豐田式另類“混動”：內燃機+發電機=純電動驅動系統

豐田對混合動力非常執著，尤其是非插電式混合動力。因此，即使在純電力系統的研發中，這種“混合”思維也是密不可分的。

在向純電動汽車過渡的階段，內燃機仍將發揮重要作用。因此，即使是噴射式混合動力豐田也沒有放棄對發動機的研究。如何讓內燃機在純電動汽車行業持續發光發熱，也是工程師們的研究方向之一。

正是在這種指導思想下，豐田中央研究院開發了一種功率為10千瓦的新型發電機。盡管這種線性發電機是一種發電機，但它是由內燃機的結構改造而來的，它有一個模糊的名字——自由活塞發動機線性發電機（以下簡稱FPEG），自由活塞發動機直線發電機。它與傳統發動機最大的區別是在氣缸上增加了一臺發電機。

豐田預測，一對10kW的發電機可以使純B/C電動汽車以120公里/小時的速度巡航。。要知道，對于純電動汽車來說，它們的行駛速度一直受到巡航里程的限制。盡管許多電動汽車的最高速度可以超過150公里/小時，但為了獲得最大的巡航里程，這個數字將大大降低。那么，豐田是怎么做到的呢？

事實上，這項新發明的原理很簡單，它仍然是高中電磁感應中的物理知識。

眾所周知，在傳統的內燃機中，曲柄連桿機構使活塞在氣缸內往復運動，并將燃料燃燒的化學能轉化為機械能輸出。在FPEG中，磁體被添加到活塞的外部，活塞的往復運動切斷磁體產生的磁感應線，該磁感應線與外部感應線圈產生電磁感應，并將活塞運動的動能轉換為電能。

目前，豐田中央研究院只制作了一個用于實驗的原型。該原型在二沖程氣缸的基礎上進行了改進，該氣缸由燃燒室、線性發電機和氣彈簧室組成。

筒體結構截面示意圖

在傳統發動機中，使活塞作圓周往復運動的關鍵結構是曲柄連桿機構。然而，在FPEG中，由于機械能不是直接輸出的，并且由于磁體被添加到氣缸中，曲柄連桿結構被直接取消。磁鐵附在活塞上，但在原來的氣缸體中，增加了一個感應線圈和一個嵌入缸套的定子，磁鐵、感應線圈和定子一起形成了一個線性發電機。線性發動機可以看作是一種永磁電機，既可以用作電機，也可以用作發電機。

FPEG中最關鍵的結構是中空活塞，活塞兩端的直徑不同。其中，小直徑端和氣缸體形成燃燒室，大直徑端和汽缸一起形成氣彈簧室。從上面的截面圖可以看出，活塞的截面形狀是W形，豐田也將這種活塞稱為W形活塞。

取消曲柄連桿結構后，燃燒室內的氣體膨脹只能使活塞向一個方向運動，即只能“前進”而不能“返回”。在FPEG中，氣彈簧室確保活塞可以在下一個循環中返回燃燒室的一端。氣體燃燒推動活塞做功，同時壓縮氣彈簧室內的氣體，相當于將活塞的部分動能儲存在氣彈簧室內，當壓縮到一定程度時，推動活塞進行恢復運動。空氣彈簧室內有一個壓力調節閥，可以根據發動機的不同工況調節壓力。

除此之外，FPEG的基本結構與單缸二沖程發動機的基本結構基本相同。在燃燒室的一端，有燃料噴嘴、火花塞（原型使用汽油作為燃料）和排氣門，混合氣體從缸套上的掃氣孔進入燃燒室。

FPEG模擬教授……

e

W形活塞的設計是FPEG的關鍵。在圓柱體的底部，有一個固定的圓柱形支柱。中空活塞連接在該固定柱上進行往復運動，冷卻油管路設計在固定柱內。為了確保活塞在潤滑不足的情況下能夠正常往復運動，在活塞和缸套上使用了陶瓷涂層來減少摩擦。附在活塞上的磁鐵位于遠離燃燒室的一端，以避免高溫引起的消磁。

與傳統發動機相比，在沒有曲柄連桿機構的情況下，發動機的機械損耗大大降低。雖然驅動活塞往復運動的氣彈簧室也依靠氣體壓縮來做功，但其橫截面積越大，氣體壓縮后的問題就越低，從而降低了整個過程中的熱損失。在發電中，由于磁體和線圈之間的間隙是固定的，因此可以保證發電效率。在模擬實驗中，汽油機和柴油機的熱效率都得到了提高，柴油機在10kW時的熱效率達到了42%。

