Надежность поршневых двигателей внутреннего сгорания

 
 
 
 
 
 
 
 
. . …’‰, . . …’‰, . . ‹‡Š›‘ 
 
 
 
 
 
 
 
€„…†Ž‘’œ Ž˜…‚›• 
„‚ˆƒ€’…‹…‰ ‚“’……ƒŽ ‘ƒŽ€ˆŸ 
 
 
’¶¤ ¬§© 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2025 

 
 
УДК 621.43 
ББК 31.365 
 
Ж86 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии материалов 
и материаловедения ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» А. А. Кузьмин;
кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры судовых двигателей внутреннего 
сгорания и дизельных установок ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный 
морской технический университет» В. К. Румб
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Жуков, А. А. 
Ж86  
Надежность поршневых двигателей внутреннего сгорания : учебник / 
А. А. Жуков, В. А. Жуков, О. В. Мильрат. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2025. - 288 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2435-6 
 
Описаны условия работы и основные виды изнашивания деталей ДВС, причины 
возникновения дефектов в процессе эксплуатации. Показана определяющая роль рацио- 
нального выбора материалов основных деталей двигателя на его надежность. Представлены конструкторские и технологические мероприятия по повышению надежности основных, наиболее ответственных деталей двигателей, рассмотрены возможные способы обеспечения надежности ДВС в процессе эксплуатации. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям бакалавриата и магистратуры, а также специалитета, связанных с проектированием, производством и эксплуатацией поршневых двигателей внутреннего сгорания. Может быть 
полезен для специалистов в области энергомашиностроения. 
 
УДК 621.43 
ББК 31.365 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2435-6 
” Жуков А. А., Жуков В. А., Мильрат О. В., 2025 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 

 
 
 
‘Ž„…†€ˆ… 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
 
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ ................................................................... 8 
1.1. Определения теории надежности ....................................................................... 8 
1.2. Временные понятия теории надежности ......................................................... 10 
1.3. Характеристика отказов ..................................................................................... 11 
1.4. Изнашивание конструкционных материалов машин и механизмов ............. 16 
1.5. Характеристики и закономерности изнашивания ........................................... 24 
1.6. Методы определения скорости изнашивания ................................................. 30 
 
2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ......................................................................... 34 
2.1. Системный подход при оценке надежности .................................................... 34 
2.2. Классификация показателей надежности ........................................................ 36 
2.3. Основные понятия теории вероятностей ......................................................... 38 
2.4. Безотказность, показатели безотказности ....................................................... 47 
2.5. Долговечность, показатели долговечности ..................................................... 56 
2.6. Ремонтопригодность, показатели ремонтопригодности ................................ 59 
2.7. Сохраняемость, показатели сохраняемости .................................................... 61 
2.8. Комплексные показатели надежности ............................................................. 62 
2.9. Экономические показатели надежности .......................................................... 65 
 
3. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ДВС .......................................................................... 70 
3.1. Надежность как основной показатель технического уровня ДВС ................ 70 
3.2. Состояние двигателя в процессе эксплуатации .............................................. 72 
3.3. Износы и повреждения деталей и систем ДВС ............................................... 76 
3.4. Характеристика источников информации о надежности ДВС ..................... 97 
3.5. Испытания на надежность ............................................................................... 101 
3.6. Статистическая информация из сферы эксплуатации и ремонта ............... 107 
3.7. Прогнозирование технического состояния и надежности изделий ............ 112 
3.8. Оценка показателей надежности .................................................................... 116 
 
4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ  
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ ............................................... 122 
4.1. Принципы обеспечения надежности ДВС ..................................................... 122 
4.2. Общая характеристика и классификация  
конструкционных материалов двигателестроения ........................................ 123 
4.3. Механические свойства материалов .............................................................. 130 
4.4. Основные принципы выбора материалов  
для изготовления деталей ДВС ....................................................................... 138 
4.4.1. Остов двигателя ...................................................................................... 139 

 
 
