自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)應(yīng)用分析

豐田公司在2014年底特律汽車工程國際研討會(huì)上提出了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)線性發(fā)電機(jī)（Free Piston Engine Linear Generator，F(xiàn)PEG）的設(shè)想，并于近期展示了原型機(jī)。豐田公司表示，該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可高達(dá)42%，比目前汽油機(jī)平均熱效率高25-30%；其長度僅有60 cm，直徑不超過20 cm，有效輸出功率可達(dá)11 kW。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕和熱效率高的特點(diǎn)，具有在增程式電動(dòng)汽車上應(yīng)用的潛力，受到新能源汽車企業(yè)的廣泛關(guān)注。自由活塞增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。因此，本文將以自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為主題進(jìn)行討論，介紹自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用難點(diǎn)問題。

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)只有直線運(yùn)動(dòng)部件，沒有曲軸或其它旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)更加簡單，制造成本低，幾乎可免維護(hù)運(yùn)行。由于活塞沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)的約束，其上、下止點(diǎn)位置是可變的，因此稱為“自由活塞”。其工作過程如下圖所示。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以理解為二種程發(fā)動(dòng)機(jī)去掉連桿和曲軸，活塞不與任何機(jī)構(gòu)相連，其工作過程與二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程基本相同，在活塞上行時(shí)，完成壓縮、噴油以及點(diǎn)火或像柴油機(jī)一樣壓縮著火；在活塞下行時(shí)，則完成了做功以及換氣的工作；自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪結(jié)構(gòu)，為了讓活塞能夠進(jìn)行進(jìn)氣-壓縮沖程，活塞的另一端通需要設(shè)計(jì)特殊的回復(fù)裝置（通常為空氣彈簧）。

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

根據(jù)燃燒室數(shù)量、活塞數(shù)量以及相對(duì)布置方式來分，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可分為：單活塞式、雙活塞式和對(duì)置活塞式，如下圖所示。單活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由一個(gè)燃燒室和一個(gè)活塞構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和有效沖程的精確調(diào)節(jié)和控制，但需要采用一個(gè)空氣彈簧的回復(fù)裝置；此外，單活塞式在運(yùn)動(dòng)過程中受力極度不平衡，軸向振動(dòng)較大，需要布置額外的平衡裝置或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)布置來減小振動(dòng)。雙活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括兩個(gè)燃燒室和兩個(gè)活塞，沒有單獨(dú)的回復(fù)裝置，但振動(dòng)比較大，進(jìn)排氣正時(shí)的控制難度較大，細(xì)微的負(fù)載變化對(duì)下一沖程會(huì)產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)引起熄火，循環(huán)波動(dòng)較大，因此需要更為精確的控制系統(tǒng)。對(duì)置活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)燃燒室和兩個(gè)活塞，其受力完全平衡，振動(dòng)最平穩(wěn)，機(jī)體振動(dòng)問題得到有效解決；由于沒有氣缸蓋，能有效的減少傳熱損失；但兩個(gè)活塞的同步較為困難，導(dǎo)致壓縮比不穩(wěn)定，需要額外的控制系統(tǒng)和同步裝置，使其控制難度和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加。

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在增程式電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如果分別將氣缸與在其中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞變?yōu)閷?dǎo)體和磁場，那么活塞運(yùn)動(dòng)也就變?yōu)榱藢?dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體在磁場中切割磁感線便可以產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)自由活塞發(fā)電機(jī)。與目前采用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電相比，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)減少了曲柄連桿組的能量傳遞損失，機(jī)械效率更高；此外，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的特點(diǎn)，降低了設(shè)計(jì)和制造的成本，有利于在汽車有限空間內(nèi)的布置；同時(shí)，由于其壓縮比可以自由變化，可適應(yīng)于汽油和柴油燃料，提高了燃料的適應(yīng)性。

雙活塞四沖程自由活塞發(fā)電機(jī)工作過程

雙活塞四沖程自由活塞發(fā)電機(jī)的工作過程，其基本的工作原理與傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)原理相似，此處不再贅述。

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用難點(diǎn)

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞位置可以通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，但自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)沒有連桿和曲軸，雖可通過數(shù)據(jù)采集確定活塞的位置，但無法準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行控制，例如上、下止點(diǎn)的位置。目前，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)完全依靠電控定位活塞，對(duì)電控系統(tǒng)的控制精確要求比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高。要實(shí)現(xiàn)自由活塞高效清潔且穩(wěn)定的運(yùn)行，就必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、換氣、噴油、燃燒進(jìn)行精確控制。如果不能完美的解決電控問題，會(huì)帶來燃燒不穩(wěn)定、燃燒不完全等問題，不僅會(huì)造成油耗和排放增加，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不平順，甚至是熄火。由此可見，電控問題是困擾其量產(chǎn)的最大原因。

總結(jié)

雖然豐田將提出了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)線性發(fā)電機(jī)理念，但是目前還處于研發(fā)階段。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)在實(shí)用化之前，仍有一些關(guān)鍵的問題有待解決和攻克。不過從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，體積小、重量輕、成本低、壓縮比可變、燃燒適應(yīng)性強(qiáng)、熱效率高等特點(diǎn)，具有在未來增程式電動(dòng)汽車上的應(yīng)用的潛力。