CN109252947B - 一种四冲程发动机及由其带动的永磁发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四冲程发动机，其特点是采用轴向旋转驱动机构取代曲轴曲柄传动机构，这种机构设计与活塞相连并由导向机构导向做直线运动的轴向运动构件，以及被限制轴向运动的旋转运动构件和输出转轴，轴向运动构件为圆筒状结构，其上沿圆周设有至少一倾斜闭环的驱动沟槽，而旋转运动构件套于轴向运动构件上或伸入其中，其上安装有与驱动沟槽配合的滚动体，通过驱动沟槽侧壁与滚动体的接触以将轴向运动构件的直线往复运动转换为旋转运动构件的连续旋转运动。这种四冲程发动机的能量转换效率远高于传统发动机，本发明同时提供由该四冲程发动机带动的永磁发电机组，发电效率很高。

Description

一种四冲程发动机及由其带动的永磁发电机组

技术领域

本发明涉及一种四冲程发动机及由其带动的永磁发电机组。

背景技术

传统四冲程发动机的传动装置主要采用曲轴连杆传动机构，其原理是燃料爆燃所产生的施加在活塞上用于驱动其直线运动的轴向力通过连杆及其与曲轴曲柄的连接结构被转换成驱动曲轴旋转运动的径向力，由于其结构简单又经过长期不断优化完善已经极为成熟，运用较为广泛。

但行业内公知，已知的上述曲轴连杆传动机构本身实际存在一个很大的问题：由于作用在活塞上的直线方向的力通过连杆传递给曲轴曲柄时始终存在一个角度，使得曲轴在旋转方向上始终得到的是一个被分解的力。这种情况尤其在活塞运动的初期和末期非常明显和极端，此时分解的力的方向接近90度时，力几乎无法传递出去，根据做功计算公式W=FS（F为力，S为距离），我们知道在时间不变的情况下，很大一部分力被白白浪费掉。所以传统发动机的输出功率实际是被分解后得到的功率。因此目前绝大多数传统发动机的能量转换效率只能达到35%左右，在人们使用上述传统发动机带给人们便利的同时也白白浪费了巨大的能源。相关联的，目前行业内利用上述常规发动机来带动的永磁发电机组的发电效率也不会高。

另外从结构角度来讲，目前采用曲轴连杆传动机构的发动机，主要依靠挺柱推杆机构来带动缸头上的气门摇臂动作，挺柱挺杆的结构复杂，零部件多，导致整个发动机外形臃肿，且装配不便。

此外已有的应用上述发动机的永磁发电机组时，由于发动机缸头部分与下方的曲轴曲柄部分不在同一轴向上，外形复杂，对于发电机端的冷却风扇吹来的冷却风多有阻挡，使得冷却风无法均匀的吹过整个发动机表面，散热效果差。

因此综上所述，要提高传统四冲程发动机的能量转换效率，其核心就是要改进内部传动装置的结构，目前行业内迫切需要一种新的高效的四冲程发动机以及由其带动的永磁发电机组。

发明内容

本发明目的是：提供一种能量转换效率更高的发动机传动装置。

本发明的技术方案是：一种四冲程发动机，包括箱体、固定在箱体一端的箱盖和固定于箱盖上的缸头，缸头上设有气门及控制气门开合的摇臂，缸头内设置活塞，其特征在于：还包括轴向旋转驱动机构，该机构包括一与活塞相连的轴向运动构件及用于限定该轴向运动构件沿活塞运行方向做直线运动的导向机构，以及一被限制轴向运动的旋转运动构件和与该旋转运动构件固定或一体相连的输出转轴，输出转轴旋转装配在箱体上并与活塞同轴心或平行布置，轴向运动构件为圆筒状结构，而旋转运动构件套置在轴向运动构件外侧或伸入轴向运动构件内部，轴向运动构件上沿圆周设有至少一倾斜闭环的驱动沟槽，而旋转运动构件上安装有与驱动沟槽配合的滚动体，通过驱动沟槽侧壁与滚动体的接触以将轴向运动构件的直线往复运动转换为旋转运动构件的连续旋转运动；还包括摇臂驱动机构，该摇臂驱动机构包括一与输出转轴平行设置的凸轮轴，输出转轴上固定有正时齿轮，而凸轮轴一端固定有与正时齿轮啮合的凸轮轴齿轮，凸轮轴另一端则固定有作用于摇臂一端的端面凸轮，摇臂另一端与安装有气门弹簧的气门相抵。

进一步的，出于轴向运动构件与旋转运动构件之间受力平衡性和稳定性的考虑，本发明中所述驱动沟槽优选设计相同的两条以上，这些驱动沟槽沿轴向运动构件的轴向设置而不交叉，驱动沟槽之间相对轴向运动构件的圆周中心间隔任意角度；或者所述驱动沟槽为相同的两条以上，这些驱动沟槽在轴向运动构件的圆周上相对圆周中心间隔角度设置并交叉，且在轴向上无错开；或者所述驱动沟槽为相同的两条以上，这些驱动沟槽在轴向运动构件的圆周上相对圆周中心间隔角度设置并交叉，且在轴向上有错开。

