КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ПОРШНЕМ
CRANK MECHANISM WITH RECTANGULAR PISTON

Предлагаемое устройство относится к машиностроению, в частности к поршневым машинам: ДВС (двигатели внутреннего сгорания), компрессоры, насосы, в том числе многоцилиндровые; а также СК (станки-качалки) с применением КШМ (кривошипно-шатунный механизм).
Известно устройство - ДВС, основу которого представляет собой КШМ, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (1. Орлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1972. - 464 с.).
КШМ находит применение как база некоторых СК (2. Патент на изобретение RU №2450161. Бюл. №13 от 10.05.2012. Авторы: В.И. Некрасов, В.В. Новоселов).
Наиболее близким устройством «по названию» является двигатель внутреннего сгорания «лударио-2» (3. Патент РФ №2161259, МПК F02B 53/14). Этот ДВС содержит блок цилиндра и прямоугольные головки, установленные вдоль в цилиндре. Прямоугольные поршни установлены вдоль вала. Каждый прямоугольный поршень при одной головке содержит два днища, расположенных с противоположных сторон. При одинаковом признаке «прямоугольный поршень» этот ДВС относится к другому классу поршневых машин - он роторный.
За прототип надо принять КШМ обычного ДВС.
Известно, что КШМ состоит из коленчатого вала, а также шатунов, установленных на шатунных шейках. На шатунах расположены поршни с поршневыми пальцами, а в некоторых случаях (например, буровые насосы) применяют крейцкопфы (ползуны в направляющих), исключающие передачу высоких боковых нагрузок на поршни и цилиндры.
Однако КШМ имеет существенные недостатки: значительные боковые нагрузки, снижающие КПД поршневой машины, недостаточная плотность компоновки из-за цилиндрической формы направляющих поршней, что ограничивает компоновочные и эксплуатационные возможности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении компоновочных и эксплуатационных возможностей поршневой машины и СК.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что кривошипно-шатунный механизм содержит коленчатый вал, шатуны, поршневые пальцы, поршни, при этом направляющие поршней и поршни прямоугольные, в канавках поршней с внутренней стороны прямоугольных секций компрессионных и маслосъемных уплотнений расположены упругие элементы, наконечники поршневых уплотнений совмещены с зазором в продольном направлении.
Предлагаемое техническое решение расширяет возможности поршневой машины и СК за счет повышения плотности компоновки. Прямоугольная форма поршней и направляющих исключает большие зазоры между цилиндрами КШМ традиционной компоновки. Увеличенная боковая поверхность поршней создает более благоприятные условия работы пар трения «поршень-направляющая» за счет снижения удельных нагрузок. Возможно создание ДВС с параллельным расположением прямоугольных поршней и их направляющих, которые скомпонованы длинными сторонами рядом друг с другом.
На фиг. 1 показан продольный разрез прямоугольного поршня в его направляющих. Хорошо видны поршневой палец и секции поршневых уплотнений с наконечниками, обеспечивающими продольные перемещения.
На фиг. 2 приведен поперечный разрез прямоугольного поршня в его направляющих. Хорошо видны прямоугольные секции поршневых уплотнений с наконечниками, обеспечивающими продольные перемещения, а также упругие элементы, установленные в канавках поршневых уплотнений, прижимающие секции поршневых уплотнений к внутренней поверхности прямоугольных направляющих.
На фиг. 3 представлен упрощенный поперечный разрез поршневой машины в состоянии, когда прямоугольный поршень находится в крайнем верхнем положении: в ВМТ (верхней мертвой точке) - поршень на максимальном расстоянии от оси коленчатого вала. НМТ (нижняя мертвая точка) - поршень на минимальном расстоянии от оси коленчатого вала. Не показаны элементы ГРМ (газораспределительного механизма): клапаны, направляющие клапанов, пружины; система смазки и т.д.
Обозначения: Ок - ось вращения коленчатого вала (ось коренных шеек), Ош - ось шатунной шейки. Пунктирной линией обозначен путь перемещения шатунной шейки при вращении коленчатого вала. Цифрами 1-4 показаны положения шатунной шейки в крайних состояниях.
На фиг. 4 приведен фрагмент продольного разреза поршневой машины. В нижней части показан полноопорный коленчатый вал с тремя коренными и двумя шатунными шейками с шатунами и прямоугольными поршнями с поршневыми пальцами.
На фиг. 5 показан поперечный разрез поршневой машины с параллельным расположением направляющих и прямоугольных поршней. Нижние головки шатунов смещены относительно продольных осей шатунов. Пунктирными линиями слева изображено положение шатуна при прохождении нижней кромки направляющей. В нижней части фиг. 5 видны разрез шатунной шейки (каналы не показаны) и на заднем плане коренная шейка коленчатого вала.
