Поршневая группа, в которую входят гильза, поршень, палец и поршневые кольца, играет важнейшую роль в работе двигателя, являясь основным ресурсоопределяющим конструктивным модулем.
Поршень представляет собой металлический стакан, устанавливаемый в цилиндре с небольшим зазором. Поршень подвергается действию продуктов сгорания топлива, окисления масла, высоких температур и давлений (в дизелях до 9 МПа). Он движется неравномерно, а около середины хода — с большой скоростью (7... 15 м/с). Поэтому материал поршня должен обладать высокими механическими свойствами и износостойкостью, сохранять их при высоких температурах, быть легким, хорошо отводить тепло.
Поршни современных отечественных двигателей отливают из сплавов с пониженным
коэффициентом теплового расширения, обладающих высокой твердостью и
стабильностью механических свойств при высоких температурах работы
двигателя. Для улучшения механических свойств поршни подвергают термической
обработке.
Поршневые кольца по назначению делят на компрессионные и маслосъемные. Их изготовляют из легированного чугуна или стали. Компрессионное кольцо служит уплотнением между поршнем и стенкой цилиндра, предотвращая прорыв воздуха и газов из пространства над поршнем в картер, а также проникновение масла в камеру сгорания. Маслосъемные поршневые кольца необходимы для снятия излишков масла со стенки цилиндра. Если не снимать излишки масла с внутренней поверхности цилиндров, то оно, проникая в полость над поршнем и соприкасаясь с горячими газами и деталями, частично сгорает, а частично окисляется.
Для изготовления верхнего компрессионного и маслосъемных колец применяется специальная высоколегированная сталь. Для современных двигателей необходимы более усовершенствованные поршневые кольца. Более высокая рабочая температура. Более высокая степень сжатия. Более высокое число оборотов и дополнительные ограничения количества выбросов. Удовлетворить все эти требования стало возможно благодаря использованию для производства поршневых колец высоколегированной стали.
Применение стали в конструкциях поршневых колец позволяет уменьшить аксиальную высоту кольца и дополнительно радиальную толщину стенки. Благодаря этому более лёгкое кольцо лучше уплотняет канавку в поршне, причём в то же время напряжение кольца по сравнению с чугунным кольцом значительно выше. Отсюда – лучшее прилегание к цилиндру, что приводит к уменьшению расхода масла.
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой стальной полый цилиндр, стенки которого имеют небольшую толщину. Палец подвергают термической обработке, чтобы получить верхний твердый износостойкий слой (1...1.5 мм) и вязкую середину. Для уменьшения трения наружную поверхность пальца полируют. В большинстве двигателей применяют «плавающие» пальцы, свободно перемещающиеся в бобышках поршня и во втулке шатуна. От осевых перемещений палец удерживается стопорными пружинящими кольцами, которые вставляют в канавки. Материалом для поршневых пальцев служат углеродистые стали, а в особенно напряженных двигателях применяют, например, хромистые и другие легированные качественные стали.
В процессе работы детали поршневой группы подвергаются значительным циклическим, механическим и тепловым нагрузкам, которые повторяются тысячи раз в минуту. Поэтому детали поршневой группы имеют наиболее высокую тепловую напряженность, что обязательно учитывается при выборе их конструкции и материала.
