✨Nắp xi lanh

thumb|Nắp máy của động cơ xe [[Ford Windsor engine|Ford Windsor V8 302/5.0L]] thumb|Nắp máy của động cơ Caterpillar Nắp xi lanh (), hay còn gọi nắp máy, nắp quy lát (từ tiếng Pháp: culasse), là bộ phận nằm phía trên các xi lanh trên đỉnh của thân máy trong động cơ đốt trong. Nắp xi lanh cùng với thành xi lanh và đỉnh piston kết hợp tạo thành buồng đốt và thể tích làm việc của động cơ. Mối nối giữa nắp xi lanh và thân động cơ được bịt kín bởi miếng đệm nắp máy (head gasket). Trong hầu hết các động cơ, nắp máy có nhiệm vụ cung cấp không gian gắn các bộ phận dẫn khí và nhiên liệu vào xi lanh, đồng thời cho phép khí thải thoát ra ngoài. Nắp xi lanh cũng là nơi để lắp xupap, bugi (ở động cơ xăng), kim phun nhiên liệu (ở động cơ diesel).

Tổng quan

Cấu tạo

Nắp xi lanh là bộ phận quan trọng trong cấu tạo động cơ đốt trong. Nắp xi lanh có hình dáng phức tạp do phụ thuộc vào loại động cơ và vị trí đặt xupap. Đối với động cơ sử dụng cơ cấu xupap hông, cấu tạo nắp xi lanh đơn giản hơn nhiều so với những động cơ dùng xupap treo (như OHV hoặc OHC).

thumb|Một nắp xi lanh ở động cơ cam đơn (SOHC) được cắt đôi, cho thấy các [[xupap nạp và xả, các cửa nạp và xả, đường dẫn nước làm mát, cam, con đội xupap và lò xo xupap.]]

Nắp xi lanh có nhiệm vụ làm giá đỡ để gắn các bộ phận như cơ cấu phân phối khí, kim phun nhiên liệu, trục cam (trong động cơ trục cam trên đỉnh – OHV), ống dẫn hướng xupap, đế xupap, cơ cấu cổ hút và cổ xả. Ngoài ra, trong thân của nắp xi lanh còn có nhiều lỗ hoặc vị trí đặt để lắp các bộ phận như kim phun, vòi phun, ống dẫn phun nhiên liệu, ngăn chứa dung dịch làm mát, khoang dẫn nhiên liệu và dầu bôi trơn. Những loại cảm biến, như cảm biến nhiệt độ hoặc cảm biến vị trí cam, cũng được đặt tại nắp xi lanh.

Nắp xi lanh cần được ráp chặt với thân máy để tạo buồng đốt kín động cơ, giúp động cơ duy trì áp suất nén và áp suất cháy cao. Mặc dù bề mặt tiếp xúc giữa nắp xi lanh và thân máy được gia công nhẵn, phẳng, và song song, tuy nhiên, trong thực tế luôn tồn tại những điểm không phẳng tuyệt đối. Do vậy, bề mặt nối giữa nắp xi lanh và thân động cơ được bịt kín bởi đệm nắp máy nhờ vào tính dẻo và tính đàn hồi của vật liệu đệm nắp máy. Khi nắp máy được siết chặt với thân máy, đệm nắp máy chịu nén, bề mặt tiếp xúc tạo ma sát đủ lớn để bịt kín và chống lại tác động của áp suất khí cháy trong xi lanh.

Đối với động cơ diesel, do tỷ số nén cao hơn nhiều so với động cơ xăng, nên nắp xi lanh có thiết kế chắc chắn hơn, đồng thời phải dùng cơ cấu chốt ngàm để đóng chặt nắp máy. Việc lựa chọn vật liệu để sản xuất nắp xi lanh tùy vào nhiều yếu tố như dung dịch làm mát (vốn có tính ăn mòn), lưu lượng và độ nhớt của dầu nhờn, mục đích sử dụng động cơ (quyết định đến áp suất và nhiệt độ vận hành), và yêu cầu về trọng lượng của động cơ. Gang là vật liệu truyền thống dùng sản xuất nắp xi lanh do có ưu điểm độ bền, khả năng chịu mài mòn cao, dễ sản xuất, dễ gia công, tính chịu nhiệt tốt. Tuy nhiên, nhiều loại vật liệu mới được sử dụng để làm nắp máy nhờ vào tính chất nhẹ, độ bền cao, ít yêu cầu bảo trì thường xuyên, đồng thời tăng hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu.

