К материалам для изготовления поршней предъявляются те же требования, что и к материалам цилиндровых втулок и крышек. Головка поршня должна выдерживать высокое давление горячих газов и передавать результирующее усилие на шток поршня. Она должна иметь высокую усталостную прочность, чтобы сопротивляться переменным механическим и термическим напряжениям. В течение каждого рабочего цикла поверхность головки подвергается действию высоких температур продуктов сгорания сразу же после охлаждения продувочным воздухом. Металл головки должен сопротивляться высокотемпературной ползучести, коррозии и эрозии, эффективно отводить тепло в систему охлаждения, но при ограниченном термическом расширении, чтобы сохранять значения рабочих зазоров между втулкой цилиндра и поршневыми кольцами. Выбор материалы и конструкции поршня зависит от быстроходности двигателя, его размеров и применяемого топлива.

Поршни мощных двухтактных дизелей должны иметь повышенную жесткость вследствие большого диаметра цилиндров и применения тяжелых топлив. Головка поршня выполняется с внутренними каналами охлаждения, и при этом должна сохранять прочность на изгиб. Торцевая поверхность днища поршня делается вогнутой, что создает выгодную форму камеры сгорания.

Поршни отливаются из хромолибденовой легированной стали и обрабатываются по всем поверхностям. Канавки для поршневых колец протачиваются по боковой поверхности, а для увеличения износостойкости и коррозионной стойкости они хромируются и шлифуются. Поршень должен иметь небольшую конусность с уменьшением диаметра к головке, для компенсации термического расширения.

Охлаждение поршня необходимо для отвода избыточного тепла от камеры сгорания и снижения термических напряжений. Оно также ограничивает термическое расширение головки для сохранения рабочих зазоров между поршнем и втулкой, а также между поршневыми кольцами и стенками канавок. Охлаждение осуществляется циркуляцией охлаждающей воды и масла. Применение в качестве охлаждающей жидкости пресной воды имеет преимущество по термической эффективности вследствие большей теплоемкости воды и более высокого значения допустимой температуры на выходе (до 70 град.). Для предотвращения коррозии металла полостей охлаждения необходимы добавки ингибиторов коррозии в охлаждающую воду. Необходимо предусмотреть также отвод воздуха из внутренних полостей. Недостатком водяного охлаждения является необходимость в гибких соединениях и сальниках для подвода и отвода воды, которые должны предохранять картерное пространство от попадания в него охлаждающей воды. Это приводит к необходимости иметь отдельную водяную систему для охлаждения поршней.

Термическая эффективность масляного охлаждения поршней ниже, чем водяного, вследствие более низкой теплоемкости масла и пониженного предела допустимых температур (до 56 град.), который определяется возможным коксованием масла на нагретых поверхностях с последующим снижением коэффициента теплопередачи и загрязнением каналов охлаждения, что потребует увеличения расхода масла на охлаждение. Система масляного охлаждения поршней может быть частью общей картерной системы смазки, используя то же масло, общие магистрали и маслоохладители. При этом могут использоваться более простые сальники, так как нет опасности загрязнения картера. Однако эксплуатация системы при повышенных рабочих температурах приводит к более быстрому старению масла и ухудшению его качества.

Периодические осмотры и очистка внутренних полостей должны проводиться как для водяной, так и для масляной систем охлаждения.

Скорость потока охлаждающей жидкости должна быть достаточной, чтобы преодолеть гравитационные эффекты при возвратно-поступательном движении поршня. После остановки двигателя система охлаждения должна продолжать функционировать еще некоторое время, для охлаждения внутренних деталей и снятия термических напряжений.

На рисунке показан разрез водо-охлаждаемого поршня двигателя Sulzer RTA в сборе со штоком и направляющей. Головка поршня литая из легированной стали, имеет полость и высверленные каналы охлаждения.

Сверления подходят вплотную к днищу, подводя охлаждающую воду непосредственно к нагреваемой поверхности. Таким образом, тепло отводится прежде, чем оно достигает зоны поршневых колец. Охлаждающая вода подводится и отводится при помощи телескопических труб, которые проходят сквозь диафрагму. Сальниковое уплотнение обеспечивает полную изоляцию этой системы от картерного пространства.

Пять поршневых колец установлены в хромированных канавках. Короткая чугунная направляющая несколько большего диаметра снабжена бронзовым центрирующим антифрикционным пояском. Вся конструкция крепится к фланцу штока удлиненными болтами с увеличенной податливостью для компенсации термического расширения. Двигатели RTA с увеличенным отношением хода поршня к диаметру цилиндра имеют масло-охлаждаемые поршни, которые по конструкции подобны описанному. Отличие заключается в том, что подводящие каналы системы охлаждения выполнены в теле штока.

На рис. ниже показан разрез поршня дизеля MAN-B&W MC с масляным охлаждением. Головка поршня – цельнолитая, из хромомолибденовой стали. Внутренняя полость отливки образует каналы охлаждения, а ребра подкрепляют днище поршня и передают усилие газов непосредственно на фланец штока, к которому головка крепится жесткими болтами. Снизу охлаждающую полость замыкает короткая чугунная направляющая.

Охлаждающее масло из основной системы смазки двигателя входит в тороидальный канал центрального отверстия штока, омывает головку поршня и выходит через трубу, вставленную в отверстие штока, обратно в крейцкопф.

Количество поршневых колец уменьшено до четырех, установлены они в хромированных канавках. Поверхность штока обработана очень чисто для снижения трения и износа в сальниковом уплотнении диафрагмы.

Сальник состоит из двух частей: верхняя служит для уплотнения продувочной полости и очистки поверхности штока от загрязнений и нагара при его движении вниз. Загрязненное масло должно отводиться в сливную емкость. На некоторых двигателях применяют набивку сальника из тефлоновых колец. Кольца нижней секции обеспечивают съем остатков картерного масла с поверхности штока при его движении вверх. Это масло отводится через дренаж обратно в картер. Между двумя секциями оставляют свободное или вентиляционное пространство, дренаж из которого необходимо регулярно осматривать и прочищать для обеспечения эффективной работы сальника.

Техническое обслуживание сальника заключается в поддержании нормальных зазоров в стыках между сегментами, в осевом и радиальном направлениях; проверке натяжения кольцевых пружин; поддержании в чистоте вентиляционных и дренажных каналов. При выемке поршня со штоком необходимо следить за состоянием сальника, во избежание его серьезных повреждений.

Неправильное или недостаточное техническое обслуживание сальника приводит к загрязнению продувочной полости маслом и продуктами неполного сгорания, потерям продувочного воздуха, загрязнению картерного масла. Вследствие перегрева штока может возникнуть опасность взрыва в картере, заклинивание деталей движения и т.п. В некоторых конструкциях предусмотрено водяное охлаждение диафрагмы.