进一步的，本发明中所述活塞进气和做功阶段每走一个行程对应的旋转运动构件的转动角度均大于180度，以便加大活塞的进气及做功时间。实际使用时，我们发现活塞在进气阶段和做功阶段对应的驱动沟槽为同一段，即滚动体走完该段驱动沟槽时旋转运动构件转过的角度是相同的，均大于180度。

更进一步的，本发明中活塞进气和做功阶段时滚动体与同一段驱动沟槽的两侧壁分别接触滚动，该段驱动沟槽的两侧壁轮廓线形状不同，并且对应活塞进气阶段的侧壁轮廓线的初始斜度要大于对应活塞做功阶段的侧壁轮廓线初始斜度，以加快活塞下行初期的下行速度，使得同样的下行时间里更快的增加缸内的负压进入更多油气，以便提高发动机功率。

进一步的，本发明中所述滚动体为通过万向节安装在旋转运动构件上的球形滚动体，或者所述滚动体为滚轮，该滚轮的滚动面与驱动沟槽的两侧壁面接触滚动。

进一步的，本发明中所述轴向运动构件上一体设有活塞固定杆，该活塞固定杆穿过箱盖与活塞相连，所述输出转轴、轴向运动构件和活塞同轴心布置；而所述导向机构包括若干沿活塞运行方向平行设置的导柱，并且这些导柱关于轴向运动构件的圆周中心呈中心对称设置；而导柱一端均与发动机箱盖固定，而另一端则均与一导柱支架固定，并且各导柱上均配合套设有滑动导套，这些滑动导套固定或一体设于轴向运动构件上；并且所述发动机箱体和导柱支架上均设有套于输出转轴上的轴承，而输出转轴上分别设有与上述两侧轴承相抵的轴肩部以限制旋转运动构件的轴向运动，或者发动机箱体内设有从两端抵止旋转运动构件的限位支架以限制旋转运动构件的轴向运动。

进一步的，本发明中所述轴向运动构件上未设置驱动沟槽的部分为镂空结构用以减轻重量，而所述旋转运动构件为圆筒状构件，或者叉状构件，叉状构件包括用于同输出转轴固定或一体相连的连接座，该连接座上设有沿活塞运动方向延伸的叉条，滚动体安装在叉条上，且当叉条的数量为两个以上时，这些叉条关于旋转运动构件的转动轴心呈中心对称分布。

本发明中的摇臂一端与端面凸轮直接相抵就能受端面凸轮驱动而带动气门开合，当然为了加强摇臂与端面凸轮之间的配合运转流畅性和稳定性，进一步的，本发明中在端面凸轮上沿凸轮曲线设有凸轮沟槽，凸轮沟槽内设有滚珠，而摇臂上作用于端面凸轮的一端固定有气门间隙调节螺钉，该气门间隙调节螺钉端部设有滑槽，滑槽内嵌设有与滚珠相抵的滚珠滑块，滚珠滑块可于滑槽内自由滑动，同时该滚珠滑块上设有容纳滚珠的防脱凹部。或者摇臂与端面凸轮间采取另一种作用方案，即摇臂上作用于端面凸轮的一端安装有与端面凸轮的表面接触的摇臂滚轮，而摇臂另一端上固定有气门间隙调节螺钉，并通过该气门间隙调节螺钉与所述气门相抵。气门间隙调节螺钉的引入也方便调节气门间隙。

本发明同时提供一种由上述四冲程发动机带动的永磁发电机组，这种永磁发电机组包括安装在箱体上的输出转轴端的发电机，该发电机包括固定在输出转轴上的转子和固定箱体上的定子支架，定子支架上固定有与转子配合的定子。

更进一步的，本发明中转子由固定在输出转轴上的飞轮和粘贴在飞轮内侧的永磁磁钢构成，定子位于转子内侧，并且输出转轴上还固定有位于飞轮外侧的冷却风扇，还包括箱体导风罩，箱体固定在该箱体导风罩内，箱体导风罩一端连接包围发电机的发电机导风罩，而箱体导风罩另一端连接包围缸头的缸头导风罩。

本发明的工作原理说明如下：

需要说明本发明中驱动沟槽的倾斜是相对于轴向运动构件的轴心线而言，该驱动沟槽的“所在面”越贴近轴心线的垂直面，则其斜度越大，反之则其斜度越小，越平缓。

实际工作时，本发明中的轴向旋转驱动机构通过轴向运动构件上面倾斜闭环设计的驱动沟槽侧壁推动旋转运动构件的滚动体运动，使得旋转运动构件能够连续旋转，从而将活塞的直线运动转换为输出转轴的连续旋转运动。该过程中，活塞输出的动力只是通过轴向旋转驱动机构改变了方向，而完全没有被分解，除去很少一部分摩擦力，绝大部分动力被传递给输出转轴输出。而且活塞做功的起始端及末端死点区很小，大部分能量被利用。因此，从本身的结构来讲其能量的转换效率远高于常规的曲轴连杆传动机构。

