Lịch sử phát triển lâu dài với đỉnh cao là những mẫu dành cho xe đua, piston nhôm vẫn là khâu yếu nhất trong cơ cấu chuyển hóa năng lượng bên trong động cơ đốt trong (ĐCĐT) bởi đặc tính cố hữu của loại vật liệu này: chịu tải kém, bền nhiệt kém.
Trong kỹ thuật hàng không, cấu trúc nhôm có độ bền mỏi kém. Thân của máy bay dân dụng có thể bị xé toạc theo đường cửa sổ sau thời gian sử dụng nhất định. Bởi sự thay đổi vị trí từ mặt đất lên độ cao 10.000 m khiến chênh lệch áp suất giữa bên trong khoang máy bay và bên ngoài lớn.
Nhôm cũng từng được dùng làm khung xe vào thập kỷ 80, 90 của thế kỷ trước. Độ cứng của chúng giảm dần theo thời gian. Điều tồi tệ đã xảy ra với chiếc Suzuki GSX-R1100. Một số trường hợp, vị trí khớp xoay càng sau của xe bị yếu đi sau khi xe chạy được khoảng 16.000 km.
 |
| Mẫu piston thép đặc tính cao có phần chân ngắn, các rãnh xéc-măng nằm sát đỉnh. |
Những chiếc Kawasaki GPZ600 (thế hệ Ninja 600 đầu tiên) cũng từng dùng khung nhôm để giảm cân, tăng tuổi thọ. Bởi nếu xét cùng kích thước thì nhôm nhẹ hơn thép. Nếu cùng khối lượng, khung nhôm cứng hơn thép.
Xét về mặt chịu nhiệt, dù là hợp kim nhôm – silíc loại tốt nhất cũng chỉ có nhiệt độ nóng cháy tương đối thấp (khoảng 660 độ C). Điều quan trọng hơn, nó bắt đầu giảm độ bền ở 150 độ C.
Tương lai có dành cho piston thép?
Đánh giá tính khả thi của thép có thể được xem xét trên các mẫu piston xe đua. Những mô hình ấn tượng dưới đây phần nào làm sáng tỏ hơn về khả năng chế tạo piston thép.
Các mẫu piston được chế tạo bằng hai phương pháp: đúc micro và luyện kim bột. Trong cả hai trường hợp, các mẫu đều nhẹ hơn so với khi chúng được làm từ nhôm.
Bên cạnh đó, piston mẫu cho thấy các rãnh xéc-măng sát đỉnh hơn, vị trí lắp chốt cũng được đưa sát đỉnh. Điều này giúp tăng cứng pít tông, kéo dài thanh truyền làm tăng mô-men quay. Động cơ có thanh truyền dài hơn sẽ tạo được mô-men quay lớn hơn, đồng thời lực ép của piston vào xi-lanh giảm giúp hạn chế mài mòn và tổn thất ma sát.
 |
| Piston thép có phần đầu mỏng. Hệ thống gân trợ lực tăng cứng piston. |
Các mẫu kiểm tra thể hiện ưu điểm về sức bền kéo, bền uốn và khả năng làm việc dưới tác động của nhiệt độ cao. Do đó, nó tăng hiệu quả đoạn nhiệt. Nói cách khác là tăng hiệu suất, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Ngoài ra thép cũng cho thấy khả năng vượt trội về độ cứng vững và ma sát bề mặt thấp.
Các mẫu kiểm tra lắp với xi-lanh nhôm mạ Nikasil, piston thép vẫn cào xước bề mặt xi-lanh dù được gia cứng. Để khăc phục nhược điểm này, cần sử dụng xi-lanh thép hoặc gang đúc. Khi cả hai bề mặt tiếp xúc đều cứng và chịu mòn tốt sẽ tăng tính hiệu quả và độ tin cậy.
Một vấn đề lớn khác là độ tin cậy khi piston thép làm việc ở nhiệt độ cao. Thép tản nhiệt kém hơn nhôm. Từ tâm piston, nhiệt không được truyền đủ nhanh ra ngoài xi-lanh. Nhiệt dư tại đây ảnh hưởng xấu đến dầu bôi trơn. Dù ngày nay, dầu tổng hợp có khả năng chịu nhiệt tốt hơn những vẫn sẽ bị phá hủy nếu động cơ dùng piston thép.
Do đó, động cơ dùng piston thép sẽ cần hệ thống làm mát phức tạp hơn. Ví như phải có một mạch dầu chuyên dụng phun vào toàn bộ mặt dưới của piston để loại bỏ nhiệt, sau đó chất bôi trơn phải được lưu thông càng nhanh càng tốt.
Thép sẽ làm vật liệu tiềm năng đối với piston nhưng cần phải có biện pháp giải quyết vấn đề nhiệt dẫn đến phá hủy dầu hoặc hy vọng ngành công nghiệp dầu sẽ có những bước tiến để tạo ra loại dầu siêu bền không bị phá hủy ở nhiệt độ cao.
(Còn nữa)
Thế Hoàng
