新型線性電機可實現EV最高時速120km

豐田中央研究所近期正在開發一款自由活塞引擎線性發電機(Free Piston Engine Linear Generator，FPEG)，這款發電機最大功率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120公里/時的最高時速。

改款發電機包含一個兩沖程燃燒室、一個線性發電機、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生電磁感應，成功地將動能轉化為電能。

豐田研究者表示，FPEG發電機擁有熱效率高、摩擦阻力低、振動較小等特性。其中采用了兩項基本設計，第一項是燃燒室對置結構;第二項是一個燃燒室與一個氣壓彈簧室的協作結構。

FPEG的主要結構是一個W型中空活塞。活塞直徑較小的一邊構成燃燒室，直徑較大的一側則構成氣壓彈簧室。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。活塞的外邊緣附有一塊磁體，活塞運動時磁體與定子線圈產生感應磁場力。

豐田表示，這種W型的活塞有幾大優勢。氣壓彈簧室的橫截面積越大，彈簧室內的壓縮溫度就越低，因此熱損失也越低。保持FPEG電機穩定持續運行的核心在于潤滑、冷卻以及控制邏輯。

空心活塞的內側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引擎發電機結構

為了驗證這款發電機的性能，研究者采用了一維循環模擬方法，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燃機系統作為研究對象。塞環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部，由液壓閥總成驅動，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壓閥實現彈簧質量可變，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。其中的電驅動組件則同時作為電動機與發電機作用。

研究者設計出原型控制系統用以保證壓縮比固定，從而實現系統的穩定運行。系統的負載系數基于活塞的位置和速度可變。

這款引擎發電機中沒有曲柄連桿機構，因此活塞的位置并不像傳統內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表面設計了多個溝槽，并在氣缸體內壁上裝配位置傳感器。

發電機控制邏輯必須滿足以下要求：

-在車輛應用中，多個FPEG發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。

-系統中的兩沖程內燃機上止點和下止點必須得到精確控制，以保證發動機的穩定運行。

實驗過程中，這款原型FPEG發電機正常運行了4小時，沒有發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引擎發電機的穩定工作也起到至關重要的作用。

在未來的工作中，該研究小組計劃改進發電系統并對執行效率進行定量分

析。