Конструкция поршня — результат сложной науки. Силы, действующие на поршень, очень велики и непостоянны. Во время рабочего хода давление в цилиндре заставляет его двигаться вниз, а во время других трех тактов давление относительно небольшое и поршень приводится в движение за счет вращения коленчатого вала, через присоединенный к нему шатун. Кроме того, поршень подвергается огромным ускорениям и замедлениям. В верхней мертвой точке (ВМТ) и в нижней мертвой точке (НМТ) оно постоянно. В промежутках между этими экстремальными точками поршень может двигаться очень быстро, проходя расстояние между ними сотни раз в секунду при работе высокоэффективного двигателя на максимальной мощности. Интересно будет привести несколько цифр.


Если двигатель работает при оборотах 6000 об/мин (100 об/сек), а ход поршня составляет 80 мм, то средняя скорость движения поршня составляет 58 км/ч. Эта скорость может показаться не слишком большой, но это средняя скорость: максимальная скорость отличается больше, чем в два раза. И вы должны помнить, что поршень ускоряется от неподвижного состояния до пика скорости, снова останавливается и движется в обратном направлении, чтобы закончить цикл, и делает это сотни раз в секунду. Положение ухудшается еще и тем, что головка поршня подвергается интенсивному нагреву во время рабочего хода, а затем, в течение того же цикла, охлаждается свежим зарядом воздуха, что приводит к большим температурным нагрузкам.


Поэтому поршень должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать все эти силы, но в то же время быть легким, насколько возможно. Чем больше его вес, тем больше силы инерции, которые нужно преодолевать поршню при ускорениях, и эти силы воспринимаются коленчатым валом и самим двигателем. Вот почему все современные поршни, даже в дизельных двигателях, изготавливаются из алюминиевого сплава, а не из стали (хотя поршни некоторых высокоэффективных двигателей имеют стальные вставки, закладываемые при отливании поршня, которые повышают жесткость и препятствуют температурному расширению). Кроме этого, один из секретов облегчения поршня — отрезать от него столько, насколько хватит смелости. Посмотрите на поршень 50-лет-ней или большей давности и увидите, что он имел высокую, цилиндрическую форму, поскольку конструкторы стремились гарантировать вертикальное положение поршня в цилиндре при всех обстоятельствах.


Их современные эквиваленты выглядят почти невероятно маленькими, с большей частью юбки — части поршня под поршневым пальцем, — обрезанной с каждой стороны, с двумя маленькими секциями юбки, оставленными для того, чтобы предотвратить поворот поршня относительно оси поршневого пальца. В любом случае, благодаря совершенству конструкции, силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму тенденцию к повороту.


Вставленные в свои канавки в головке поршня поршневые кольца изготовлены из специально модифицированного чугуна. В реальных двигателях всех современных легковых автомобилей есть три кольца, два верхних работают совместно для того, чтобы предотвратить прорыв газов в картер двигателя, а нижнее, в виде скребка, контролирует количество масла на стенках цилиндра (стенки смазываются маслом, разбрасываемым из картера в виде тумана). Масло необходимо для предотвращения износа колец, но излишки масла нежелательны. Единственный практический способ гарантировать, что масла достаточно, это гарантированно подавать его больше, чем нужно, а излишки удалять с помощью маслосъемного кольца. Как часть процесса получения более компактных и легких поршней, кольца также стараются сделать уже, мельче, разместить ближе друг к другу и ближе к верхней части головки поршня, предъявляя повышенные требования к материалу, из которого они изготовлены, и точности их изготовления.