Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння заснований на перетворенні енергії згоряння паливно-повітряної суміші в корисну енергію обертання колінчастого вала двигуна. Всі стадії процесу згоряння, основного процесу в двигуні, проходять в камерах згоряння, які розташовані всередині циліндрів двигуна. При цьому в циліндрі підвищується температура газів і їх тиск, а так як тиск під поршнем відповідає атмосферному тиску, то під дією різниці тисків поршень буде переміщатися вниз, переміщаючи шатун на якому закріплений. Робота, вироблена розширюються газами згоряння палива, за допомогою кривошипно-шатунного механізму передається на колінчастий вал, і далі на трансмісію і колеса автомобіля.
Сталою назвою «поршнева група» називають поршень з комплектом кілець ущільнювачів, поршневим пальцем і деталями його кріплення, якщо вони є.
Основна функція поршня кривошипно-шатунного механізму - сприйняття тиску газів в камері згоряння і передача зусилля на шатун. Поршень є цілісним конструктивний елемент, елементи якого мають свою назву і призначення. Умовно поршень поділяють на головку (також відому як днищем поршня), спідницю з бобишками і ребра для посилення жорсткості між ними. Форма і конструктивні особливості поршня визначаються, в основному, типом двигуна, формою камери згоряння, особливостями процесу згорання палива. Поршні, що виготовляються для бензинових двигунів, часто мають пласку поверхню головки або близьку до плоскої, з додатковими виїмками для повного відкривання клапанів циліндра. Поршень для дизельного двигуна може мати додаткові отвори для завихрення і більш повного змішування палива з повітрям.
Спідниця поршня може бути конусоподібної або криволінійної форми. Вона кілька вже головки і служить для приєднання поршня до шатуна за допомогою поршневого пальця. Форма спідниці покликана компенсувати температурне розширення металу поршня і при досягненні двигуном робочих температур, поршень приймає циліндричну форму. Поршневий палець закріплюється в спеціально виконаних в спідниці отворах з ущільненням, званих бобишками.
Поршень при роботі піддається значним навантаженням, як механічним, так і тепловим. Для збільшення міцності головки поршня, яка є однією зі стінок камери згоряння, і підвищення загальної жорсткості, бічні стінки поршня можуть забезпечуватися масивними ребрами, що зв'язують стінки і днище з бобишками. Внутрішня сторона головки найчастіше виконується гладкою, з перемінним перетином, яке потовщується до периферії, що покращує тепловідвід.
Так як різні частини поршня нагріваються по-різному і відчувають теплові удари, велике значення має якість матеріалу. Поршні переважно виготовляються зі сплавів алюмінію і кремнію з різним додаванням кремнію, іноді в якості основного матеріалу використовується чавун. Це дозволяє створити деталь здатну витримувати множинні перегріви без руйнування в процесі. Рідше використовуються сплави системи алюміній-мідь, що застосовуються для спортивних моторів. Вони мають кращі фізико-механічні характеристики, але відрізняються збільшеним коефіцієнтом лінійного розширення матеріалу. Іноді для збільшення тепловіддачі і зниження втрат на тертя, стінки поршня покриваються шаром антифрикційного матеріалу (дисульфід молібдену, графіт).
Щоб уникнути заклинювання поршня при розширенні під дією високих температур, поршні підбирають так, щоб залишався зазор між головкою і стінками циліндра. Для ущільнення зазору і збереження тиску газів в камері згоряння, використовуються поршневі кільця, що встановлюються в спеціальні прорізи на стінках головки.
Кільця служать для виконання декількох функцій: збереження компресії в камері згоряння, запобігання прориву горючих газів в порожнині двигуна, запобігання попадання масла в камеру згоряння, забезпечення відводу тепла від стінок поршня. Для виготовлення поршневих кілець застосовують перлітний високосортних чавун з твердістю НВ 220-240 (одиниць), а також, останнім часом, широке застосування знаходить і сталь з твердістю вище твердості стінок циліндра. Висока твердість матеріалу кілець дозволяє продовжити термін служби основний тертьової деталі двигуна внутрішнього згоряння. Число і розташування кілець залежить від типу двигуна і його призначення, але найпоширеніша схема - два компресійних кільця і одне маслос'емноє.
Компресійні кільця перешкоджають прориву газів з камери згоряння і працюють в найбільш важких умовах високого тиску і температури, практично з відсутністю мастила. На порушених дизельних і деяких форсованих бензинових двигунів в канавці кільця може бути встановлена сталева вставка, що підвищує міцність і дозволяє реалізувати максимальну ступінь стиснення. Компресійні кільця можуть мати різну форму поперечного перерізу - прямокутну, трапецієподібну, конічну.
