Что важно понять сразу:

• Поршень выглядит цилиндром, но цилиндром не является. У поршня УМЗ-421 овальность юбки 0,39–0,43 мм при монтажном зазоре 0,024–0,048 мм: форма детали больше искомого зазора примерно в одиннадцать раз.
• Отсюда правило замера: мерить поперёк оси пальца и в нижней трети юбки. Промах по направлению или по высоте даёт ошибку крупнее самой величины, которую ищут.
• Размерная группа и ремонтный размер — разные вещи. Группа — заводская сортировка внутри номинала с шагом 0,012 мм, ремонтный размер — увеличенный диаметр после расточки блока.
• Днище, жаровой пояс и канавки — зона огня и давления. Юбка и бобышки — зона трения и боковой силы. Дефекты этих двух половин между собой не путаются.

Поршень двигателя: устройство и работа по зонам

Разбираем деталь так, как её читают на дефектовке: сверху вниз, зона за зоной. Что происходит в каждой, какой дефект там рождается, чем размерная группа отличается от ремонтного размера и почему юбку нельзя мерить как обычный цилиндр.

Задач у поршня четыре, и снаружи видна только первая. Остальные три объясняют, почему деталь сделана именно такой формы и почему её нельзя рассматривать отдельно от колец, пальца и зеркала цилиндра.

1. Принять давление и передать усилие. Газы давят на днище, поршень идёт вниз и через палец и шатун проворачивает коленвал. Это единственный такт из четырёх, где мотор отдаёт работу.
2. Уплотнить цилиндр. Сам поршень цилиндр не герметизирует: между ним и стенкой всюду есть зазор. Уплотняют кольца, прижатые к зеркалу газами из-за собственной спинки. Залегли кольца — газы уходят в картер, масло идёт в камеру сгорания.
3. Работать насосом. На впуске поршень создаёт разрежение и втягивает заряд, на сжатии сжимает его, на выпуске выталкивает отработавшие газы. Три такта из четырёх поршень не работает, а работают им.
4. Отводить тепло. Днище стоит в очаге горения, а охлаждать его снаружи нечем: поршень висит на шатуне и рубашки охлаждения не касается. Тепло сбрасывают в сторону, через кольца и масло.

Зон пять, и границы между ними проходят по условиям работы, а не по красоте отливки. Верхние три живут в огне и давлении, нижние две — в трении и боковой силе. По тому, где нашлась беда, сразу понятно, в какую сторону копать.

Днище: температура газов до 2000 °C

Днище принимает температуру сгорания около 2000 °C и всё давление газов сразу — это верхняя стенка поршня и одновременно верхняя стенка камеры сгорания. Форма днища задаёт, как перемешивается и как горит смесь, поэтому одинаковых днищ у разных моторов не бывает.

Плоское днище ставят на простые бензиновые моторы, выпуклое поднимает степень сжатия, а днище с выемкой-камерой почти всегда дизельное: камера в поршне закручивает воздух вокруг факела форсунки. Проточки-лыски делают там, где фазы газораспределения подводят тарелку клапана близко к поршню.

Жаровой пояс: поясок, который ничего не уплотняет

Жаровой пояс — участок высотой в несколько миллиметров между кромкой днища и верхней канавкой, и уплотнением он не занимается вовсе. Зазор до стенки здесь специально больше, чем у юбки: поясок раскаляется сильнее всего и расширяется сильнее всего, а касаться зеркала ему нельзя.

Именно на нём оседает твёрдый нагар из сгоревшего масла, и косметикой этот слой не является: спёкшийся нагар твёрже чугуна и на каждом ходе поршня скоблит верх цилиндра, работая абразивом. Кончается он ровно по первому кольцу — ниже юбка чистая, потому что огонь туда не достаёт.

Отсюда связка, которая замыкается сама: рост угара масла подкармливает нагар, нагар сводит сетку хона в верхней части цилиндра, сведённая сетка добавляет угара. Механизм разобран в статье про то, почему двигатель ест масло.

Пояс канавок: три кольца и перемычки между ними

Канавок на современном автомобильном поршне три: две под компрессионные кольца и одна под маслосъёмное. Компрессионные держат газы и отводят тепло в стенку, маслосъёмное снимает избыток масла с зеркала и сбрасывает его внутрь поршня через дренажные отверстия в дне своей канавки.

Верхнюю канавку стараются поднять ближе к днищу: чем меньше объём над первым кольцом, тем короче путь тепла в стенку. У нагруженных дизелей её защищают залитой стальной вставкой — алюминий на этом месте разбило бы кольцом.

Изнашивается канавка не по диаметру, а по высоте: кольцо разбивает её торцы, зазор по высоте растёт, и кольцо начинает работать насосом, гоня масло вверх. Вторая беда пояса — перемычка между канавками: её выкрашивает ударная волна детонации, и тогда кольцо остаётся без опоры.

Бобышки и посадочное отверстие под палец

Бобышек две — это массивные приливы внутри юбки с посадочным отверстием под поршневой палец, через которое усилие уходит на верхнюю головку шатуна. Палец — самая нагруженная на срез деталь поршневой группы: вся сила от давления газов проходит через два его опорных пояска.