4.4.2. Поршневая группа .................................................................................. 147 
4.4.3. Шатунная группа .................................................................................... 161 
4.4.4. Группа деталей коленчатого вала ......................................................... 166 
4.4.5. Механизм газораспределения ................................................................ 173 
4.4.6. Система топливоподачи ......................................................................... 176 
4.4.7. Системы охлаждения и смазки .............................................................. 181 
4.4.8. Системы турбонаддува, впуска и выпуска ........................................... 185 
4.5. Конструктивные мероприятия по повышению надёжности........................ 188 
4.6. Технологические мероприятия по повышению надёжности ....................... 217 
 
5. ХИММОТОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДВС ........... 230 
5.1. Основы химмотологии ..................................................................................... 230 
5.2. Влияние качества топлив на надежность ДВС ............................................. 240 
5.3. Влияние качества моторного масла на надежность ДВС ............................ 247 
5.4. Влияние качества охлаждающей жидкости на надежность ДВС ............... 254 
 
6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДВС 
В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ  ....................................................................... 262 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 282 
 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .............................................. 283 
 
 
 

 
 
 
‚‚…„…ˆ… 
 
Обеспечение надежности машин и механизмов сохраняет свою актуальность. Проблеме надежности уделяется большое внимание, так как лишь надежное изделие может быть конкурентоспособным, безопасным и эффективным  
в эксплуатации. По имеющимся статистическим данным, в развитых промышленных странах затраты на восстановление и ремонт изделий машиностроения 
превосходят затраты на изготовление в авиастроении в 5 раз, в станкостроении  
в 8 раз, в автомобилестроении в 10 раз. 
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются в настоящее 
время наиболее распространенным видом силовых установок на автомобильном, 
железнодорожном и водном транспорте, они находят применение в стационарных энергетических установках. Эффективность работы транспортных средств  
и стационарных установок в значительной мере определяется надежностью и ресурсом ДВС. 
Устойчивой тенденцией развития современного двигателестроения являются повышение литровой мощности двигателей и снижение их массы и габаритов. Форсирование двигателей различного назначения осуществляется главным 
образом за счет повышения давления наддува и параметров рабочего цикла. Это 
неизбежно приводит к увеличению тепловой и механической напряженности деталей и узлов двигателя, росту нагрузок на поверхности трения, интенсификации 
их изнашивания, что оказывает определяющее влияние на сохранение двигателями работоспособности и их ресурс.  
Для современных форсированных двигателей характерно сокращение разрыва между действующими значениями тепловых и механических нагрузок и их 
предельно допустимой нормой. В связи с этим производители двигателей ведут 
непрерывную работу не только по улучшению экономических и экологических 
показателей двигателей, но и по повышению их надежности. Надежность представляет собой важнейшую характеристику технического уровня двигателя, которая проявляется во времени и отражает изменения, происходящие в двигателе 
в процессе эксплуатации. 
Опыт эксплуатации двигателей показывает, что повышение надежности 
является одним из наиболее перспективных способов обеспечения их эффективного использования, уменьшения трудоемкости обслуживания и ремонта, безопасности использования транспортных средств и энергетических установок.  
По данным Центрального научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института (НАМИ) за срок службы автомобиля затраты на техническое 
обслуживание и ремонты в 6-7 раз превышают затраты на его изготовление,  
а трудоемкость работ по его техническому обслуживанию и ремонту примерно  
в 60 раз больше по сравнению с изготовлением. Аналогичные данные о существенном превышении затрат, связанных с обслуживанием и ремонтом, над строительной стоимостью имеются для железнодорожных транспортных средств, 
объектов морского и речного флота.  

 
 
Статистические данные о распределении затрат на изготовление и обслуживание в процессе эксплуатации различных объектов машиностроения представлены на рис. 1. Очевидно, что повышение надежности изделий и сокращение 
за счет этого эксплуатационных затрат на ремонты и технические обслуживания 
изделий способно обеспечить значительный экономический эффект. 
 