输出转轴在旋转的同时通过正时齿轮与凸轮轴齿轮的配合带动凸轮轴旋转，凸轮轴一端设有与摇臂作用的端面凸轮，端面凸轮上的凸轮曲线是按气门升程曲线变化而设计的，相应的凸轮沟槽也与该曲线吻合，故当滚珠在凸轮沟槽内滚动时也就能够带动摇臂正常开合气门，通过摇臂上的气门间隙调节螺钉则能够调节气门间隙。

其次，现有采用曲轴连杆传动机构的四冲程发动机，其本身结构决定了其四个行程工作角度均被限制为180度，因此，活塞进气时间与做功时间都被固定，但从四冲程发动机的四个工作行程我们可以分析出同一排量的气缸在四个工作行程中，如果缸体内进入更多的油气或做功时间加长可以使发动机功率更大，在现有的曲轴连杆发动机中人们只能通过提前开启延时关断进气门的方式尽量让更多的油气进入缸体，但本发明可以通过改变轴向运动构件上的驱动沟槽路径设计以增加进气阶段对应的转动角度（>180度），确保在发动机转速不变的前提下延长进气时的活塞下行时间，以便缸内进入更多的油气，提高发动机功率。当然我们还可以通过驱动沟槽的侧壁轮廓线的优化设计（提高侧壁轮廓线初始斜度）使活塞在下行初期加快下行速度，从而使同样下行时间里更快的增加缸内的负压，从而进入更多的油气，进一步提高发动机功率。

同时，对于四冲程发动机而言，在其活塞的四个工作行程中，活塞做功行程也希望爆燃所产生的力有更多的时间作用在活塞上从而让更多的力传递给输出轴，而本发明中恰好活塞做功行程对应的驱动沟槽与进气行程对应的驱动沟槽为同一段，相互重合，故进气行程的转动角度增大（>180度）也同样使得做功行程的转动角度增大（>180度），从而让燃爆动力有更多时间作用在输出转轴上，以提高燃油的利用率和发动机的运行效能。由此可见，本发明的设计通过延长对应活塞进气和做功阶段的驱动沟槽路径长度，不但提高了同排量发动机的功率，也提高了发动机的效率，同时还使发动机最佳扭矩点的速度上移，提高了发动机最佳扭矩转速，进一步提高了发动机功率。

并且本发明中配合轴向旋转驱动机构设计了专门的摇臂驱动机构，该机构通过由正时齿轮带动的凸轮轴及其上端面凸轮作用于摇臂工作，整套机构设计比常规发动机更为顶置，且相比传统发动机上的挺柱推杆机构，进一步减少了零件，简化了结构。

而当将本发明的四冲程发动机用在发电机组上时，由于本发明的发动机去除了传统发动机中的曲轴连杆机构，不仅大大减轻了发动机重量，且由于结构中输出转轴和轴向旋转驱动机构与活塞之间可以同轴心或者平行分布，使得发动机与后端发电机构成的整套发电机组能被设计成近圆筒状结构，这样使得冷却风扇产生的冷却风可均匀无阻挡的在各导风罩的引导下向前经过四冲程发动机（箱体和缸头）的整个外表面，提升了机组的散热效果。

本发明的优点是：

1．本发明中专门设计了轴向旋转驱动机构取代常规的曲轴连杆传动机构，这种轴向旋转驱动机构在工作时通过轴向运动构件上面倾斜闭环设计的驱动沟槽侧壁推动旋转运动构件的滚动体运动，使得旋转运动构件能够连续旋转，从而将活塞的直线运动转换为输出转轴的连续旋转运动。该过程中，活塞输出的动力只是通过轴向旋转驱动机构改变了方向，而完全没有被分解，除去很少一部分摩擦力，绝大部分动力被传递给输出转轴输出。而且活塞做功的起始端及末端死点区很小，大部分能量被利用。因此，从本身的结构来讲其能量的转换效率远高于常规的曲轴连杆传动机构。

2. 当应用于四冲程发动机时，本发明可以通过改变轴向运动构件上的驱动沟槽路径设计以增加进气阶段对应的转动角度（>180度），确保在发动机转速不变的前提下延长进气时的活塞下行时间，以便缸内进入更多的油气，提高发动机功率。当然我们还可以通过驱动沟槽的侧壁轮廓线的优化设计（提高侧壁轮廓线初始斜度）使活塞在下行初期加快下行速度，从而使同样下行时间里更快的增加缸内的负压，从而进入更多的油气，进一步提高发动机功率。

3. 对于四冲程发动机而言，在其活塞的四个工作行程中，活塞做功行程也希望爆燃所产生的力有更多的时间作用在活塞上从而让更多的力传递给输出轴，而本发明中恰好活塞做功行程对应的驱动沟槽与进气行程对应的驱动沟槽为同一段，相互重合，故进气行程的转动角度增大（>180度）也同样使得做功行程的转动角度增大（>180度），从而让燃爆动力有更多时间作用在输出转轴上，以提高燃油的利用率和发动机的运行效能。由此可见，本发明的设计通过延长对应活塞进气和做功阶段的驱动沟槽路径长度，不但提高了同排量发动机的功率，也提高了发动机的效率，同时还使发动机最佳扭矩点的速度上移，提高了发动机最佳扭矩转速，进一步提高了发动机功率。

