DE60221471T2

DE60221471T2 - Kolbenzusammenbau für eine Freikolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60221471T2
Application number: DE60221471T
Authority: DE
Inventors: Willibald G. Berlinger; William E. Moser; Leland W. Weiss
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: EP1288464A2; US6463903B1; DE60221471D1; EP1288464A3; JP2003138983A; EP1288464B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Freikolbenverbrennungsmotoren und insbesondere auf Kolbenanordnungen, die in Freikolbenverbrennungsmotoren verwendet werden.
Hintergrund
Freikolbenverbrennungsmotoren weisen einen oder mehrere Kolben auf, die hin und her beweglich in entsprechenden Verbrennungszylindern angeordnet sind. Jedoch sind die Kolben nicht miteinander durch Anwendung einer Kurbelwelle verbunden. Vielmehr ist jeder Kolben typischerweise starr mit einer Stößelstange verbunden, die verwendet wird, um eine gewisse Art von Arbeitsausgabe zu liefern. Beispielsweise kann die Stößelstange verwendet werden, um eine elektrische Ausgabe durch Induktion eines elektrischen Stroms zu liefern, oder eine Strömungsmittelleistungsausgabe, wie beispielsweise eine pneumatische oder hydraulische Leistungsausgabe. In einem Freikolbenmotor mit einer hydraulischen Ausgabe wird der Stößel verwendet, um hydraulisches Strömungsmittel zu pumpen, welches für eine spezielle Anwendung verwendet werden kann. Typischerweise definiert das Gehäuse, welches den Verbrennungszylinder definiert, auch einen Hydraulikzylinder, in dem der Stößel angeordnet ist, und einen Zwischenkompressionszylinder zwischen dem Verbrennungszylinder und dem Hydraulikzylinder. Der Verbrennungszylinder hat den größten Innendurchmesser, der Kompressionszylinder hat einen Innendurchmesser, der kleiner als der des Verbrennungszylinders ist, und der Hydraulikzylinder hat einen Innendurchmesser, der noch kleiner als der des Kompressionszylinders ist. Ein Kompressionskopf, der an der Stößelstange angebracht ist und von dieser getragen wird, und zwar an einer Stelle zwischen dem Kolbenkopf und dem Stößelkopf, hat einen Außendurchmesser, der nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Kompressionszylinders. Ein Hochdruckhydraulikakkumulator, der strömungsmittelmäßig mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist, wird durch die Hin- und Herbewegung des Stö ßels während des Betriebs des Freikolbenmotors unter Druck gesetzt. Ein zusätzlicher hydraulischer Akkumulator ist selektiv mit dem Bereich in dem Kompressionszylinder verbunden, um einen relativ hohen axialen Druck gegen den Kompressionskopf auszuüben und dadurch den Kolbenkopf zur oberen Totpunktposition (TDC = Top Dead Center) zu bewegen.
Kolben, die in Freikolbenverbrennungsmotoren verwendet werden, weisen typischerweise einen Kolbenkopf auf, der vollständig aus Metallmaterial hergestellt ist, wie beispielsweise aus Aluminium oder aus Stahl. Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Stahl, haben einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Somit expandiert während des Betriebs des Freikolbenmotors der metallische Kolbenkopf beträchtlich in radialer Richtung zur Innenfläche des Verbrennungszylinders. Jeder Kolbenkopf, der in dem Freikolbenmotor verwendet wird, wird somit mit einem Außendurchmesser geformt, der ein beträchtliches radiales Spiel mit der Innenfläche des Verbrennungszylinders vorsieht, um relativ große radiale Ausdehnung während des Betriebs aufzunehmen. Um das Vorbeiblasen von Verbrennungsprodukten an dem Kolbenkopf während des Betriebs zu vermeiden, ist die Außenumfangsfläche des Kolbenkopfes mit einer oder mehreren Kolbenringnuten geformt, die entsprechende Kolbenringe darin aufnehmen. Die Kolbenringe gestatten eine radiale thermische Ausdehnung und Kontraktion des Kolbenkopfes, während sie gleichzeitig das Vorbeiblasen von Verbrennungsprodukten an dem Kolbenkopf verhindern.
