Поршень двигателя: как он устроен и как работает

Поршень — это одна из самых высоконагруженных и важных деталей автомобильного двигателя. Именно благодаря ему тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в движение машины. Но многие водители даже не представляют, как выглядит поршень двигателя. Рассказываем про строение поршня, а также его возможные неисправности.

Как работает поршень двигателя в автомобиле

Традиционные двигатели внутреннего сгорания ещё называют поршневыми. В их корпусах (блоках) сделаны цилиндрические полости, или просто цилиндры. В каждом цилиндре работает свой поршень. Вспомним принцип работы ДВС. При сгорании топливо-воздушной смеси газы давят на поршень, и он начинает двигаться поступательно. С помощью шатуна и коленвала это поступательное движение превращается во вращательное, а потом передаётся через трансмиссию на колёса. 

Сам он, конечно, тоже имеет цилиндрическую (точнее, почти цилиндрическую) форму, чтобы плотно прилегать к поверхности цилиндра в двигателе. Фактически поршень (наряду с другими компонентами) предназначен для перевода энергии сгорания воздушно-топливной смеси в кинетическую энергию. 

Из каких частей состоит поршень

Если внимательно посмотреть, как выглядит поршень двигателя внутреннего сгорания, можно отметить две его важные составляющие: корпус поршня и уплотняющую часть. Корпус поршня, в свою очередь, состоит из днища и направляющей части.

Днище поршня (или головка) — это верхняя, торцевая часть поршня. Она принимает на себя давление газов и большую часть тепловой нагрузки, поэтому металл здесь толще, чем у остального корпуса.

Днище поршня может иметь разную форму: плоскую, с выточкой для создания оптимальной формы камеры сгорания, с выемками для тарелок клапанов (если вдруг эти детали встретятся при обрыве ремня ГРМ или перескоке цепи). В дизелях и малообъёмных бензиновых моторах с высокой степенью сжатия поршень может иметь вогнутое днище — по сути, большая часть камеры сгорания оказывается в нём. А в других двигателях (бензиновых с высокой степенью сжатия) головка поршня, наоборот, бывает выпуклой. 

Направляющая (боковая) часть поршня ещё называется юбкой. Она поддерживает правильное положение поршня относительно цилиндра. Юбка поршня скользит по его стенкам. Поэтому, как правило, имеет покрытие из антифрикционных материалов.

С внутренней стороны в юбке поршня делаются утолщения (бобышки) с отверстиями под поршневой палец, который соединяет эту деталь с шатуном. Палец фиксируется либо за счёт посадки с натягом, либо стопорными кольцами — под них в юбке тоже есть канавки.

Уплотняющая часть — очень важный компонент движущегося в цилиндре поршня. Без неё газы из камеры сгорания проникали бы в картер, а масло из картера — наоборот, в камеру сгорания. Чтобы этого избежать, в поршне предусмотрели канавки для установки специальных компрессионных и маслосъёмных колец. А ещё поршневые кольца служат для охлаждения самого поршня, отводя избыток тепла от его днища к стенкам цилиндра.

Назначение таких колец понятно из названия. Компрессионные — их обычно по два на поршень, верхнее и нижнее — не дают прорваться газам в картер, поддерживая в цилиндре рабочее давление (компрессию). А маслосъёмные — снимают излишки масла с поверхности цилиндра при движении поршня вниз.

Из какого материала изготавливают поршни? Когда-то их отливали из тяжёлого и довольно хрупкого чугуна. Затем на смену пришли алюминиевые сплавы. Они имеют лучшую теплоотдачу и меньше весят — поэтому могут применяться на современных, более высокооборотистых моторах.

Наряду с алюминиевыми поршнями сегодня делают и стальные. Они лучше выдерживают ещё большие температуру и давление в цилиндрах. А благодаря более тонким стенкам и общей высоте при том же диаметре цилиндров, как правило, имеют меньшую массу.

В чём причины износа поршней и какие у этого последствия

Как и другие детали, поршень ДВС подвержен естественному износу, особенно его верхняя часть, которая находится ближе к камере сгорания. Она принимает основную тепловую и физическую нагрузку. Сначала изнашиваются первое поршневое кольцо и канавка под него.

Есть факторы, которые сокращают ресурс поршня двигателя. нНпример, недостаток масла или его плохое качество. Также поршень может начать разрушаться из-за перегрева или появления детонации — взрывообразного процесса сгорания топлива, который сопровождается резкими скачками давления и повышением температуры в цилиндрах. 

Симптомы критического износа поршней обычно легко заметны:

• нестабильная работа двигателя;
• стуки при работе двигателя;
• снижение мощности двигателя;
• повышенный расход масла и сизый дым из выхлопной трубы;
• нагар на свечах зажигания;
• увеличение расхода топлива.

При обнаружении любой из описанных выше проблем не стоит откладывать их решение в долгий ящик — они могут иметь серьёзные последствия вплоть до капремонта двигателя.

Как правильно выбрать поршень на замену

Хорошие поршни двигателя — это качественный металл, высокая точность размеров и фиксированный (с минимальными отклонениями) вес. У малоизвестных производителей обычно есть проблемы с каждым из пунктов.

Поэтому, чтобы не столкнуться с браком, лучше выбирать только оригинальные запчасти либо поршни от известных производителей. Например, хорошо себя зарекомендовали такие фирмы, как Mahle или Kolbenschmidt.

Важно не ошибиться с размером поршня. Для многих моделей двигателей существуют детали ремонтных размеров — у них немного (обычно на доли миллиметров) больше диаметр. Таким образом компенсируется износ стенок цилиндров, которые в процессе ремонта растачивают под новый размер, заодно восстанавливая их поверхности.

Соответственно, размер поршня подбирается  с учётом выработки цилиндра (если существенной нет, достаточно приобрести поршни номинального размера). Какие именно детали нужны в каждом конкретном случае, определяют мастера сервисов по результатам дефектовки и промеров ремонтируемого двигателя.

Фото на обложке: Mahle