4. 本发明中配合轴向旋转驱动机构设计了专门的摇臂驱动机构，该机构通过由正时齿轮带动的凸轮轴及其上端面凸轮作用于摇臂工作，整套机构设计比常规发动机更为顶置，且相比传统发动机上的挺柱推杆机构，进一步减少了零件，简化了结构。

5. 当将本发明的四冲程发动机用在发电机组上时，由于本发明的发动机去除了传统发动机中的曲轴连杆机构，不仅大大减轻了发动机重量，且由于结构中输出转轴和轴向旋转驱动机构与活塞之间可以同轴心或者平行分布，使得发动机与后端发电机构成的整套发电机组能被设计成近圆筒状结构，这样使得冷却风扇产生的冷却风可均匀无阻挡的向前经过发动机的整个外表面，提升了机组的散热效果。

综上所述，本发明的四冲程发动机与传统采用曲轴连杆传动机构的同排量发动机相比较而言，功率和效率均得到增加，经过测试功率增加20%以上，效率提升10~15%，同时发动机整体重量也得到减轻，减轻达10%左右，体积也更小，而且结构更为简单，生产成本低于传统发动机。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明由四冲程发动机带动的永磁发电机组整体结构剖视图；

图2为图1中的轴向旋转驱动机构与活塞之间的单独组装结构示意图（带轴向运动构件内部剖视）；

图3为本发明中轴向运动构件的立体结构示意图；

图4为图1中摇臂驱动机构中摇臂与端面凸轮之间的细化配合结构图；

图5为图1中轴向运动构件上的驱动沟槽沿圆周面展开后在平面上的实际分布示意图；

图6为图5中当驱动沟槽非轴向错开时的展开分布示意图；

图7为本发明中输出转轴转动角度与活塞运动轨迹曲线之间的关系图；

图8为常规四冲程发动机中曲轴转动角度与其活塞运动轨迹曲线之间的关系图；

图9为本发明由四冲程发动机带动的永磁发电机组整体结构剖视图的另一具体实施例结构示意图；

图10为图9中的轴向运动构件的单独立体结构示意图；

图11为图9中的轴向运动构件上的驱动沟槽沿圆周面展开后在平面上的实际分布示意图；

图12为图9中摇臂驱动机构中摇臂与端面凸轮之间的细化配合结构图；

图13和图14分别为同排量发动机前提下常规的曲轴连杆传动机构工作受力状态的力学模型示意图和本发明中的轴向旋转驱动机构工作受力状态的力学模型示意图；

图15为图13和14两种力学模型在发动机进气或做功的角度相同时（均为180度），输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线比较图；

图16为图13和14两种力学模型在发动机进气或做功的角度不同时（常规发动机依旧180度，而我们的发动机则大于180度），输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线比较图。

其中：1、箱体；2、箱盖；3、缸头；4、活塞；5、轴向运动构件；6、旋转运动构件；7、输出转轴；8、驱动沟槽；9、滚动体；10、活塞固定杆；11、导柱；12、导柱支架；13、滑动滑套；14、轴承；15、气门；16、摇臂；17、凸轮轴；18、正时齿轮；19、凸轮轴齿轮；20、端面凸轮；21、凸轮沟槽；22、滚珠；23、气门间隙调节螺钉；24、滚珠滑块；25、气门弹簧；26、转子；27、定子支架；28、定子；29、飞轮；30、永磁磁钢；31、冷却风扇；32、箱体导风罩；33、发电机导风罩；34、缸头导风罩；35、摇臂滚轮；801、第一沟槽曲线；802、第二沟槽曲线；901、第一滚动体初始位置点；902、第二滚动体初始位置点。

具体实施方式

实施例1：下面结合说明书附图1~8对本发明做详细说明。本发明提供的是一种四冲程发动机及由其带动的永磁发电机组，本实施例直接针对由四冲程发动机带动的永磁发电机组整体进行说明。

如图1所示，永磁发电机组被分为两个部分，即本案核心设计的四冲程发动机部分和安装在其输出转轴端的发电机部分，下面我们对这两个部分进行详细说明如下：

四冲程发动机部分具有同常规技术一样的箱体1、箱盖2和缸头3，箱体1一端固定箱盖2，缸头3固定在箱盖2上，缸头3上设有气门15及控制气门15开合的摇臂16，缸头3内则设有活塞4，而本发明对其的核心改进结构特点在于：