Ein Problem bei der Anwendung von herkömmlichen Kolben-Zylinder-Anordnungen ist, dass geeignete Strömungsmittelkühlkanäle in dem Verbrennungszylinder vorgesehen werden müssen, um eine ordnungsgemäße Kühlung des Verbrennungszylinders und des Kolbenkopfes zu bewirken. Diese Kühlströmungsmittelkanäle steigern die Größe und die Komplexität des Motors. Darüber hinaus kann die Gleitschnittstelle zwischen dem Kolben und dem Zylinder keine adäquate Kühlung des Kolbens vorsehen.
Ein Beispiel eines Kolbens, der in einem Freikolbenverbrennungsmotor verwendet wird, ist in dem US-Patent 6 105 541 (Berlinger) offenbart, welches der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zu Eigen ist.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Freikolbenverbrennungsmotor mit einem Verbrennungszylinder und einer Kolbenanordnung versehen. Die Kolbenanordnung weist einen Kolben und eine Stößelstange auf. Der Kolben ist in dem Verbrennungszylinder hin und her bewegbar. Der Kolben weist eine Krone bzw. einen Kopfteil, einen Mantel, der sich vom Kopfteil erstreckt, und eine Kolbenringnut darin hat, eine Nabe, die an der Stößelstange angebracht ist, und mindestens einen Tragblock auf. Jeder Tragblock ist benachbart zum Kopfteil positioniert und erstreckt sich von der Nabe zum Mantel. Sowohl der Tragblock als auch der Mantel und die Kolbenringnut definieren einen Ausschnitt dazwischen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Freikolbenverbrennungsmotors der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine Draufsicht der in 1 gezeigten Kolbenanordnung, aufgenommen entlang der Linie 2-2.
Detaillierte Beschreibung
Nun mit Bezug auf die Zeichnungen ist dort ein Teil eines Ausführungsbeispiels eines Freikolbenverbrennungsmotors 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Freikolbenverbrennungsmotor 10 weist im Allgemeinen einen Verbrennungszylinder 12 und eine Kolbenanordnung 14 auf.
Der Verbrennungszylinder 12 definiert eine Brennkammer 16, in die eine Brennstoff-Luft-Mischung zur Verbrennung darin transportiert wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass eine Dieselbrennstoff-Luft-Mischung in die Brennkammer 16 zur Verbrennung darin eingeleitet wird. Somit arbeitet der Freikolbenverbrennungsmotor 10 nach dem Dieselbetriebsprinzip. Der Freikolbenverbrennungsmotor 10 weist wahrscheinlich eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 12 auf, jedoch ist nur ein einziger Verbrennungszylinder 12 zu Vereinfachungszwecken in 1 gezeigt und hier beschrieben.
Die Kolbenanordnung 14 weist im Allgemeinen einen Kolben 18 und eine Stößelstange 20 auf. Der Kolben 18 weist einen Kolbenboden bzw. Kopfteil 22, einen Mantel 24 und eine Nabe 26 auf. Der Kopfteil 22 definiert eine Endstirnseite des Kolbens 18 benachbart zur Brennkammer 16. Der Kopfteil 22 kann im Allgemeinen eben sein, wie gezeigt, oder kann konturiert sein, um Abgas in einer speziellen Weise in der Brennkammer 16 zu leiten.
Der Mantel 24 definiert eine ringförmige Umfangsseitenfläche des Kolbens 18. Der Mantel 24 erstreckt sich in Längsrichtung vom Kopfteil 22 (d.h. im Allgemeinen parallel zur Längsachse 28 des Kolbens 18). Der Mantel 24 weist eine Kolbenringnut 30 darin auf, die den gesamten Umfang des Mantels 24 umschließt. Die Kolbenringnut 30 trägt einen Kolbenring 31, um das Vorbeiblasen von Abgas aus der Brennkammer 16 während des Betriebs zu verhindern. Ein Ausschnitt 64 unter der Kolbenringnut 30 bietet eine größere thermische Flexibilität der Kolbenringnut 30, wenn der Kopfteil 22 und der Mantel 24 während des Gebrauchs aufgeheizt werden. Der Ausschnitt 64 hilft dadurch zu vermeiden, dass der Kolbenring festklemmt und sich frisst.