На фиг. 6 представлен вид сверху на направляющие поршней, соответствующие фиг. 5. На одной шатунной шейке расположены рядом две нижние головки шатунов.
На фиг. 7 показан вид сверху на направляющие поршней, но с прицепными шатунами, аналогично 1) рис. 91, 92, 93, 110 на стр. 185, 186, 189 и 210.
В корпусе 1 поршневой машины (фиг. 3, 4 и 5) зафиксированы мокрые гильзы прямоугольных направляющих 2 (уплотнения системы охлаждения не показаны). Возможно применение моноблока - прямоугольные направляющие 2 изготовлены вместе с корпусом 1. Внутри прямоугольных направляющих 2 установлены прямоугольные поршни 3 (фиг. 1-5), которые поршневыми пальцами 4 соединяют поршни 3 с верхними головками шатунов 5. Нижние головки шатунов 5 с шатунными крышками 6 подвижно расположены на шатунных шейках 7 коленчатого вала 8. Опоры вращения шатунов и шатунных шеек образованы шатунными вкладышами 9. Коренные шейки 10 коленчатого вала 8 подвижно установлены в опорах вращения, образованных коренными вкладышами 11, расположенных между корпусом 1 и коренными крышками 12. Между направляющими 2 и поршнями 3 в пазах прямоугольных поршней 3 установлены прямоугольные секции 13 уплотнений, а также прямоугольные секции маслосъемных звеньев уплотнений 14. Наконечники секций 13 и 14 выполнены в виде ступеньки и накладываются друг на друга (фиг. 1), эти наконечники могут иметь гофры, образующие газовые замки. В пазах поршней 3 под прямоугольными секциями компрессионных уплотнений 13 и прямоугольными секциями маслосъемных звеньев 14 установлены упругие элементы 15. Рабочий объем и объем камеры сгорания, расположенные между направляющими 2 и поршнями 3, закрыты сверху крышкой 16, прикрепленной к корпусу 1. Прокладка крышки 16 и шпильки крепления не показаны.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (Фиг. 3-5). При такте впуска 4-тактного ДВС коленчатый вал 8 шатунной шейкой 7, шатуном 5 перемещает прямоугольный поршень 3 в направляющих 2 вниз от ВМТ к НМТ. Объем над поршнем 3 через впускной клапан (не показан) заполняется горючей смесью или воздухом (дизель или бензиновый ДВС с непосредственным впрыском). В зоне НМТ впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень 3 перемещается от НМТ к ВМТ, производя сжатие рабочей смеси или воздуха. На подходе поршня 3 к ВМТ происходит воспламенение рабочей смеси или впрыск мелкораспыленного топлива в сжатый горячий воздух. Рабочий ход осуществляется при воздействии высокого давления сгорающей рабочей смеси и перемещении поршня 3 от ВМТ к НМТ. Усилие от поршня 3 поршневым пальцем 4, шатуном 5 передается на шатунную шейку 7 коленчатого вала 8, на кривошипе радиусом от шатунной шейки 7 до коренной шейки 10 создается крутящий момент, который коленчатым валом 8 передается на маховик и далее на трансмиссию. При такте выпуска поршень 3 перемещается от НМТ к ВМТ и вытесняет отработавшие газы через открытый выпускной клапан. Герметизация объемов над поршнем 3 осуществляется прямоугольными секциями компрессионных уплотнений 13, которые упругими элементами 15 прижимаются к внутренней поверхности направляющих 2. Разделение объемов над поршнем 3 от масляной ванны корпуса 1 обеспечивается прямоугольными секциями маслосъемных звеньев уплотнений 14, которые упругими элементами 15 прижимаются к внутренней поверхности направляющих 2. Температурные деформации компенсируются пазами наконечников прямоугольных секций компрессионных уплотнений 13 и прямоугольных секций маслосъемных звеньев уплотнений 14 (Фиг. 1, 2).
Обозначения:
1 - корпус поршневой машины;
2 - мокрая гильза направляющей прямоугольного поршня;
3 - прямоугольный поршень;
4 - поршневой палец;
5 - шатун;
6 - крышка нижней головки шатуна 5;
7 - шатунная шейка;
8 - коленчатый вал;
9 - шатунные вкладыши;
10 - коренная шейка;
11 - коренные вкладыши;
12 - коренная крышка опоры вращения шейки 10;
13 - прямоугольные секции компрессионных уплотнений;
14 - прямоугольными секциями маслосъемных звеньев уплотнений;
15 - упругие элементы прямоугольных секций 12 и 13;
16 - крышка корпуса 1.