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).[4]

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.[5]

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.[6]

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.[5]

Vật liệu

Nắp máy thường được làm bằng gang hoặc hợp kim nhôm, giống như thân máy và cácte.[7] 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.[8]

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.[7] Ở những động cơ có nắp xi lanh bằng nhôm, nhiệt độ xupap có thể giảm đến 200 °F (93 °C), giúp giảm sai lệch khe hở nhiệt của xupap và tăng độ bền xupap cũng như toàn động cơ.[8]

Vật liệu nhôm có một số nhược điểm so với gang khi dùng làm vật liệu nắp xi lanh. Hợp kim nhôm đắt tiền hơn gang, dễ bị cong vênh và nứt khi bị quá nhiệt, đồng thời nếu dầu nhờn cũ bẩn sẽ gây mài mòn do ma sát với bề mặt nhôm. Nắp máy sử dụng hợp kim có hàm lượng nhôm cao cũng dễ bị ăn mòn điện hóa hơn so với gang. Hệ số giãn nở nhiệt của nhôm cao hơn gang từ 4 đến 7 lần, dẫn đến việc chọn lựa vật liệu đệm nắp máy và tính toán cơ cấu siết nắp máy khó khăn hơn.[8]

Ngoài hai vật liệu phổ biến trên, nắp xi lanh ở một số động cơ diesel hiện đại có thể được làm bằng gang graphit ngắn (compacted graphite iron) hay còn gọi là "gang graphit thiêu kết" (sintered graphite). Nắp máy làm bằng gang graphit CGI có cùng trọng lượng với hợp kim nhôm nhưng lại có độ bền và độ cứng cao hơn thép.[8]