Die Nabe 26 hat eine Öffnung 32, die im Allgemeinen konzentrisch mit der Längsachse 28 positioniert ist. Ein Ende der Stößelstange 20 ist in der Öffnung 32 zur Verbindung des Kolbens 18 mit der Stößelstange 20 aufgenommen. Das Schraubenloch 34 nimmt eine mit Außengewinde versehene Schraube 36 darin auf. Die Schraube 36 koppelt die Stößelstange 20 mit dem Kolben 18.
Der Kolben 18 weist auch einen Ölschmierdurchlass 38 im Mantel 24 auf. Der Ölschmierdurchlass 38 nimmt Schmieröl auf, wie beispielsweise Hydrauliköl, um den Kolbenring 31 zu schmieren, der von der Kolbenringnut 30 und der inneren Seitenwand des Verbrennungszylinders 12 geführt wird. Ein durch Beschleunigung betätigtes Rückschlagventil 40 ist in dem Ölschmierdurchlass 38 im Mantel 24 positioniert. Das Beschleunigungsrückschlagventil 40 wird bei einer Beschleunigung geöffnet, wenn der Kolben 18 auf oder nahe einer oberen Totpunktposition in der Brennkammer 16 ist, und eine Verbrennung der Brennstoff-Luft-Mischung durch Kompression auftritt. Der Beschleunigungswert, bei dem das Rückschlagventil 40 öffnet, genauso wie die Flussmenge durch das Rückschlagventil 40, können abhängig von der speziellen Anwendung konfiguriert sein.
Die Stößelstange 20 weist ein Ende entgegengesetzt vom Kolben 18 auf (nicht gezeigt), welches in einem Hydraulikzylinder positioniert ist. Die Stößelstange 20 setzt das Hydrauliköl in dem Hydraulikzylinder während eines Rückwärtshubes der Kolbenanordnung 14 unter Druck, um unter Druck gesetztes Hydrauliköl zu einer (nicht gezeigten) Hydrauliklast zu liefern, wie beispielsweise zu einem hydrostatischen Getriebe oder Ähnlichem. Das Vorsehen einer Hydraulikausgabe unter Verwendung einer Stößelstange in einem Freikolbenmotor ist bekannt und wird somit hier nicht weiter im Detail beschrieben.
Die Stößelstange 20 weist auch einen Teil des Ölschmierdurchlasses 38 auf, der benachbart zur Kolbenringnut 30 endet. Der Ölschmierdurchlass 38 ist in schematischer Form in der Zeichnung gezeigt. Es sei bemerkt, dass die spezielle Anschlussanordnung, die Leitungen usw. in der Kolbenanordnung 14, die einen Ölschmierdurchlass 38 durch sowohl die Stößelstange 20 als auch den Kolben 18 definieren, abhängig von der speziellen Anwendung variieren können.
Der Kolben 18 weist auch mindestens einen Tragblock 42 auf, der benachbart zum Kopfteil 22 positioniert ist und sich von der Nabe 26 zum Mantel 24 erstreckt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Kolben 18 eine Vielzahl von Tragblöcken in Form von Rippen 42 auf, die sich radial von der Nabe 26 zum Mantel 24 erstrecken. Die Rippe 42 zur linken Seite der Nabe 26 ist in 1 in geschnittener Form gezeigt, während die Rippe 42 zur rechten Seite der Nabe 26 in 1 in nicht geschnittener Form gezeigt ist. Die genaue Anzahl der Rippen 42, die gleichmäßig um die Nabe 26 herum beabstandet sind, kann abhängig von der speziellen Anwendung variieren.