 
Рис. 1. Затраты на изготовление, ремонт  
и техническое обслуживание изделий машиностроения, : 
1 - изготовление различных видов техники (принято за 100 );  
2 - ремонт и ТО автомобилей; 3 - ремонт и ТО самолетов; 
4 - ремонт и ТО cтанков; 5 - ремонт и ТО строительных и дорожных машин 
 
Наиболее сложным и дорогостоящим агрегатом любого транспортного 
средства является двигатель, поэтому проблеме повышения его надежности и 
увеличения срока службы придается особое значение. Денежные затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт автомобильного двигателя распределяются 
следующим образом: изготовление - 10 , техническое обслуживание - 25 , 
эксплуатационные ремонты - 45 , капитальные ремонты - 20 . Затраты, связанные с поддержанием надежности двигателя в эксплуатации, в 9 раз превышают затраты, связанные с его изготовлением. 
Вопросы обеспечения надежности решаются на всех этапах жизненного 
цикла изделия (ЖЦИ). При подготовке специалистов в области проектирования, 
производства и эксплуатации ДВС необходимо уделять внимание вопросам 
оценки и обеспечения надежности двигателей.  
Предварительная оценка надежности двигателя проводится на стадии проектирования, для этого рассчитываются напряжения, деформации, тепловые 
поля в наиболее ответственных деталях. Расчеты проводятся по установленным 
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1
2
3
4
5
Затраты на изготовление, ремонт и ТО, 

 
 
или рекомендованным методикам. В процессе проектирования осуществляется 
выбор материалов, обеспечивающих требуемую надежность деталей ДВС. 
Решение указанных задач осложняется следующими особенностями данной проблемы: 
 -  во всех закономерностях, характеризующих изменение состояния двигателя, присутствует фактор времени; 
 -  физические процессы и закономерности, определяющие изменения параметров работы и показателей состояния двигателя, сложны и разнообразны; 
 -  уже в начале эксплуатации двигатель представляет собой стохастический объект, а процессы изменения его параметров являются случайными; 
 -  все этапы жизненного цикла (стадии создания и эксплуатации) двигателя вносят свой вклад в формирование показателей надежности. 
Специалист в области энергомашиностроения должен иметь достаточ- 
ный уровень подготовки для решения задачи обеспечения надежности двига- 
телей как на стадиях их проектирования и производства, так и в процессе эксплуатации. 
 
 

 
 
 
1. Ž‘Ž‚› ’…Žˆˆ €„…†Ž‘’ˆ 
 
 
1.1.  Ž¯°¥¤¥«¥¨¿ ²¥®°¨¨  ¤¥¦®±²¨ 
 
Вопросы надежности изделий изучаются специальной отраслью науки - 
теорией надежности, которая формируется под действием двух направлений: 
1.  Решение проблем надежности в машиностроении, в основе которых лежит глубокое исследование физических процессов, приводящих к отказам и выходам машин из строя, и создание математических моделей, 
описывающих эти процессы. 
2.  Решение проблем надежности в приборостроении на основе накопления большого статистического материала и определения уровня надежности методами теории вероятности математической статистики. 
Важность проблемы обеспечения надежности изделий подтверждает тот 
факт, что понятийный аппарат теории надежности, ее основные определения 
установлены государственными стандартами.  
ГОСТ Р 27.102-2021 «Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения» содержит следующие определения. 
Надежность - свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. 
Объектом может быть сборочная единица, деталь, компонент, элемент, 
устройство, функциональная единица, оборудование, изделие, система, сооружение.  
Слова «во времени» означают естественный ход времени, в течение которого имеет место применение, техническое обслуживание, хранение и транспортирование объекта, а не какой-либо конкретный интервал времени. 
Требуемые функции и критерии их выполнения устанавливают в нормативной, конструкторской, проектной, контрактной или иной документации на 
объект. 
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от 
назначения объекта и условий его применения может включать в себя безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость, долговечность, сохраняемость, готовность или определенные сочетания этих свойств. 
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять способность выполнять требуемые функции в течение некоторого времени или наработки в заданных режимах и условиях применения. 
Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению состояния, в котором объект способен выполнять требуемые функции, путем технического обслуживания  
и ремонта. 