专门设计了一种轴向旋转驱动机构，该机构的构成如下：具有一与活塞4相连的轴向运动构件5和用于限定该轴向运动构件5沿活塞4运行方向做直线运动的导向机构，还具有一被限制轴向运动的旋转运动构件6和与该旋转运动构件6一体相连的输出转轴7，输出转轴7旋转装配在箱体1上并与轴向运动构件5和活塞4均同轴心布置。进一步结合图1~图3所示，本实施例中轴向运动构件5为圆筒状结构，而旋转运动构件6也为圆筒状构件并套于轴向运动构件5外侧。该轴向运动构件5上沿圆周设有两条倾斜闭环的驱动沟槽8，而旋转运动构件6上安装有与驱动沟槽8配合的滚动体9，通过驱动沟槽8侧壁与滚动体9的接触以将轴向运动构件5的直线往复运动转换为旋转运动构件6的连续旋转运动。

同时，作为四冲程发动机必然具有驱动摇臂动作的驱动机构，现有技术中采用挺柱挺杆机构，而本发明中的摇臂驱动机构经过专门设计，具体结合图1和图4所示，这种摇臂驱动机构具有一与输出转轴7平行设置的凸轮轴17，输出转轴7上固定有正时齿轮18，而凸轮轴17一端固定有与正时齿轮18啮合的凸轮轴齿轮19，凸轮轴17另一端则固定有作用于摇臂16一端的端面凸轮20，摇臂16另一端与安装有气门弹簧25的气门15相抵。如图4所示，所述端面凸轮20上沿凸轮曲线设有凸轮沟槽21，凸轮沟槽21内设有滚珠22，而摇臂16上作用于端面凸轮20的一端固定有气门间隙调节螺钉23，该气门间隙调节螺钉23端部设有滑槽，滑槽内嵌设有与滚珠22相抵的滚珠滑块24，滚珠滑块24可于滑槽内自由滑动，同时该滚珠滑块24上设有容纳滚珠22的防脱凹部。

再结合图1~图3所示，本实施例中所述轴向运动构件5上一体设有活塞固定杆10，该活塞固定杆10穿过箱盖2与活塞4相连；而本实施例中所述导向机构包括四根沿活塞4运行方向平行设置的导柱11，这些导柱11关于轴向运动构件5的圆周中心呈中心对称设置。并且每根导柱11一端均与箱盖2固定，而另一端则均与一导柱支架12固定，各导柱11上均配合套设有两个滑动导套13，这些滑动导套13均一体设于轴向运动构件5上。并且所述箱体1和导柱支架12上均设有套于输出转轴7上的轴承14，而输出转轴7上分别设有与上述两侧轴承14相抵的轴肩部以限制旋转运动构件6的轴向运动。

本实施例中所述滚动体9为滚轮，具体结合图2所示，该滚轮的枢转轴垂直于驱动沟槽8的底面设计，因此滚轮的滚动面与驱动沟槽8的两侧壁面接触滚动。

如图3所示，本实施例中所述轴向运动构件5上未设置驱动沟槽8的部分为镂空结构用以减轻重量。

结合图1所示，本实施例中的发电机部分安装在箱体1上的输出转轴7端，该发电机包括固定在输出转轴7上的转子26和固定箱体1上的定子支架27，定子支架27上固定有与转子26配合的定子28。转子26由固定在输出转轴7上的飞轮29和粘贴在飞轮29内侧的永磁磁钢30构成，定子28位于转子26内侧，并且输出转轴7上还固定有位于飞轮29外侧的冷却风扇31，还包括箱体导风罩32，箱体1固定在该箱体导风罩32内，箱体导风罩32一端连接包围发电机的发电机导风罩33，而箱体导风罩32另一端连接包围缸头3的缸头导风罩34。

出于轴向运动构件5与旋转运动构件6之间受力平衡性和稳定性的考虑，本实施例中所述驱动沟槽8采用相同的两条，并且这两条驱动沟槽8在轴向运动构件5的圆周上关于圆周中心呈等角度（180度）间隔分布，两条驱动沟槽8具有两个交叉点。为了清楚说明和揭示驱动沟槽8的形状及与滚动体9之间的位置关系，我们将两条驱动沟槽8沿圆周面展开形成如图5所示的平面分布示意图。并且将其中一条驱动沟槽8展开后的曲线命名为第一沟槽曲线801，其中的滚动体9的初始位置点命名为第一滚动体初始位置点901；而另一条驱动沟槽8展开后的曲线命名为第二沟槽曲线802，其中的滚动体9的初始位置点命名为第二滚动体初始位置点902。

并且需要指出本实施例中两条驱动沟槽8及其内的滚动体9在轴向上是有位移的，是错开的，这样设计有其目的性。因为假如两个驱动沟槽8间隔180度设计但在轴向上无位移，那么由于驱动沟槽8内的滚动体9的初始位置必须完全相同，故实际应用中，可能会出现各驱动沟槽8内的滚动体9在某一时刻同时经过交叉点的情况，如图6所示。此时，滚动体9相当于同驱动沟槽8脱离，旋转运动构件6无受力，从而导致驱动产生断点，虽然影响不大，但依旧会造成整个轴向旋转驱动机构的运转稳定性，为避免这种情况，故本案中的驱动沟槽8和滚动体9的位置采用如图5所示的优化设计。相较于图6，图5相当于把图6中的第一沟槽曲线801向下平移一定距离，第二沟槽曲线802不变，这样使得第一滚动体初始位置点901和第二滚动体初始位置点902在轴向上错开，也即使得两条驱动沟槽8在轴向运动构件5的轴向上具有位移，并且两个滚动体9在轴向上是错开的，从而避免所有滚动体9均同时出现在交叉点上。