Die Rippen 42 sehen eine duale Funktion vor, d.h. das mechanische Stützen des Kolbens 18 genauso wie das Helfen beim Kühlen des Mantels 24 benachbart zur Kolbenringnut 30. Wie klar sein wird, werden beträchtliche Trägheitskräfte auf den Kolben 18 während der Beschleunigung auf eine Verbrennung in der Brennkammer 16 hin aufgebracht. Die Rippen 42 sind konfiguriert, um eine ausreichende strukturelle Unterstützung vorzusehen, um das Umbiegen des Kolbens 18 zu verhindern, was ein Ermüdungsversagen mit der Zeit zur Folge haben kann. Zusätzlich sind die Rippen 42 definiert, um Ausschnitte 52 benachbart zur Kolbenringnut 30 zu definieren, die Wärme weg von der Kolbenringnut 30 leiten, wodurch eine thermische Flexibilität vorgesehen wird und gestattet wird, dass sich der Kopfteil 22 unter hohen Wärmebelastungen ausdehnt.
Jede Rippe 42 weist einen ersten geraden Teil 44, einen zweiten geraden Teil 46 und einen gekrümmten Teil 48 auf. Der erste gerade Teil 44 erstreckt sich von der Nabe 26 in einem spitzen Winkel zur Längsachse 28. Insbesondere erstreckt sich der erste gerade Teil 44 zu einem Bereich, der zwischen der Kolbenringnut 30 und dem Kopfteil 22 gelegen ist. Der zweite gerade Teil 46 ist benachbart zum ersten geraden Teil 44 positioniert und erstreckt sich vom ersten geraden Teil 44 in einem spitzen Winkel. Der zweite gerade Teil 46 erstreckt sich auch in einem spitzen Winkel relativ zur Längsachse 28, die kleiner als der spitze Winkel des ersten geraden Teils 44 relativ zur Längsachse 28 ist. Der gekrümmte Teil 48 ist benachbart zum zweiten geraden Teil 46 und erstreckt sich von diesem zum Kopfteil 22. Der Kurventeil 48 endet an einem spitzen Punkt 50, der am nächsten zum Kopfteil 22 ist. Der zweite gerade Teil 46, der gekrümmte Teil 48 und der Mantel 24 definieren einen ringförmigen Ausschnitt, der den ringförmigen Umfang des Mantels 24 umgibt.
Aus der vorangegangenen Beschreibung des Kolbens 18 einschließlich der Rippen 42 ist offensichtlich, dass eine Anzahl von unterschiedlichen Durchmessern definiert werden kann, die die duale Funktionalität des mechanischen Stützens und der Wärmeübertragung des Kolbens 18 bewirken. Es ist herausgefunden worden, dass diese unterschiedlichen Durchmesser wichtig sind, um eine ordnungsgemäße Kühlung des Mantels 24 und der Kolbenringnut 30 vorzusehen.
Die verschiedenen Übergangspunkte zwischen der Nabe 26, dem ersten geraden Teil 44, dem zweiten geraden Teil 46 und dem gekrümmten Teil 48 definieren unterschiedliche Durchmesser, die wichtig für die Konstruktion des Kolbens 18 sind. Der Verbrennungszylinder 12 definiert einen ersten Durchmesser entsprechend dem Bohrungsdurchmesser, in dem der Kolben 18 sich hin und her bewegt. Der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders 12 entspricht im Allgemeinen dem Außendurchmesser des Mantels 24, und zwar ungeachtet einer vorbestimmten Spieldistanz dazwischen.
Die Verbindung zwischen dem ersten geraden Teil 44 und dem zweiten geraden Teil 46 definiert einen Verbindungspunkt 54 entsprechend einem zweiten Durchmesser D2. Das Verhältnis des zweiten Durchmessers D2 geteilt durch den ersten Durchmesser D1 ist kleiner oder gleich ungefähr 0,98.