В бобышках палец удерживают стопорные кольца, а сама ось пальца у многих моторов смещена от оси поршня на доли миллиметра. Смещение сделано нарочно: оно меняет момент перекладки через верхнюю мёртвую точку и убирает стук. Поэтому поршень с меткой на днище ставят строго по метке, а не как удобно.

Юбка: единственная зона, которая касается зеркала

Юбка — нижняя направляющая часть, и работает она через масляную плёнку толщиной в единицы микрометров. Её задача — удержать поршень от перекоса и принять боковую силу, с которой шатун прижимает поршень к стенке цилиндра при каждом рабочем ходе.

Стороны, на которые поршень наваливается при перекладке, называют упорными: они лежат поперёк оси пальца, и почти всё, что происходит с парой «поршень — цилиндр», выходит именно на них. По оси пальца юбку часто вырезают вовсе — там она не работает.

На юбку многих поршней нанесено антифрикционное покрытие толщиной около 0,015 мм на сторону — графит, дисульфид молибдена или полимер. При замере его учитывают отдельно, иначе диаметр выйдет завышенным на 0,030 мм.

Сводка по зонам: где какие условия и какой дефект их выдаёт.

Таблица читается в обе стороны: сверху вниз — чего ждать от зоны, снизу вверх — какая физика сделала найденный дефект.

Овальность юбки у поршня УМЗ-421 составляет 0,39–0,43 мм, бочкообразность — 0,062–0,102 мм, а монтажный зазор в цилиндре при этом всего 0,024–0,048 мм. Числа взяты из заводского руководства по этому мотору, номинальный диаметр там 100 мм. Форма детали больше искомого зазора примерно в одиннадцать раз.

Оба отклонения от круга — не допуск и не брак литья, а конструкция: деталь спроектирована кривой, чтобы стать правильной при рабочей температуре. Отсюда практический вывод. Померить поршень «где попало» — не в том направлении или не на той высоте — значит получить ошибку на порядок больше самой величины, которую ищут. Не «неточно», а бессмысленно: с тем же успехом можно было не мерить вообще.

Условий у правильного замера пять, и промах в любом из них портит результат сильнее, чем весь искомый зазор в 0,04 мм. Поршень мерят микрометром, цилиндр — нутромером с индикаторной головкой, а зазор получают вычитанием одного из другого.

• Направление — поперёк оси поршневого пальца. Там наибольший диаметр. Руководство по двигателю ЗМЗ-511.10 говорит об этом прямо: контрольная лента размещается в плоскости, перпендикулярной оси пальца.
• Высота — нижняя треть юбки. Motorservice указывает, что наибольший размер поршня находится в нижней трети юбки. У УМЗ-421 точка названа числом — 57 мм от днища.
• Есть измерительные окна — мерить в них. У поршней с покрытием юбки в покрытии оставляют овальные проплешины голого алюминия под микрометр. Пятки прибора не должны быть шире окна.
• Окон нет, а покрытие есть — вычесть двойную толщину. Motorservice: из результата надо вычесть примерно 2 × 0,015 мм, то есть 0,030 мм. Забыли вычесть — получили тесную посадку и задир на первых километрах.
• Температура комнатная, и это не формальность. Заводское руководство Harley-Davidson предупреждает: если долго держать поршень в руке, результат меняется на величину до 0,051 мм. Пятьдесят микрометров при зазоре порядка сорока.

Цилиндр под этот поршень меряют по своей схеме: не в четырёх точках «по циферблату», а минимум в восьми положениях через 45° на нескольких уровнях. Четыре точки через 90° не видят четырёхлепестковую форму отверстия в принципе — разбор ловушки лежит в статье про нутромер для цилиндров.

Размерная группа — сортировка внутри одного номинального размера с шагом 0,012 мм, а ремонтный размер — увеличенный диаметр цилиндра после расточки. Первое придумал конвейер, второе появляется в ремонте. Путают их постоянно, и путаница дорого обходится при подборе деталей.

Зачем заводу группы

Завод не выдерживает диаметр с точностью 0,024 мм на потоке: реальный допуск у него 0,060 мм, в два с половиной раза шире всего поля зазора. Поэтому детали не подгоняют, а сортируют: меряют, клеймят буквой и собирают одноимённые. ГОСТ Р 53809-2010 требует разбивать гильзы бензиновых двигателей на группы с градацией не более 0,012 мм.

Вот как это выглядит на ЗМЗ-511.10 с номинальным диаметром 92 мм: допуск 0,060 мм разбит на пять групп по 0,012 мм и у гильзы, и у поршня. Правая колонка посчитана нами.

Во всех пяти строках зазор один и тот же — 0,024–0,048 мм. Вот он, искомый зазор: отдельным числом в руководстве его может не быть вовсе, он спрятан в таблице групп. Буквенные таблицы без чисел читаются так же: находим строку по фактическому замеру и берём из неё пару.

Для ремонтного цеха вывод неожиданный: групп у нас нет. Мы не сортируем детали, а растачиваем каждый цилиндр под тот поршень, который в нём будет работать, и потому попадаем в зазор точнее конвейера.