下面我们进一步结合图7和图8对本发明进一步说明如下，图7为本发明中输出转轴7转动角度与活塞4运动轨迹曲线之间的关系图，横坐标为输出转轴分别对应四冲程发动机进气、压缩、做功和排气四个阶段的转动角度，也称为工作角度，曲线则是活塞4的运动轨迹，其与本案中轴向运动构件5表面的驱动沟槽8的形状是对应关联的。而图8则是常规四冲程发动机中曲轴转动角度与其活塞运动轨迹曲线之间的关系图。

众所周知现有采用曲轴连杆传动机构的四冲程发动机，其本身结构决定了其进气、压缩、做功和排气的四个阶段的行程曲轴工作角度均被限制为180度，如图8所示。因此，活塞4进气时间与做功时间都被固定，但从四冲程发动机的四个工作行程我们可以分析出同一排量的气缸在四个工作行程中，如果缸体内进入更多的油气或做功时间加长可以使发动机功率更大，在现有的曲轴连杆发动机中人们只能通过提前开启延时关断进气门的方式尽量让更多的油气进入缸体，但本发明通过轴向运动构件5上的驱动沟槽8的路径设计能够增加进气阶段对应的转动角度（>180度），如图7所示，确保在发动机转速不变的前提下延长进气时的活塞4下行时间，以便缸内进入更多的油气，提高发动机功率，进而提高发电效率。

同时，对于四冲程发动机而言，在其活塞4的四个工作行程中，活塞4做功行程也希望爆燃所产生的力有更多的时间作用在活塞4上从而让更多的力传递给输出转轴7，本发明中恰好活塞5做功行程对应的驱动沟槽8与进气行程对应的驱动沟槽8为同一段，相互重合，故进气行程的转动角度增大（>180度）也同样使得做功行程的转动角度增大（>180度），参见图7所示，从而让燃爆动力有更多时间作用在输出转轴7上，以提高燃油的利用率和发动机的运行效能，进而提高发电效率。由此可见，本发明的设计通过延长对应活塞4进气和做功阶段的驱动沟槽8路径长度，不但提高了同排量发动机的功率，也提高了发动机的效率，同时还使发动机最佳扭矩点的速度上移，提高了发动机最佳扭矩转速，进一步提高了发动机功率。

并且本发明中由于活塞4进气和做功阶段时滚动体9与同一段驱动沟槽8的两侧壁分别接触滚动，而我们进一步将该段驱动沟槽8的两侧壁轮廓线形状设计的不同，并且对应活塞4进气阶段的侧壁轮廓线的初始斜度要大于对应活塞4做功阶段的侧壁轮廓线初始斜度，从而加快了活塞4下行初期的下行速度，如图7所示（同样的工作角度内，进气阶段初期活塞4运行轨迹斜度要大于做功阶段，这意味着其速度加快），使得同样的下行时间里更快的增加缸内的负压进入更多油气，进一步提高发动机功率，进而提升发电机效率。

实施例2：结合图9~12所示，本发明另一种具体实施例的整体结构同实施例1基本相同，而区别点在于：一方面改变了轴向驱动旋转机构中的轴向运动构件5的设计，将其表面的两条驱动沟槽8的关系从实施例1中的圆周方向间隔180度且交叉设计改成了沿轴向运动构件5的轴向分布且不交叉，即两个驱动沟槽8之间无交叉点，但两个驱动沟槽8依旧相对于轴向运动构件5的圆周中心间隔180度。同时导柱11数量依然为四个，且依旧关于轴向运动构件5的圆周中心呈中心对称设置，相应的轴向运动构件5内的滑动导套13也为四个。旋转运动构件6上的滚动体9则对应两条驱动沟槽8重新分布，且必须处于两条驱动沟槽8内的同一位置。同样我们将两条驱动沟槽8沿圆周面展开形成如图11所示的平面分布示意图，可以清楚的看到两条驱动沟槽8分别对应的展开后的第一沟槽曲线801和第二沟槽曲线802无交叉点，而对应其中的两个滚动体9的初始位置点901、902则在相应沟槽曲线内的同一位置，这样设计无需担心滚动体9同时通过交叉点的情况发生。

本实施例另一方面对于摇臂驱动机构也进行了小的改进，取消了实施例1中的凸轮沟槽21、滚珠22和滚珠滑块24的设计，具体结合图12所示，本实施例中摇臂16上作用于端面凸轮20的一端安装有与端面凸轮20的表面接触的摇臂滚轮35，而摇臂16另一端上固定有气门间隙调节螺钉23，并通过该气门间隙调节螺钉23与所述气门15相抵。