Der Übergang zwischen dem zweiten geraden Teil 46 und dem gekrümmten Teil 48 definiert einen Übergangspunkt 56, der wiederum einen dritten Durchmesser D3 definiert. Ein Verhältnis des dritten Durchmessers D3 geteilt durch den ersten Durchmesser D1 ist kleiner oder gleich ungefähr 0,98.
Die Nabe 26 definiert einen vierten Durchmesser D4 an ihrem Außendurchmesser. Das Verhältnis des vierten Durchmessers D4 geteilt durch den ersten Durchmesser D1 ist kleiner oder gleich ungefähr 0,41.
Darüber hinaus ist auch herausgefunden worden, dass die Distanz zwischen der Spitze 50, die am nächsten zum Kopfteil 22 ist, und der Kolbenringnut 30 auch ein wichtiges Konstruktionskriterium ist. Wenn die Kolbenringnut 30 zu nahe am Kopf teil 22 ist, kann eine übermäßig große Wärmeübertragung auf den Bereich benachbart zur Kolbenringnut 30 auftreten. Wenn andererseits die Kolbenringnut 30 zu weit von dem Kopfteil 22 entfernt ist, nimmt ein Kompressionsverhältnis bzw. Verdichtungsverhältnis des Freikolbenverbrennungsmotors 10 ab, was wiederum einen verringerten Wirkungsgrad zur Folge hat.
Der Spitzenpunkt 50 und die Kolbenringnut 30 definieren eine Ringbandbank 58, die sich dazwischen erstreckt. Dies entspricht im Allgemeinen der Distanz zwischen dem nächsten Punkt in dem Ausschnitt 52 zum Kopfteil 22 und der Mitte der Kolbenringnut 30. Wenn die Rippen 42 einen gekrümmten Teil 48 aufweisen, wie in der Zeichnung gezeigt, erstreckt sich die Ringbandbank 58 sowohl in Längsrichtung von der Mitte der Kolbenringnut 30, genauso wie in einer radialen Richtung zu einer Stelle im Allgemeinen senkrecht zum Spitzenpunkt 50 entlang dem Äußeren des Kolbens 18 und in Kontakt damit, wie gezeigt. Das Verhältnis der Ringbandbank 58 geteilt durch den ersten Durchmesser D1 ist kleiner oder gleich ungefähr 0,146. Dies stellt ein wünschenswertes Kompressionsverhältnis in dem Freikolbenverbrennungsmotor 10 sicher.
Es ist auch bei gewissen Anwendungen für Ventile 42 möglich, nur einen geraden Teil aufzuweisen, der sich zwischen der Nabe 26 und dem Mantel 24 erstreckt. Das heißt, der erste gerade Teil 44 kann sich zu dem Mantel 24 erstrecken und daran angebracht sein, und zwar an einer Stelle zwischen der Kolbenringnut 30 und dem Kopfteil 22, wie von der gestrichelten Linie 60 gezeigt. So konfiguriert ist der Spitzenpunkt am nächsten zum Kopfteil 22 dann entlang der Seite des Mantels 24. Die Ringbandbank 58 würde sich dann von der Mitte der Kolbenringnut 30 zu einer Stelle erstrecken, die im Allgemeinen senkrecht zum Spitzenpunkt seitlich benachbart zum Mantel 24 ist. Das heißt, die Ringbandbank 58 erstreckt sich nur in einer einzigen Richtung im Allgemeinen parallel zum Mantel 24 und nicht in zwei Richtungen senkrecht zur Kante 62.
In dem oben gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kolbens 18 definiert eine Vielzahl von Rippen 42 die Tragblöcke, die sich von der Nabe 26 zum Mantel 24 erstrecken, wie oben beschrieben. Es ist auch abhängig von der speziellen Anwendung möglich, dass der Tragblock 42 als ein einzelnes Stück konfiguriert ist (d.h. einen ringförmigen Tragblock, der die Nabe 26 umgibt). Trotzdem lassen sich die unterschiedlichen Konstruktionsparameter bezüglich der Durchmesser, wie oben beschrieben, immer noch anwenden.