Hợp kim nhôm, ngoài tính chất nhẹ, còn có ưu điểm là có tính dẫn nhiệt cao, giúp nhiệt độ được phân bổ đều trên toàn bộ nắp xi lanh khi động cơ hoạt động. Đồng thời, điều này cũng giúp tăng tỷ số nén động cơ lên một ít mà không gây ra hiện tượng kích nổ (knocking). Ở các loại động cơ làm mát bằng không khí, nắp xi lanh bằng hợp kim nhôm thường được dùng kết hợp với thân máy và cácte, vốn làm bằng gang, để tăng hiệu quả truyền nhiệt. Điều này trái ngược với kích thước lý tưởng cho quá trình đốt và tỷ số nén cao là thể tích nhỏ và chiều cao thấp. Do đó, ở các động cơ hiện đại và hiệu suất cao, các xupap được thiết kế gần vào trung tâm của buồng đốt. Ngoài ra, diện tích thoát nhiệt của buồng đốt ở động cơ xupap đặt lớn, làm giảm hệ số nạp đầy của động cơ.

Động cơ xupap treo

Ở động cơ sử dụng cơ cấu phối khí xupap treo (OHV), nắp xi lanh chứa xupap và bugi, cùng với các ống dẫn hoặc 'cửa' (port) cho hòa khí vào và khí cháy thải ra. Xupap được điều khiển bởi trục cam. Trục cam được đặt bên trong khối xi lanh, truyền động đến xupap thông qua cơ cấu đũa đẩy và cò mổ được đặt trong nắp xi lanh.

Ở động cơ sử dụng cơ cấu phối khí trục cam trên đỉnh (OHC), nắp xi lanh chứa xupap và bugi, và đường dẫn khí vào / xả giống như động cơ OHV, nhưng trục cam bây giờ được đặt trực tiếp trong nắp xi lanh. Trục cam có thể được đặt ở vị trí trung tâm giữa mỗi hàng lệch nhau của xupap nạp và xupap xả, đồng thời vẫn sử dụng các cò mổ (nhưng không sử dụng đũa đẩy như ở động cơ OHV) hoặc trục cam có thể được đặt ngay trên các xupap (giúp loại bỏ cò mổ và sử dụng các con đội xupap dạng gàu múc (bucket tappet).

Bố trí

Số lượng nắp xi lanh trong động cơ phụ thuộc vào cấu hình động cơ. Hầu hết tất cả các động cơ xi lanh thẳng hàng ngày nay sử dụng một nắp xi lanh duy nhất cho tất cả các xi lanh. Động cơ V có hai nắp xi lanh, mỗi nắp xi lanh gắn ở hai đầu chữ 'V'. Đối với một số động cơ V có góc chữ V hẹp, chẳng hạn như ở động cơ Volkswagen VR6, góc giữa các dãy xi lanh hẹp đến mức có thể chỉ cần một nắp xi lanh để dùng chung cho hai dãy xi lanh. Động cơ phẳng (về cơ bản là động cơ V, trong đó góc giữa hai dãy xi lanh là 180°) có hai nắp xi lanh. Hầu hết các động cơ hướng tâm đều có một nắp máy cho mỗi xi lanh, mặc dù nắp máy ở loại động cơ này thường có dạng khối liền (monobloc) trong đó phần nắp máy cùng với xi lanh cấu tạo thành một khối. Thiết kế này phổ biến ở xe máy và các thành phần nắp / xi lanh như vậy được gọi là 'lốc máy' (barrel).

Một số động cơ, đặc biệt là động cơ diesel công suất trung bình và lớn được chế tạo cho các mục đích công nghiệp, hàng hải, làm máy phát điện và động cơ đầu kéo hạng nặng (xe tải lớn, đầu máy, thiết bị hạng nặng, v.v...) có nắp xi lanh riêng cho từng xi lanh. Điều này làm giảm chi phí sửa chữa vì nếu một nắp máy hỏng duy nhất trên một xi lanh đơn có thể dễ dàng được thay thế, thay vì nếu thay một nắp xi lanh lớn dùng chung sẽ đắt hơn nhiều. Thiết kế nắp xi lanh đơn này cũng cho phép các nhà sản xuất động cơ dễ dàng sản xuất nhóm các động cơ có cách bố trí với số xi lanh khác nhau mà không cần phải thiết kế nắp xi lanh mới hoàn toàn.

Thiết kế của nắp xi lanh rất quan trọng đối với công suất và hiệu năng của động cơ đốt trong, vì hình dạng của buồng đốt, cổ góp hút và xả (và ở mức độ thấp hơn là ống xả) quyết định một phần chính của hiệu suất nạp khí (Volumetric efficiency) và tỷ số nén của động cơ.

Hình ảnh