本实施例的其余装配结构均同实施例1，工作原理及实施效果也均参见实施例1。

下面我们再结合图13~图16来比较同排量前提下本发明中的轴向旋转驱动机构和常规发动机中的曲轴连杆传动机构的做功情况。

图13和图14分别为同排量发动机前提下常规的曲轴连杆传动机构工作受力状态的力学模型示意图和本发明中的轴向旋转驱动机构工作受力状态的力学模型示意图。图13和图14中的P均代表活塞输出的动力，F则代表两个力学模型输出端的旋转方向驱动力。其中图13中的F是P作用在曲轴上的一个分力，而图14中的F则是P经摩擦力损耗并转换方向后作用在输出转轴上的力。

再结合图15所示为图13和14两种力学模型在发动机进气或做功的角度相同时（均为180度），输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线比较图；图中横坐标T表示进气或做功行程内角度的变化。A曲线代表常规曲轴连杆传动机构力学模型的输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线，而B曲线则代表本案中的轴向旋转驱动机构力学模型的输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线。纵坐标F则表示两种力学模型的输出端旋转方向驱动力的大小，其中Fmax1是常规曲轴连杆传动机构力学模型的F变化过程中的最大值，而Fmax2是本案的轴向旋转驱动机构力学模型的F变化过程中的最大值。从图中可知两种力学模型的F肯定均小于P，且Fmax2> Fmax1。同时很显然，各角度下常规曲轴连杆驱动机构力学模型的F的稳定性和保持性也都不如本案。曲线与横坐标围成的图形面积可以表征为相应力学模型旋转方向驱动力的做功面积大小（旋转半径相等的情况下，横坐标同样可表示为旋转方向的驱动力走过的距离S），从图上可以清楚看出，在相同的做功行程内，曲线B总的做功高于曲线A。

图16为图13和14两种力学模型在发动机进气或做功的角度不同时（常规发动机依旧180度，而我们的发动机则大于180度），输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线比较图。同图15一样，图中横坐标T依旧表示进气或做功行程内角度的变化。A曲线代表常规曲轴连杆传动机构力学模型的输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线，而B曲线则代表本案中的轴向旋转驱动机构力学模型的输出端旋转方向驱动力随角度的变化曲线。纵坐标F则表示两种力学模型的输出端旋转方向驱动力的大小，其中Fmax1是常规曲轴连杆传动机构力学模型的F变化过程中的最大值，而Fmax2是本案的轴向旋转驱动机构力学模型的F变化过程中的最大值。从图中可知两种力学模型的F肯定均小于P，且Fmax2> Fmax1。同时很显然，各角度下常规曲轴连杆驱动机构力学模型的F的稳定性和保持性也都不如本案。曲线与横坐标围成的图形面积可以表征为相应力学模型旋转方向驱动力的做功面积大小（旋转半径相等的情况下，横坐标同样可表示为旋转方向的驱动力走过的距离S），从图上可以清楚看出，由于本案的做功角度增大，作用在输出转轴上的驱动力时间更长，做功距离也更长，故曲线B总的做功远高于曲线A。

实际上两条曲线A和B也可以看成是对应各自力学模型的能量转换效率曲线，从图15和图16所示并结合上面的分析可以明确本案中的轴向旋转驱动机构的能量转换效率是远高于常规曲轴连杆传动机构的，相应的发动机的功率和效率也更高。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四冲程发动机，包括箱体（1）、固定在箱体（1）一端的箱盖（2）和固定于箱盖（2）上的缸头（3），缸头（3）上设有气门（15）及控制气门（15）开合的摇臂（16），缸头（3）内设置活塞（4），其特征在于：还包括轴向旋转驱动机构，该机构包括一与活塞（4）相连的轴向运动构件（5）及用于限定该轴向运动构件（5）沿活塞（4）运行方向做直线运动的导向机构，以及一被限制轴向运动的旋转运动构件（6）和与该旋转运动构件（6）固定或一体相连的输出转轴（7），输出转轴（7）旋转装配在箱体（1）上并与活塞（4）同轴心或平行布置，轴向运动构件（5）为圆筒状结构，而旋转运动构件（6）套置在轴向运动构件（5）外侧或伸入轴向运动构件（5）内部，轴向运动构件（5）上沿圆周设有至少一倾斜闭环的驱动沟槽（8），而旋转运动构件（6）上安装有与驱动沟槽（8）配合的滚动体（9），通过驱动沟槽（8）侧壁与滚动体（9）的接触以将轴向运动构件（5）的直线往复运动转换为旋转运动构件（6）的连续旋转运动；还包括摇臂驱动机构，该摇臂驱动机构包括一与输出转轴（7）平行设置的凸轮轴（17），输出转轴（7）上固定有正时齿轮（18），而凸轮轴（17）一端固定有与正时齿轮（18）啮合的凸轮轴齿轮（19），凸轮轴（17）另一端则固定有作用于摇臂（16）一端的端面凸轮（20），摇臂（16）另一端与安装有气门弹簧（25）的气门（15）相抵。