Industrielle Anwendbarkeit
Während des Betriebs wird eine Dieselbrennstoff-Luft-Mischung in die Brennkammer 16 eingespritzt. Die Kolbenanordnung 14 läuft zu einer oberen Totpunktposition in der Brennkammer 16, wo die Verbrennung auftritt, die die Kolbenanordnung 14 zu einer unteren Totpunktposition hin treibt. Während der anfänglichen Beschleunigung im Rückwärtshub tragen die Rippen 42 mechanisch den Kolben 18, um ein mechanisches Umbiegen zu verhindern. Wenn der Betrieb fortschreitet, wird der Kolben 18 als eine Folge der wiederholten Verbrennung in der Brennkammer 16 heiß. Der ringförmige Ausschnitt 52, der zwischen den Rippen 42 und dem Mantel 24 in einem Bereich zwischen dem Kopfteil 22 und der Kolbenringnut 30 definiert ist, leitet Wärme weg von der Kolbenringnut 30 und gestattet, dass die Kolbenringnut 30 sich thermisch biegt. Auch während der anfänglichen Beschleunigung im Rückwärtshub wird das durch Beschleunigung betätigte Rückschlagventil 40 geöffnet, um zu gestatten, dass eine kleine Menge von Schmieröl in dem Raum zwischen dem Kolben 18 und dem Verbrennungszylinder 12 benachbart zum Kolbenring 31 aufgebracht wird. Dies stellt eine adäquate Schmierung des Kolbenrings 31 sicher, während gleichzeitig eine sehr kleine Menge von Öl aufgebracht wird, wodurch Emissionen verringert werden.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Kolbenanordnung zur Anwendung in einem Freikolbenverbrennungsmotor vor, die einen Kolben mit mindestens einem Tragblock aufweist, der in Längsrichtung benachbart zum Kopfteil und radial benachbart zum Mantel positioniert ist. Der mindestens eine Tragblock sieht eine duale Funktionalität des mechanischen Tragens des Kolbens während der Beschleunigung und des Helfens bei der Wärmeübertragung von dem Kolbenringnutbereich in dem Mantel vor. Dadurch, dass sich jeder Tragblock in radialer Richtung von der Nabe zum Mantel erstreckt, ist eine adäquate mechanische Unterstützung des Kolbens während des Betriebs vorgesehen. Durch Vorsehen eines ringförmigen Ausschnittes zwischen der Kolbenringnut und jedem Tragblock, wird die Wärmeübertragung im Bereich der Kolbenringnut verbessert.

Claims

Freikolbenverbrennungsmotor (10), der Folgendes aufweist: einen Verbrennungszylinder (12); und eine Kolbenanordnung (14), die einen Kolben (18) und eine Stößelstange (20) aufweist, wobei der Kolben (18) in dem Verbrennungszylinder (12) hin und her bewegbar ist, wobei der Kolben (18) einen Kopfteil (22), einen Mantel (24), der sich von dem Kopfteil (22) erstreckt, und eine Kolbenringnut (30) darin hat, eine Nabe (26), die an der Stößelstange (20) angebracht ist, und mindestens einen Tragblock (42) aufweist, wobei jeder Tragblock (42) benachbart zum Kopfteil (22) positioniert ist und sich von der Nabe (26) zum Mantel (24) erstreckt, wobei sowohl der Tragblock (42) als auch der Mantel (24) als auch die Kolbenringnut (30) einen Ausschnitt (52) dazwischen definieren.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei sowohl der Tragblock (42), der einen ersten geraden Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, weiter einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich von dem ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) aufweist, der benachbart zum zweiten geraden Teil (46) ist und sich von diesem erstreckt, wobei der erste gerade Teil (44) und der zweite gerade Teil (46) einen Verbindungspunkt (54) dazwischen definieren, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert und wobei der Verbindungspunkt (54) einen zweiten Durchmesser definiert, wobei ein Verhältnis des zweiten Durchmessers geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,98 ist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten geraden Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, weiter einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich vom ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zwei ten geraden Teil (46) und sich von diesem weg erstreckend, wobei der zweite gerade Teil (46) und der gekrümmte Teil (48) einen Übergangspunkt (56) dazwischen definieren, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert, und der Übergangspunkt (56) einen dritten Durchmesser definiert, wobei ein Verhältnis des dritten Durchmessers geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,98 ist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten gerade Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich vom ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zweiten geraden Teil (46) und sich von diesem weg erstreckend, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert und wobei die Nabe (26) einen vierten Durchmesser definiert, wobei ein Verhältnis des vierten Durchmessers geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,41 ist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser besitzt, wobei jeder der Tragblöcke (42) ein Ende hat, welches an der Nabe (26) endet, und ein entgegengesetztes Ende, welches an einem Spitzenpunkt (50) in der Nähe des Kopfteils (22) endet, wobei der Spitzenpunkt (50) und die Kolbenringnut (30) eine Distanz dazwischen haben, die eine Ringbandbank (58) definiert, wobei ein Verhältnis der Ringbandbank (58) geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,146 ist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 5, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten gerade Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich vom ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zweiten geraden Teil (46) und sich von diesem erstreckend, wobei der gekrümmte Teil (48) an dem Spitzenpunkt (50) endet, wobei die Ringbandbank (58) sich pa rallel zu dem Mantel (24) von einer Mitte der Kolbenringnut (30) zu einer Kante (62) benachbart zum Kopfteil (22) erstreckt und. sich auch von der Kante (62) zu einer Mitte des Spitzenpunktes (50) erstreckt.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 5, wobei jeder Tragblock (42) einen geraden Teil aufweist, der sich zwischen der Nabe (26) und dem Mantel (24) erstreckt, wobei die Ringbandbank (58) sich parallel zu dem Mantel (24) von einer Mitte der Kolbenringnut (30) zu einem entgegengesetzten Ende erstreckt.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Kolben (18) mindestens einen Schmieröldurchlass (38) in Strömungsmittelverbindung mit der Kolbenringnut (30) aufweist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, wobei die Stößelstange (20) auch den Schmieröldurchlass (38) aufweist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 9, der ein durch Beschleunigung betätigtes Rückschlagventil (40) aufweist, welches in dem Schmieröldurchlass (38) positioniert ist.
Freikolbenverbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Tragblock (42) eine Vielzahl von Rippen ist, die sich jeweils radial von der Nabe (26) erstrecken.
Kolbenanordnung (14) zur Anwendung in einem Freikolbenverbrennungsmotor (10), die Folgendes aufweist: eine Stößelstange (20); und einen Kolben (18), der einen Kopfteil (22) aufweist, weiter einen Mantel (24), der sich von dem Kopfteil (22) erstreckt und eine Kolbenringnut (30) darin aufweist, eine Nabe (26), die an der Stößelstange (20) angebracht ist, und mindestens einen Tragblock (42), wobei jeder Tragblock (42) benachbart zum Kopfteil (22) positioniert ist und sich von der Nabe (26) zum Man tel (24) hin erstreckt, wobei jeder Tragblock (42), der Mantel (24) und die Kolbenringnut (30) einen Ausschnitt (52) dazwischen definieren.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 12, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten gerade Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich vom ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zweiten geraden Teil (46) und sich von diesem erstreckend, wobei der erste gerade Teil (44) und der zweite gerade Teil (46) einen Verbindungspunkt (54) dazwischen definieren, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert, und wobei der Verbindungspunkt (54) einen zweiten Durchmesser definiert, wobei ein Verhältnis des zweiten Durchmessers geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,98 ist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 12, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten gerade Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich vom ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zweiten