Поршневая группа состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца и является неотделимой частью двигателя. В зависимости от особенностей конструкции она включает дополнительно детали фиксации пальца от осевых перемещений и детали системы охлаждения поршня.

Поршень.

Поршень это очень важная и одна из наиболее напряженных части двигателя. Поршень является одной из деталей, образующих камеру сгорания двигателя, обеспечивая ее герметичность, передающая силу давления газов шатуну; в двухтактных двигателях поршень выполняет также функции распределительного устройства, управляя открытием впускных и выпускных окон в цилиндре. Поршень (рис. 1 а) имеет головку с днищем 1, юбку 2, канавки для поршневых колец и бобышки 3 для установки поршневого пальца. На поршень действуют высокие механические (давление газов, силы инерции) и тепловые нагрузки. Боковая поверхность поршня подвержена износу при движении по поверхности цилиндра. В результате трения поршневых колец и боковой поверхности о стенку цилиндра поршень нагревается дополнительно. Ввиду высоких температур поверхности днища поршня снижаются допустимые напряжения его материала , что может в крайних исключительных случаях привести к образованию трещин.(Поэтому алюминиевый сплав, хим состав и структура материала имеет важное значение в поршнях) Перегрев зоны расположения поршневых колец нарушает их нормальную работу и ведет к увеличению расхода топлива, масла и износа канавок, а также другим нехорошим последствиям. Поршень устанавливают в цилиндре (гильзе) двигателя с зазором, однако перегрев поршней на может вызвать задиры на боковой поверхности и даже заклинивание поршня в цилиндре. Для уменьшения сил инерции возникающих вследствие возвратно-поступательного движения поршня, его масса должна быть по возможности меньше, что достигается в первую очередь применением алюминиевых сплавов для изготовления поршней. Однако в форсированных по величине среднего эффективного давления двигателях, когда прочность алюминиевых сплавов оказывается недостаточной, применяют чугунные, стальные и часто составные конструкции поршней. По конструкции поршни значительно различаются в зависимости от типа и назначения двигателя, на котором они применяются. Поршни двигателей с принудительным воспламенением, в частности карбюраторных (рис.1,а), отличаются минимальной толщиной стенок, что при использовании в качестве материалов исключительно легких сплавов обеспечивает легкость конструкции. Поршни таких двигателей имеют, как правило, плоское днище 1. Для уменьшения зазора между поршнем и цилиндром и устранения при этом опасности заклинивания юбку 2 поршней карбюраторных двигателей часто делают разрезной. Она имеет в поперечном сечении овальную форму, большая ось перпендикулярна оси поршневого пальца, установленного в бобышках 3. При работе двигателя поршень, нагреваясь, расширяется так, что форма юбки приближается к цилиндрической. Поршни для автомобилей и тракторов с дизельным двигателем более массивны, что связано с: большими механическими и тепловыми нагрузками действующими в дизелях. Форма днища может быть различной и зависит от принятого типа камеры сгорания. На рис. 1, б показан поршень автомобильного дизеля с полу разделенной камерой (штриховой прямой показан применяемый вариант камеры). Юбки 2 поршней дизелей выполняют также овальной формы и часто профилируют по высоте. В отличие от поршней карбюраторных двигателе поршни дизелей не имеют разрезов.

Рис.1 Поршни: а -автомобильного двигателя с принудительным воспламенением; б- автомобильного дизеля с полу-раздельной камерой; в — четырехтактного тепловозного дизеля; г — судового дизеля с клапано-щелевой схемой газообмена;д-охлаждаемый с подводом жидкости при помощи телескопического механизма; 1-днище; 2-юбка; 3-бобышка;4-вставка; 5-корпус; 6-головка; 7-канал; 8-трубка; 9-шпилька; 10-кольцевой паз для выемки поршня;11- телескопический механизм.

Для снижения температур головки поршня и зоны первого компрессионного кольца внутренняя поверхность днища может охлаждаться струей масла, направляемой снизу через шатун или, что более эффективно, через специальную неподвижную форсунку, установленную в картере. Такой способ подачи масла целесообразен в двигателях с повышенной (ориентировочно n-2ООО об/мин) частотой вращения коленчатого вала.

Для повышения срока службы поршни из легких сплавов многих двигателей имеют залитую вставку 4 под первое компрессионное кольцо. Иногда вставку выполняют под два верхних кольца из прочного износостойкого материала, что обеспечивает стабильность размеров поршневых канавок в эксплуатации.Поршни тепловозных двигателей работают в очень тяжелых условиях в связи с высоким форсированием двигателей по среднему эффективному давлению и повышенными по сравнению с автомобильными двигателями размерами поршней. Поэтому часто применяют составные конструкции поршней с масляным охлаждением (рис. 1,в). В этом случае корпус 5 поршня (тронк) выполняют из алюминиевого сплава (иногда из чугуна), а тепло напряженную головку 6 из легированной стали. Обе детали соединяют шпильками 9, установленными в головке 6. Поршень охлаждается маслом, подаваемым через шатун в центральную часть полости охлаждения, из которой масло перетекает по каналам 7 к краю головки, а затем по трубке 8 сливается в картер. Стальные (иногда чугунные) поршни мало оборотных двухтактных дизелей отличаются повышенной толщиной стенок. На рис. 1‚г представлен поршень судового дизеля с клапанно-щелевой схемой газообмена.

