新型线性电机可实现EV最高时速120km

    丰田中央研究所近期正在开发一款自由活塞引擎线性发电机（Free Piston Engine Linear Generator，FPEG），这款发电机最大功率20千瓦。丰田预计，一对这样的电机可以另一辆小型或紧凑级别电动车实现120公里/时的最高时速。

    改款发电机包含一个两冲程燃烧室、一个线性发电机、一个气压弹簧室组成。活塞由气体燃烧时的压力推动，附在活塞上的磁铁同活塞一同运动，运动过程中与外部包围的线圈之间产生电磁感应，成功地将动能转化为电能。

    丰田研究者表示，FPEG发电机拥有热效率高、摩擦阻力低、振动较小等特性。其中采用了两项基本设计，第一项是燃烧室对置结构；第二项是一个燃烧室与一个气压弹簧室的协作结构。

    FPEG的主要结构是一个W型中空活塞。活塞直径较小的一边构成燃烧室，直径较大的一侧则构成气压弹簧室。燃烧过的废气从汽缸头的排气阀中排出；新鲜空气则从气缸套的扫气孔中灌入。

    活塞在运动过程中的部分动能储存在气压弹簧中，随后在往回运动时弹簧再将动能释放出来。活塞的外边缘附有一块磁体，活塞运动时磁体与定子线圈产生感应磁场力。

    丰田表示，这种W型的活塞有几大优势。气压弹簧室的横截面积越大，弹簧室内的压缩温度就越低，因此热损失也越低。保持FPEG电机稳定持续运行的核心在于润滑、冷却以及控制逻辑。

    空心活塞的内侧边缘可作为滑轨进行往复运动。与活塞贴合的磁体与活塞顶部距离很远，以防其遇到高温从而被消磁。

FPEG引擎发电机结构

    为了验证这款发电机的性能，研究者采用了一维循环模拟方法，并将其用于评估火花塞点火燃烧（SI）以及预混合压缩点火燃烧（PCCI）中。在两种燃烧模式中，电机输出功率均可达到10%，另外后者的热效率达到42%。

    研究者还构建了一款FPEG原型，采用单向流扫气布局，以及两冲程火花塞点火内燃机系统作为研究对象。塞环及汽缸衬垫均采用陶瓷涂层，这样即便在润滑不足的情况下，活塞也能顺利往复滑动。提升阀则位于水冷汽缸头内部，由液压阀总成驱动，用以控制排气阀正时。燃油直喷过程则能减少不完全燃烧碳氢排放气体的排放量。

    气压弹簧室中采用调压阀实现弹簧质量可变，也就意味着气压弹簧的刚度可变，使其能够适应不同的工况。

    该线性发电机可以视作由固定线圈、磁体、铁芯定子组成的永磁电机。其中的电驱动组件则同时作为电动机与发电机作用。

    研究者设计出原型控制系统用以保证压缩比固定，从而实现系统的稳定运行。系统的负载系数基于活塞的位置和速度可变。

    这款引擎发电机中没有曲柄连杆机构，因此活塞的位置并不像传统内燃机里那样由曲轴相位角决定。为了确定活塞位置，丰田研究者在活塞侧表面设计了多个沟槽，并在气缸体内壁上装配位置传感器。

    发电机控制逻辑必须满足以下要求：

    -在车辆应用中，多个FPEG发电机需要通过水平对置布局消除运行中的振动；活塞的振动频率和相位必须是可控的。

    -系统中的两冲程内燃机上止点和下止点必须得到精确控制，以保证发动机的稳定运行。

    实验过程中，这款原型FPEG发电机正常运行了4小时，没有发生任何冷却和润滑不足引起的故障。

    实验分析师指出，点火正时对于FPEG引擎发电机的稳定工作也起到至关重要的作用。

    在未来的工作中，该研究小组计划改进发电系统并对执行效率进行定量分析。