geraden Teil (46) und sich von diesem erstreckend, wobei der zweite gerade Teil (46) und der gekrümmte Teil (48) einen Übergangspunkt (56) dazwischen definieren, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert, und wobei der Übergangspunkt (56) einen dritten Durchmesser definiert, wobei ein Verhältnis des dritten Durchmessers geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,98 ist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 12, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten gerade Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich vom ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zweiten geraden Teil (46) und sich von diesem erstreckend, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert, und wobei die Nabe (26) einen vierten Durchmesser definiert, wobei ein Verhältnis des vierten Durchmessers geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,41 ist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 12, wobei der Mantel (24) einen ersten Durchmesser definiert, wobei jeder Tragblock (42) ein Ende hat, welches an der Nabe (26) endet, und ein entgegengesetztes Ende, welches an einem Spitzenpunkt (50) in nächster Nähe zum Kopfteil (22) endet, wobei der Spitzenpunkt (50) und die Kolbenringnut (30) eine Distanz dazwischen haben, die eine Ringbandbank (58) definiert, wobei ein Verhältnis der Ringbandbank (58) geteilt durch den ersten Durchmesser kleiner oder gleich ungefähr 0,146 ist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 16, wobei jeder Tragblock (42) einen ersten gerade Teil (44) aufweist, der sich von der Nabe (26) erstreckt, einen zweiten geraden Teil (46) benachbart zum ersten geraden Teil (44), der sich von dem ersten geraden Teil (44) in einem spitzen Winkel erstreckt, und einen gekrümmten Teil (48) benachbart zu dem zweiten geraden Teil (46) und sich von diesem erstreckend, wobei der gekrümmte Teil (48) an einem Spitzenpunkt (50) endet, wobei die Ringbandbank (58) sich parallel zu dem Mantel (24) von einer Mitte der Kolbenringnut (30) zu einer Kante (62) benachbart zum Kopfteil (22) erstreckt und sich auch von der Kante (62) zu einer Mitte des Spitzenpunktes (50) erstreckt.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 16, wobei jeder Tragblock (42) einen geraden Teil aufweist, der sich zwischen der Nabe (26) und dem Mantel (24) erstreckt, wobei die Ringbandbank (58) sich parallel zu dem Mantel (24) von einer Mitte der Kolbenringnut (30) zum gegenüberliegenden Ende erstreckt.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 12, wobei der Kolben (18) mindestens einen Schmieröldurchlass (38) in Strömungsmittelverbindung mit der Kolbenringnut (30) aufweist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 19, wobei die Stößelstange (20) auch den Schmieröldurchlass (38) aufweist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 20, die ein durch Beschleunigung betätigtes Rückschlagventil (40) aufweist, welches in dem Schmieröldurchlass (38) positioniert ist.
Kolbenanordnung (14) nach Anspruch 12, wobei der mindestens eine Tragblock (42) eine Vielzahl von Rippen ist, die sich jeweils radial von der Nabe (26) erstrecken.
Verfahren zum Betrieb eines Freikolbenverbrennungsmotors (10), das folgende Schritte aufweist: Vorsehen eines Verbrennungszylinders (12); Vorsehen einer Kolbenanordnung (14), die einen Kolben (18) und eine Stößelstange (20) aufweist, wobei der Kolben (18) einen Kopfteil (22) aufweist, einen Mantel (24), der sich von dem Kopfteil (22) erstreckt, und eine Kolbenringnut (30) darin hat, eine Nabe (26), die an der Stößelstange (20) angebracht ist, und mindestens einen Tragblock (42), wobei jeder Tragblock (42) benachbart zu dem Kopfteil (22) positioniert ist und sich von der Nabe (26) zum Mantel (24) erstreckt, wobei jeder Tragblock (42), der Mantel (24) und die Kolbenringnut (30) einen Ausschnitt (52) dazwischen definieren; Hin- und Herbewegung des Kolbens (18) innerhalb des Verbrennungszylinders (12); und Mechanisches Tragen des Kolbens (18) und thermisches Kühlen der Kolbenringnut (30) während des Hin- und Herbewegungsschrittes unter Verwendung des mindestens einen Tragblockes (42).