2.根据权利要求1所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述驱动沟槽（8）为相同的两条以上，这些驱动沟槽（8）沿轴向运动构件（5）的轴向设置而不交叉，驱动沟槽（8）之间相对轴向运动构件（5）的圆周中心间隔任意角度；或者所述驱动沟槽（8）为相同的两条以上，这些驱动沟槽（8）在轴向运动构件（5）的圆周上相对圆周中心间隔角度设置并交叉，且在轴向上无错开；或者所述驱动沟槽（8）为相同的两条以上，这些驱动沟槽（8）在轴向运动构件（5）的圆周上相对圆周中心间隔角度设置并交叉，且在轴向上有错开。

3.根据权利要求1所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述活塞（4）进气和做功阶段每走一个行程对应的旋转运动构件（6）的转动角度均大于180度，以便加大活塞（4）的进气及做功时间。

4.根据权利要求3所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述活塞（4）进气和做功阶段时滚动体（9）与同一段驱动沟槽（8）的两侧壁分别接触滚动，该段驱动沟槽（8）的两侧壁轮廓线形状不同，并且对应活塞（4）进气阶段的侧壁轮廓线的初始斜度要大于对应活塞（4）做功阶段的侧壁轮廓线初始斜度，以加快活塞（4）下行初期的下行速度，使得同样的下行时间里更快的增加缸内的负压进入更多油气。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述滚动体（9）为通过万向节安装在旋转运动构件（6）上的球形滚动体，或者所述滚动体（9）为滚轮，该滚轮的滚动面与驱动沟槽（8）的两侧壁面接触滚动。

6.根据权利要求1所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述轴向运动构件（5）上一体设有活塞固定杆（10），该活塞固定杆（10）穿过箱盖（2）与活塞（4）相连，所述输出转轴（7）、轴向运动构件（5）和活塞（4）同轴心布置；而所述导向机构包括若干沿活塞（4）运行方向平行设置的导柱（11），并且这些导柱（11）关于轴向运动构件（5）的圆周中心呈中心对称设置；而导柱（11）一端均与箱盖（2）固定，而另一端则均与一导柱支架（12）固定，并且各导柱（11）上均配合套设有滑动导套（13），这些滑动导套（13）固定或一体设于轴向运动构件（5）上；并且所述箱体（1）和导柱支架（12）上均设有套于输出转轴（7）上的轴承（14），而输出转轴（7）上分别设有与上述两侧轴承（14）相抵的轴肩部以限制旋转运动构件（6）的轴向运动，或者箱体（1）内设有从两端抵止旋转运动构件（6）的限位支架以限制旋转运动构件（6）的轴向运动。

7.根据权利要求1或2或6 所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述轴向运动构件（5）上未设置驱动沟槽（8）的部分为镂空结构用以减轻重量，而所述旋转运动构件（6）为圆筒状构件，或者叉状构件，叉状构件包括用于同输出转轴（7）固定或一体相连的连接座，该连接座上设有沿活塞（4）运动方向延伸的叉条，滚动体（9）安装在叉条上，且当叉条的数量为两个以上时，这些叉条关于旋转运动构件（6）的转动轴心呈中心对称分布。

8.根据权利要求1所述的一种四冲程发动机，其特征在于所述端面凸轮（20）上沿凸轮曲线设有凸轮沟槽（21），凸轮沟槽（21）内设有滚珠（22），而摇臂（16）上作用于端面凸轮（20）的一端固定有气门间隙调节螺钉（23），该气门间隙调节螺钉（23）端部设有滑槽，滑槽内嵌设有与滚珠（22）相抵的滚珠滑块（24），滚珠滑块（24）可于滑槽内自由滑动，同时该滚珠滑块（24）上设有容纳滚珠（22）的防脱凹部；

或者摇臂（16）上作用于端面凸轮（20）的一端安装有与端面凸轮（20）的表面接触的摇臂滚轮（35），而摇臂（16）另一端上固定有气门间隙调节螺钉（23），并通过该气门间隙调节螺钉（23）与所述气门（15）相抵。

9.一种由权利要求1~8任意一项所述四冲程发动机带动的永磁发电机组，其特征在于包括安装在箱体（1）上的输出转轴（7）端的发电机，该发电机包括固定在输出转轴（7）上的转子（26）和固定箱体（1）上的定子支架（27），定子支架（27）上固定有与转子（26）配合的定子（28）。

10.根据权利要求9所述的永磁发电机组，其特征在于转子（26）由固定在输出转轴（7）上的飞轮（29）和粘贴在飞轮（29）内侧的永磁磁钢（30）构成，定子（28）位于转子（26）内侧，并且输出转轴（7）上还固定有位于飞轮（29）外侧的冷却风扇（31），还包括箱体导风罩（32），箱体（1）固定在该箱体导风罩（32）内，箱体导风罩（32）一端连接包围发电机的发电机导风罩（33），而箱体导风罩（32）另一端连接包围缸头（3）的缸头导风罩（34）。