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(Free Piston Engine Linear Generator，F(xiàn)PEG)，這款發(fā)電機最大功率20千瓦。豐田預計，一對這樣的電機可以另一輛小型或緊湊級別電動車實現(xiàn)120公里/時的最高時速。
改款發(fā)電機包含一個兩沖程燃燒室、一個線性發(fā)電機、一個氣壓彈簧室組成。活塞由氣體燃燒時的壓力推動，附在活塞上的磁鐵同活塞一同運動，運動過程中與外部包圍的線圈之間產(chǎn)生電磁感應，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。其中采用了兩項基本設(shè)計，第一項是燃燒室對置結(jié)構(gòu);第二項是一個燃燒室與一個氣壓彈簧室的協(xié)作結(jié)構(gòu)。
FPEG的主要結(jié)構(gòu)是一個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。
活塞在運動過程中的部分動能儲存在氣壓彈簧中，隨后在往回運動時彈簧再將動能釋放出來?；钊耐膺吘壐接幸粔K磁體，活塞運動時磁體與定子線圈產(chǎn)生感應磁場力。
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電機穩(wěn)定持續(xù)運行的核心在于潤滑、冷卻以及控制邏輯。
空心活塞的內(nèi)側(cè)邊緣可作為滑軌進行往復運動。與活塞貼合的磁體與活塞頂部距離很遠，以防其遇到高溫從而被消磁。
FPEG引擎發(fā)電機結(jié)構(gòu)
為了驗證這款發(fā)電機的性能，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火燃燒(SI)以及預混合壓縮點火燃燒(PCCI)中。在兩種燃燒模式中，電機輸出功率均可達到10%，另外后者的熱效率達到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火內(nèi)燃機系統(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。燃油直噴過程則能減少不完全燃燒碳氫排放氣體的排放量。
氣壓彈簧室中采用調(diào)壓閥實現(xiàn)彈簧質(zhì)量可變，也就意味著氣壓彈簧的剛度可變，使其能夠適應不同的工況。
該線性發(fā)電機可以視作由固定線圈、磁體、鐵芯定子組成的永磁電機。其中的電驅(qū)動組件則同時作為電動機與發(fā)電機作用。
研究者設(shè)計出原型控制系統(tǒng)用以保證壓縮比固定，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。系統(tǒng)的負載系數(shù)基于活塞的位置和速度可變。
這款引擎發(fā)電機中沒有曲柄連桿機構(gòu)，因此活塞的位置并不像傳統(tǒng)內(nèi)燃機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)計了多個溝槽，并在氣缸體內(nèi)壁上裝配位置傳感器。
發(fā)電機控制邏輯必須滿足以下要求：
-在車輛應用中，多個FPEG發(fā)電機需要通過水平對置布局消除運行中的振動;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)燃機上止點和下止點必須得到精確控制，以保證發(fā)動機的穩(wěn)定運行。
實驗過程中，這款原型FPEG發(fā)電機正常運行了4小時，沒有發(fā)生任何冷卻和潤滑不足引起的故障。
實驗分析師指出，點火正時對于FPEG引擎發(fā)電機的穩(wěn)定工作也起到至關(guān)重要的作用。
在未來的工作中，該研究小組計劃改進發(fā)電系統(tǒng)并對執(zhí)行效率進行定量分
析。
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