А ремонтный размер — коротко

Ремонтный размер — это увеличенный диаметр цилиндра после расточки и комплект поршней под него, обычно с шагом 0,25 или 0,50 мм. Ступень выбирают по промерам изношенного цилиндра и по наличию поршней нужного диаметра, а не «на глаз». Число ремонтов у блока конечно. Как считают остаток ресурса и что делать, когда поршней нужной ступени нет, разобрано в статье про ремонтные размеры поршней.

Путей у тепла четыре, и на первый приходится больше половины потока. Охлаждать поршень напрямую нечем — он висит на шатуне и рубашки охлаждения не касается, поэтому весь отвод идёт в сторону, через сопряжённые детали.

• Через поршневые кольца в стенку цилиндра — главная дорога. Тепло идёт от верхнего кольца в зеркало, оттуда в тело блока и дальше в антифриз. Улучшать теплопередачу — штатная задача кольца, а не побочный эффект. Залёгшие кольца опасны вдвойне: и компрессия падает, и поршень перестаёт отдавать тепло.
• Через масло — второй по значимости путь. Масло разбрызгивается на внутреннюю часть днища, а у нагруженных дизелей его подают форсунками прямо в галерею внутри головки поршня.
• Через палец и шатун — самый длинный и самый слабый. Тепло идёт из головки поршня в бобышки, оттуда в палец, затем в шатун и уже с шатуна в масло; по дороге его тормозит каждый зазор.
• В свежий заряд — самый быстрый. Воздух или смесь, входя в цилиндр, забирает тепло прямо с той поверхности, которая перед этим нагревалась от сгорания.

Вывод из четырёх путей один: перегрев поршня почти всегда означает, что перекрыт первый из них. Кольца закоксовались, теплопередача упала — и деталь начинает копить то, что раньше сбрасывала. Дальше идёт оплавление кромки днища и задиры на юбке.

Поршни массовых моторов делают из алюминиевых сплавов с кремнием: плотность алюминия примерно втрое меньше стальной, теплопроводность в несколько раз выше, а кремний снижает тепловое расширение и повышает износостойкость.

Масса тут важнее, чем кажется: поршень десятки раз в секунду останавливается и разгоняется в обратную сторону, и каждый лишний грамм превращается в инерционную силу на пальце, шатуне и коленвале. У УМЗ-421 разброс по массе поршней на один двигатель ограничен четырьмя граммами. У нагруженных дизелей одного алюминия не хватает: в ход идут стальная вставка под верхнюю канавку, масляная галерея внутри головки, а на тяжёлой технике — составные и цельностальные поршни.

Дефектов, которые видно на снятой детали без единого прибора, семь. Каждый указывает на свою причину, и по одной находке уже понятно, куда смотреть дальше — в тепловой режим, в смазку или в геометрию шатуна.

Читать таблицу лучше по всем поршням сразу. Одинаковая картина во всех цилиндрах указывает на общий режим — перегрев, топливо, масло. Беда в одном цилиндре при нормальных соседях означает местную причину: форсунка, шатун, свеча.

Признаков, по которым поршневую подозревают до разборки, пять, и ни один не работает в одиночку. Поршень редко выходит из строя сам по себе — изнашивается связка «поршень — кольца — зеркало цилиндра», и симптомы у неё общие.

• Расход масла на угар. Доливка между заменами, сизый дым, масляный нагар на свечах. Сравнивать расход между машинами имеет смысл в процентах от расхода топлива, а не в литрах на 1000 км: двигатель работает и на стоящей машине.
• Падение компрессии в одном или нескольких цилиндрах, тяжёлый пуск, потеря тяги. Разница между цилиндрами информативнее абсолютного числа.
• Наддув картера. Из маслозаливной горловины дует, масло выбрасывает через сапун, потеют сразу несколько сальников. Сальники тут не виноваты — они лишь показывают давление, которое создал прорыв газов мимо колец.
• Стук в верхней части двигателя на холодную, пропадающий после прогрева. Типичная картина для увеличенного зазора между юбкой и цилиндром или для разбитого посадочного отверстия под палец.
• Следы на зеркале и на юбке, видные при разборке или через эндоскоп в свечное отверстие. Что означает каждая стадия, разобрано в статье про задиры в цилиндрах.

Отдельная история — гидроудар и детонация. И то и другое бьёт по шатуну и пальцу: шатун гнёт и скручивает, а поршень получает разбитые бобышки и разрушенные перемычки. Порядок повреждений разобран в статье про гидроудар двигателя.

Мехобработку деталей двигателя участок «1 Микрон» выполняет в собственных цехах в Санкт-Петербурге: ремонт блока цилиндров, расточка и хонингование, гильзовка, фрезеровка плоскостей, шлифовка шеек коленвала. На выполненные работы даём гарантию 2 года.

Сколько это стоит. Цену по своему мотору можно посчитать самому: отмечаете нужные операции и сразу видите сумму — калькулятор работ по блоку цилиндров. Пока операция не выбрана по промерам, любая цена остаётся приблизительной, поэтому начинают с дефектовки.