豐田中央研究所近期正在開發(fā)一款自由活塞引擎線性發(fā)電機(jī)(Free Piston Engine Linear Generator，F(xiàn)PEG)，這款發(fā)電機(jī)最大功率20千瓦。豐田預(yù)計(jì)，一對這樣的電機(jī)可以另一輛小型或緊湊級別電動車實(shí)現(xiàn)120公里/時(shí)的最高時(shí)速。

改款發(fā)電機(jī)包含一個(gè)兩沖程燃燒室、一個(gè)線性發(fā)電機(jī)、一個(gè)氣壓彈簧室組成?；钊蓺怏w燃燒時(shí)的壓力推動，附在活塞上的磁鐵同活塞一同運(yùn)動，運(yùn)動過程中與外部包圍的線圈之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，成功地將動能轉(zhuǎn)化為電能。

豐田研究者表示，F(xiàn)PEG發(fā)電機(jī)擁有熱效率高、摩擦阻力低、振動較小等特性。其中采用了兩項(xiàng)基本設(shè)計(jì)，第一項(xiàng)是燃燒室對置結(jié)構(gòu);第二項(xiàng)是一個(gè)燃燒室與一個(gè)氣壓彈簧室的協(xié)作結(jié)構(gòu)。

FPEG的主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)W型中空活塞?；钊睆捷^小的一邊構(gòu)成燃燒室，直徑較大的一側(cè)則構(gòu)成氣壓彈簧室。燃燒過的廢氣從汽缸頭的排氣閥中排出;新鮮空氣則從氣缸套的掃氣孔中灌入。

活塞在運(yùn)動過程中的部分動能儲存在氣壓彈簧中，隨后在往回運(yùn)動時(shí)彈簧再將動能釋放出來?；钊耐膺吘壐接幸粔K磁體，活塞運(yùn)動時(shí)磁體與定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場力。

豐田表示，這種W型的活塞有幾大優(yōu)勢。氣壓彈簧室的橫截面積越大，彈簧室內(nèi)的壓縮溫度就越低，因此熱損失也越低。保持FPEG電機(jī)穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的核心在于潤滑、冷卻以及控制邏輯。

空心活塞的內(nèi)側(cè)邊緣可作為滑軌進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。與活塞貼合的磁體與活塞頂部距離很遠(yuǎn)，以防其遇到高溫從而被消磁。

FPEG引擎發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證這款發(fā)電機(jī)的性能，研究者采用了一維循環(huán)模擬方法，并將其用于評估火花塞點(diǎn)火燃燒(SI)以及預(yù)混合壓縮點(diǎn)火燃燒(PCCI)中。在兩種燃燒模式中，電機(jī)輸出功率均可達(dá)到10%，另外后者的熱效率達(dá)到42%。

研究者還構(gòu)建了一款FPEG原型，采用單向流掃氣布局，以及兩沖程火花塞點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)作為研究對象。塞環(huán)及汽缸襯墊均采用陶瓷涂層，這樣即便在潤滑不足的情況下，活塞也能順利往復(fù)滑動。提升閥則位于水冷汽缸頭內(nèi)部，由液壓閥總成驅(qū)動，用以控制排氣閥正時(shí)。燃油直噴過程則能減少不完全燃燒碳?xì)渑欧艢怏w的排放量。

氣壓彈簧室中采用調(diào)壓閥實(shí)現(xiàn)彈簧質(zhì)量可變，也就意味著氣壓彈簧的剛度可變，使其能夠適應(yīng)不同的工況。

該線性發(fā)電機(jī)可以視作由固定線圈、磁體、鐵芯定子組成的永磁電機(jī)。其中的電驅(qū)動組件則同時(shí)作為電動機(jī)與發(fā)電機(jī)作用。

研究者設(shè)計(jì)出原型控制系統(tǒng)用以保證壓縮比固定，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)的負(fù)載系數(shù)基于活塞的位置和速度可變。

這款引擎發(fā)電機(jī)中沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因此活塞的位置并不像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)里那樣由曲軸相位角決定。為了確定活塞位置，豐田研究者在活塞側(cè)表面設(shè)計(jì)了多個(gè)溝槽，并在氣缸體內(nèi)壁上裝配位置傳感器。

發(fā)電機(jī)控制邏輯必須滿足以下要求：

-在車輛應(yīng)用中，多個(gè)FPEG發(fā)電機(jī)需要通過水平對置布局消除運(yùn)行中的振動;活塞的振動頻率和相位必須是可控的。

-系統(tǒng)中的兩沖程內(nèi)燃機(jī)上止點(diǎn)和下止點(diǎn)必須得到精確控制，以保證發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)過程中，這款原型FPEG發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行了4小時(shí)，沒有發(fā)生任何冷卻和潤滑不足引起的故障。

實(shí)驗(yàn)分析師指出，點(diǎn)火正時(shí)對于FPEG引擎發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定工作也起到至關(guān)重要的作用。

在未來的工作中，該研究小組計(jì)劃改進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)并對執(zhí)行效率進(jìn)行定量分

析。