàn nâng thuỷ lực các loại piston từ gang hoặc thép thường được ưu tiên sử dụng.Trong một số trường hợp đặc biệt, piston bằng gang, thép được sử dụng để đáp ứng yêu cầu cao về tốc độ và khả năng chịu tải trọng lớn của động cơ. Mỗi loại piston đều có ưu và nhược điểm riêng. Việc chọn loại piston phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng và động cơ.

Các nguyên nhân và dấu hiệu cho thấy piston bị hư hại

Thân piston có nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xi lanh và liên kết với thanh truyền để truyền lực làm quay trục khuỷu. Đây là chi tiết quan trọng và hoạt động liên tục các động cơ, máy móc khi hoạt động có các hiện tượng lạ như: máy kêu lớn, khói xả ra nhiều,.. người sử dụng nên tiến hành kiểm tra ngay khi có thể. Dưới đây là nguyên nhân khiến  piston bị hư hại:

• Chế độ làm mát, bôi trơn kém: Khi động cơ thiếu dầu máy hoặc sử dụng dầu máy kém chất lượng dẫn đến việc bôi trơn không đủ làm cho piston bị ma sát cao và nhiệt độ quá cao, gây ra hư hỏng và mài mòn.
• Lắp đặt không chính xác: Khi piston và xéc măng không được lắp đặt đúng cách các chi tiết này dễ bị va chạm, gây hỏng hoặc hao mòn không đều.
• Động cơ piston bị ngập nước: Nếu động cơ bị ngập nước, nước có thể tiếp xúc trực tiếp với piston trong quá trình hoạt động. Gây ra hiện tượng hao mòn, ăn mòn và ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của piston.
• Quá nhiệt, quá tải: Khi động cơ hoạt động ở trạng thái quá nhiệt hoặc quá tải thường xuyên, piston có thể bị biến dạng, nứt hoặc hư hỏng do áp lực và nhiệt độ cao.
• Hệ thống giảm xóc không hoạt động đúng cách: Khi hệ thống giảm xóc không hoạt động đúng cách, các tác động và rung động không mong muốn có thể gây hư hại piston và các bộ phận khác trong động cơ.

Để tránh các vấn đề này, bảo dưỡng định kỳ, sử dụng dầu máy chất lượng cao, lắp đặt đúng cách. Đồng thời tuân thủ các quy trình bảo trì để đảm bảo piston hoạt động ổn định và tuổi thọ của piston và động cơ.

Naltako luôn xem piston là trái tim của hệ thống thuỷ lực. Chúng tôi là thương hiệu chuyên cung cấp và lắp đặt các dòng máy phục vụ cho việc sản xuất như: Cầu dẫn xe nâng, bàn nâng thủy lực, thang nâng thủy lực, sản nâng thủy lực, máy ép thủy lực. Tất cả sản phẩm đều được Naltako được lắp đặt với thiết bị piston chất lượng, bảo hành dài lâu.

Nếu bạn đang có nhu cầu có thể tham khảo các sản phẩm của Naltako để có được sử lựa chọn đúng đắn.

Kết luận

Trên đây là toàn bộ các thông tin cần thiết để bạn nắm rõ khi tìm hiểu về Piston trong động cơ đốt trong. Nếu còn điều gì thắc mắc, vui lòng liên hệ thông tin dưới đây để được Naltako giải đáp cho bạn.