 
 
Восстанавливаемость - свойство объекта, заключающееся в его способности восстанавливаться после отказа без ремонта. Для восстановления могут 
требоваться или не требоваться внешние воздействия. Для случая, когда внешние воздействия не требуются, может использоваться термин самовосстанавливаемость. 
Долговечность - свойство объекта, заключающееся в его способности выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях использования, 
технического обслуживания и ремонта до достижения предельного состояния. 
Сохраняемость - свойство объекта сохранять способность к выполнению 
требуемых функций после хранения и (или) транспортирования при заданных 
сроках и условиях хранения и (или) транспортирования. 
Готовность - свойство объекта, заключающееся в его способности находиться в состоянии, в котором он может выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и ремонта  
в предположении, что все необходимые внешние ресурсы обеспечены  
ГОСТ Р 27.102-2021 «Надежность в технике. Надежность объекта. Термины  
и определения» устанавливает следующие возможные состояния объекта в процессе эксплуатации. 
Исправное состояние (исправность) - состояние объекта, в котором он 
соответствует всем требованиям, установленным в документации на него. Соответствие всем требованиям документации может быть определено как состояние, 
в котором значения всех параметров объекта соответствуют всем требованиям 
документации на этот объект. 
Неисправное состояние (неисправность) - состояние объекта, в котором 
он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных в документации на него. Несоответствие хотя бы одному из предъявляемых требований может быть определено как состояние, в котором значение хотя бы одного параметра объекта не соответствуют требованиям документации на этот объект. 
Работоспособное состояние - состояние объекта, в котором он способен 
выполнять требуемые функции. Работоспособное состояние может быть определено, например, как состояние объекта, в котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям, установленным в документации на этот объект. Отсутствие необходимых внешних ресурсов может препятствовать работе объекта, но это не влияет 
на его пребывание в работоспособном состоянии. 
Неработоспособное состояние - состояние объекта, в котором он не способен выполнять хотя бы одну требуемую функцию по причинам, зависящим от 
него или из-за профилактического технического обслуживания. 
Объект может быть способен выполнять одни функции и одновременно не 
способен выполнять другие - в этом случае он находится в частично работоспособном состоянии. 
Исправный объект всегда работоспособен, неисправный объект может 
быть и работоспособным, и неработоспособным. Работоспособный объект может быть исправен и неисправен, неработоспособный объект всегда неисправен. 

 
 
Состояние объекта, в котором он выполняет какую-либо требуемую функцию, называется рабочим. 
Состояние объекта, в котором он не выполняет ни одной из требуемых 
функций, называется нерабочим. 
Предельное состояние - состояние объекта, в котором его дальнейшая 
эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. 
 
 
1.2.  ‚°¥¬¥»¥ ¯®¿²¨¿ ²¥®°¨¨  ¤¥¦®±²¨ 
 
Изменение состояния объекта протекает во времени, в связи с этим крайне 
важное значение имеют временные понятия и определения, используемые при 
анализе и оценке надежности. 
Продолжительность или объем работы объекта называется его наработкой. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега и т. п.), так и дискретной величиной (число 
рабочих циклов, запусков и т. п.). 
Наработкой до отказа называется наработка объекта от начала его эксплуатации или от момента его восстановления до отказа. 
Наработка между отказами - наработка объекта между двумя следующими друг за другом отказами. Наработка между отказами представляет собой 
частный случай наработки до отказа, применимый только к восстанавливаемым 
объектам. 
Ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее 
возобновления после ремонта до момента достижения предельного состояния.  
Суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до момента достижения предельного состояния называется остаточным 
ресурсом. 
Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала 
эксплуатации объекта или ее возобновления после капитального ремонта до момента достижения предельного состояния. 
Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и/или 
транспортирования объекта, в течение которой он сохраняет работоспособное 
состояние. 
Время (продолжительность) ремонт - время, затрачиваемое непосредственно на выполнение операций по ремонту объекта. Время ремонта исключает 
технические, организационные задержки, а также задержки из-за обеспечения 
материальными ресурсами. 
Время восстановления - время, затрачиваемое непосредственно на выполнение операций по восстановлению объекта. 
Время до восстановления - время от момента отказа до восстановления 
работоспособного состояния объекта.