Прямокутні кільця найбільш прості конструктивно і забезпечують гарне ущільнення з підвищеною тепловіддачею від головки поршня до стінок циліндра. Трапецієподібні кільця менш схильні до закоксовування, ніж прямокутні, але більш складні у виготовленні і менш міцні при значних перевантаженнях. Конічні кільця мають хорошу приработку, так як спочатку кільце прилягає до поверхні циліндра тільки нижньою крайкою, також в період підробітки конічне кільце має підвищені маслознімні, але знижені ущільнювальні властивості і тепловіддачу.
Маслос'емноє кільце призначене для видалення надлишків олії зі стінок циліндра і перешкоджає попаданню масла в камеру згоряння. Також кільце сприяє кращому теплоотводу від стінок циліндра за допомогою масла. Маслос'емноє кільце встановлюється в самому низу і має безліч дренажних отворів. Матеріалом для виготовлення литого маслос'емного кільця служить чавун, а складові кільця виготовляють зі сталі. Складові кільця часто мають кілька елементів - верхнє маслос'емноє кільце, нижнє кільце, радіальний розширювач і осьової розширювач.
Шарнірне з'єднання верхньої головки шатуна і поршня здійснюється за допомогою поршневого пальця. Палець є короткий, порожній усередині, циліндричний стрижень, що поміщається в бобишках поршня і закріплюється в шатуне або в поршні. Закріплення і довжина, менша діаметра циліндра, забезпечують вільний рух поршня, при якому палець не торкається стінок циліндра щоб уникнути їх пошкодження.
Для підвищення зносостійкості поршневого пальця, його виготовляють з вуглецевих або хромистих сталей з наступним шліфуванням зовнішньої поверхні пальця, цементацией і загартуванням. Після обробки матеріал пальця з внутрішньої сторони стінок зберігає в'язкі властивості, що дозволяє добре чинити опір ударним навантаженням, а зовнішній загартований шар набуває підвищену зносостійкість.
Поршневі групи автомобілів ЗАЗ Таврія.
Поршень підлягає заміні при збільшенні зазору між спідницею поршня і циліндром, при збільшенні ширини канавок під установку поршневих кілець, при зносі отвори під установку пальця або при наявності зовнішніх дефектів, що виявляються оглядом (задираки, прогари).
Нові заводські поршні, які мають зовнішній діаметр спідниці 72-0.01 -0.05 мм, розбиті на п'ять розмірних груп: А, Б, В, Г, Д через 0,01 мм. Поршні ремонтних розмірів зі збільшеним діаметром спідниці поршня на 0,25 мм і 0,5 мм маркуються, зазначенням відповідних діаметрів спідниць на днище поршня.
Ось отвори для установки пальця зміщена щодо діаметральної площині поршня на 1,5 мм. На днище поршня також нанесена стрілка, для правильної установки пальця. При монтажі на двигуні, стрілка на всіх порушених повинна бути звернена в сторону носка колінчастого вала. Залежно від діаметра отвору під установку поршневого пальця, поршні сортують на три групи через 0,004 мм і маркують відповідної фарбою на бобишки (червоною, жовтою, зеленою). Для заміни поршнів в якості запасних частин випускаються поршні номінальних і двох ремонтних розмірів. Поршні ремонтних розмірів мають відміну від поршнів номінальних розмірів, збільшеним на 0,25 мм і 0,50 мм зовнішнім діаметром.
Щоб забезпечити необхідний зазор між нижньою частиною спідниці поршня і поверхнею циліндра (в межах 0,05 - 0,07 мм), поршні номінального розміру сортують на п'ять груп. Літерне позначення групи (А, Б, В, Г, Д) наноситься на зовнішній поверхні днища поршня. На днищах поршнів ремонтного розміру вказується дійсний розмір ремонтного збільшення. При першій заміні поршнів без расшліфовкой зношеного циліндра рекомендується встановлювати поршні нормального розміру, переважно групи Д.
При складанні поршневий групи палець, поршень і шатун комплектуються з деталей тільки однієї розмірної групи. Це забезпечує необхідний натяг між пальцем і бобишкою поршня до 0,008 мм і необхідний зазор між пальцем і втулкою верхньої головки шатуна 0,002 - 0,010 мм (при температурі 20. 25 о С).
Установка в поршень пальця іншої розмірної групи може привести до деформації поршня і задиру. При заміні поршневого пальця на працюючому поршні, підбір пальця здійснюється за результатами виміру діаметра бобишек для забезпечення натягу від 0 до 0,008 мм.