Поршни современных мало оборотных двигателей характеризуются высокой тепловой напряженностью и поэтому для обеспечения долговечной работы всегда охлаждаются. Для подвода охлаждающей жидкости и поршню в двигателях используют телескопический механизм Н (рис. 1,д). При этом в последние годы в этих двигателях наряду с масляным все шире применяют водяное охлаждение поршней, что увеличивает количество отводимой теплоты от головки поршня и существенно понижает ее температуру. В конструкции крейцкопфных двигателей предусматриваются меры, благодаря которым масляная полость защищена от попадания в нее охлаждающей воды. Поршни тронковых двигателей охлаждаются только маслом.

Поршневые кольца уплотняют поверхность камеры сгорания, препятствуя проникновению продуктов сгорания в полость картераи масла в камеру сгорания, что нужно для уменьшения расхода масла на угар. В соответствии с этим кольца делят на компрессионные (верхние) и маcлосъемные (нижние). Для осуществления монтажа на поршень кольца делают разрезными с прямым или косым разрезом. Через кольца от поршня во втулку цилиндра(гильзу) отводится значительное количество теплоты.

Рис. 2. Комплект поршневых колец автомобильного двигателя.

На рис. 2 представлен комплект поршневых колец автомобильного двигателя с принудительным зажиганием: два верхних кольца 1 и 2 являются компрессионными, а нижние 3—масло-съемным. Дизели имеют большее число колец, поскольку давление газа в цилиндре у них выше. Компрессионные кольца работают в тяжелых условиях, определяемых высокой температурой, большими скоростями изменения давления газа и ускорениями при движении колец. При этом необходима длительная работоспособность кольцевого уплотнения.

Уплотнение осуществляется благодаря прижатию кольца к стенке цилиндра силами упругости кольца и давления газов. В момент вспышки при положении поршня в ВМТ давление в канавке первого кольца близко к давлению р; в цилиндре, а в канавке второго кольца составляет лишь около 50 % этой величины (рис. 3). Давление рз за последним кольцом существенно меньше, оно соизмеримо с давлением (в картера 59 %‚ а иногда 60 %) приходится на кольца, поэтому прижимать кольца чрезмерно большим усилием нельзя. Температура поршня в зоне расположения колец не должна превышать 20О...22О °С по условиям сохранения технических свойств масла

Рис.3.Схема уплотнительного действия компрессионных колец.

По конструкции компрессионные кольца различаются формой поперечного сечения геометрией их рабочей поверхности. На рис, 4, а представлены некоторые из применяемых в настоящее время типов компрессионных колец. С повышением уровня форсирования хорошо зарекомендовали себя трапециевидные кольца 2, которые менее склонны к за коксованию по сравнению с прямоугольными кольцами 1. Для повышения износостойкости рабочую поверхность кольца покрывают слоем хрома, поверх которого иногда наносят дополнительный тонкий слой молибдена -— износостойкое покрытие. Маслосъемные кольца служат для удаления лишнего смазочного материала с рабочей поверхности втулки цилиндра (гильза)и препятствуют, таким образом, попаданию масла в камеру сгорания. Для нормальной работы сопряжения кольцо+цилиндр достаточная толщина слоя смазочного материала составляет сотые доли миллиметра. Избыток масла выжимается в камеру сгорания, что приводит к нагарообразованию, закоксовованию верхних поршневых колец и перерасходу масла. Существует несколько объяснений путей проникновения масла в камеру сгорания. Одно из них связывает процесс переноса масла по стенкам поршня и цилиндра с насосным эффектом, создаваемым компрессионными кольцами и заключающимся в выдавливании масла через радиальный зазор между цилиндром и перемычками кольцевых канавок при перемещении колец в канавках. Маслосъемные кольца (рис. 4, б) выполняют скребковыми 4, коробчатого типа 5 и 7, а также составными 6 (из нескольких элементов). Для отвода снятого с цилиндра масла в стенке поршня просверливают радиальные (иногда наклонные) отверстия.

Рис. 4. Типы поршневых колец: а-копрессионные; б-маслосьемные; 1-прямоугольное; 2 -трапециевидное; 3 — с износостойким покрытием; 4 -скребковое;5 и 7-коробчатого типа; 6-составное

Основным материалом для изготовления колец служит серый перлитный чугун с легирующими добавками. Верхние кольца форсированных двигателей иногда делают стальными. В тронковом кривошипно-шатунном механизме поршень соединен с верхней поршневой головкой шатуна с помощью пальца, расположенного в расточках бобышек поршня. Палец воспринимает переменные по величине механические нагрузки от сил давления газа на поршень и инерционных сил.

Рис. 5.Поршневые пальцы плавающего типа.

Вследствие трения палец подвержен износу, что обусловливает необходимость тщательной обработки его наружной поверхности и придания поверхностному слою металла высокой твердости путем термообработки. Пальцы выполняют из стали. В настоящее время наибольшее распространение получили конструкции с плавающими пальцем; при этом возможно свободное проворачивание последнего как в головке шатуна, так и в бобышках поршня, что способствует более равномерному износу пальца. От осевого перемещения палец фиксируется пружинными стопорными кольцами 1 (рис. 5, а и б) или специальными ограничителями 2 из мягкого металла  грибками (рис. 5., в). Применяется и фиксированные пальца в головке шатуна или в бобышках поршня. Последнее используется в конструкциях поршня с подводом масла на охлаждение головки поршня через полость поршневого пальца.