Tầm quan trọng của nhiệt độ piston đối với công suất động cơ

Piston bằng nhôm xuất hiện lần đầu tiên trên thị trường vào khoảng năm 1911, trong khi thị trường thế giới vẫn đang sử dụng piston bằng sắt. Điều này nhanh chóng đã gây ra nhiều tranh cãi, vì các kỹ sư biết rằng sắt hoặc hợp kim gang xám nóng chảy ở nhiệt độ 1.230 độ C, tức lớn hơn gấp đôi nhôm (550 độ C) và các piston bằng sắt hoặc gang thời này thường bị nóng đỏ khi sử dụng quá lâu.

Tuy nhiên, các piston nhôm đã khiến nhiều người phải bất ngờ, không chỉ không bị tan chảy mà còn cho ra sức mạnh lớn hơn ở cùng một tỷ số nén so với các piston sắt. Nguyên nhân là do nhôm có khả năng truyền nhiệt tốt gấp 5 lần sắt, do đó, lượng nhiệt được chuyển đến thành xi-lanh nhanh hơn rất nhiều, giúp động cơ nhanh mát hơn và không làm hỗn hợp nhiên liệu-không khí đi động cơ nóng như piston sắt. Từ đó các piston nhôm đã được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong chiến tranh thế giới thứ nhất, và kỷ nguyên của piston nhôm đã ra đời.

Vì sao luôn phải làm mát piston

Lý do đầu tiên khi phải giữ piston luôn mát mẻ là nhằm giảm hạn chế các hiện tượng giãn nở và giảm mật độ của diện tích tiếp xúc. Những yếu tố này sẽ làm giảm công suất thiết kế của piston khi hoạt động. Các hợp kim nhôm bắt đầu mất độ bền ở khoảng 200 độ C, vì vậy các nhà sản xuất thường sử dụng các hợp kim nhôm chịu nhiệt tốt và bền (ví dụ như nhôm 2618 hoặc hợp kim nhôm-silicon siêu bền).

Thực tế thì vào năm 1939, công ty Wright Aeronautical đã thử nghiệm cả piston làm từ thép, nhưng vì thép dẫn nhiệt kém, phần đầu piston cần phải được ép đủ nóng để kích thích quá trình đốt cháy, nên chỉ có thể ứng dụng piston thép vào động cơ diesel cỡ lớn.

Một lý do nữa phải kiểm soát nhiệt độ piston là để tránh việc chất bôi trơn bị mất quá nhiều độ nhớt, khiến nhớt không thể bôi trơn và giảm nhiệt hiệu quả tại các bề mặt chi tiết trong động cơ, hoặc thậm chí là bay hơi trước cả khi tiếp xúc với các chi tiết cần bôi trơn. Dầu nhớt hiện đại còn chứa các chất phụ gia chống oxy hóa nhằm chống lại hiện tượng kẹt răng hộp số, và ngăn không cho nhớt kết dính hay vón cục lại với nhau khi.

Khi chiếc Yamaha TD2 và TR2 ra mắt tại Anh năm 1969, các kỹ sư đã thiết kế để tạo hình bầu dục cho piston, cho phép piston tiếp xúc gần như hoàn toàn với thành xi-lanh. Khi Yamaha chính thức ngừng sản xuất các mẫu xe đua 2 thì này vào 40 năm sau, công suất của chiếc xe TD-2 đã tăng từ 40 lên 100 mã lực, trong đó việc pít-tông được làm mát thích hợp chính là chìa khóa cho sự đột phá về công suất này. Đây chính là một trong những kinh nghiệm về sản xuất và chế tạo trong ngành công nghiệp xe máy và xe phân khối lớn này hiện không ngừng được tìm tòi và ứng dụng tại Yamaha.