當然，任何事情都有優點和缺點。

盡管取消曲柄連桿機構大大簡化了發動機的結構并提高了熱效率，但以下問題是，活塞位置的確定成為一個難題，因為它不能通過曲柄角來確定。然而，活塞的位置是一個關鍵因素，它決定了燃油噴射、點火、打開和關閉排氣門的時間。此外，在FPEG中，正是活塞的運動切斷了磁感應線，從而產生電磁反應并發電，因此活塞的位置更為重要。

為了知道活塞的具體位置，研究所在活塞上設計了許多凹槽，并在氣缸內表面安裝了間隙傳感器。活塞上的凹槽深度不同，當活塞在不同位置運行時，活塞與氣缸內表面之間的間隙也不同。間隙傳感器通過不同的間隙確定活塞的位置。

沒有曲柄連桿機構的另一個問題是活塞的上止點和下止點不再固定。在FPEG中，活塞連接到氣缸中的固定支柱上，并前后移動。盡管支柱的長度決定了活塞的運動范圍，但上死點和下死點在該運動范圍內并不固定。上止點取決于點火時間。點火后，燃燒氣體膨脹做功，活塞開始下降。下止點取決于空氣彈簧室內的壓力。當空氣彈簧室內的壓力達到一定值時，活塞被向上推動。此外，未固定的上止點和下止點也使氣缸的壓縮比不再是固定值。

為了保證燃燒過程的穩定性，必須精確控制上止點和下止點的位置。因此，雖然簡化了機械結構，但對發動機控制系統的要求更高，控制系統的設置也更復雜。此外，對控制系統的要求并不限于此。二沖程發動機不受歡迎的原因之一是排氣和進氣過程一致，在通風過程中，未燃燒的混合物很容易與廢氣一起排出，造成損失。因此，在FPEG中，還需要精確地控制排氣門的打開和關閉時間。

當然，可控因素的增加也有一個好處，即可以根據運行需要隨時調整，以確保發動機始終在高效的工作條件下運行。

到目前為止，FPEG仍處于實驗階段。FPEG的原型已經在實驗室穩定運行了4個小時，暫時沒有發現冷卻或潤滑不足的問題。然而，如果要進行大規模生產，工程師們還有很多工作要做。除了控制系統，還需要對系統的可靠性、穩定性、壽命甚至輸出功率和轉換效率的提高進行進一步研究。豐田對混合動力非常執著，尤其是非插電式混合動力。因此，即使在純電動汽車的研發中……

r系統，這種“混合”思維是不可分割的。

在向純電動汽車過渡的階段，內燃機仍將發揮重要作用。因此，即使是噴射式混合動力豐田也沒有放棄對發動機的研究。如何讓內燃機在純電動汽車行業持續發光發熱，也是工程師們的研究方向之一。

正是在這種指導思想下，豐田中央研究院開發了一種功率為10千瓦的新型發電機。盡管這種線性發電機是一種發電機，但它是由內燃機的結構改造而來的，它有一個模糊的名字——自由活塞發動機線性發電機（以下簡稱FPEG），自由活塞發動機直線發電機。它與傳統發動機最大的區別是在氣缸上增加了一臺發電機。

豐田預測，一對10kW的發電機可以使純B/C電動汽車以120公里/小時的速度巡航。。要知道，對于純電動汽車來說，它們的行駛速度一直受到巡航里程的限制。盡管許多電動汽車的最高速度可以超過150公里/小時，但為了獲得最大的巡航里程，這個數字將大大降低。那么，豐田是怎么做到的呢？

事實上，這項新發明的原理很簡單，它仍然是高中電磁感應中的物理知識。

眾所周知，在傳統的內燃機中，曲柄連桿機構使活塞在氣缸內往復運動，并將燃料燃燒的化學能轉化為機械能輸出。在FPEG中，磁體被添加到活塞的外部，活塞的往復運動切斷磁體產生的磁感應線，該磁感應線與外部感應線圈產生電磁感應，并將活塞運動的動能轉換為電能。

目前，豐田中央研究院只制作了一個用于實驗的原型。該原型在二沖程氣缸的基礎上進行了改進，該氣缸由燃燒室、線性發電機和氣彈簧室組成。

筒體結構截面示意圖

在傳統發動機中，使活塞作圓周往復運動的關鍵結構是曲柄連桿機構。然而，在FPEG中，由于機械能不是直接輸出的，并且由于磁體被添加到氣缸中，曲柄連桿結構被直接取消。磁鐵附在活塞上，但在原來的氣缸體中，增加了一個感應線圈和一個嵌入缸套的定子，磁鐵、感應線圈和定子一起形成了一個線性發電機。線性發動機可以看作是一種永磁電機，既可以用作電機，也可以用作發電機。

FPEG中最關鍵的結構是中空活塞，活塞兩端的直徑不同。其中，小直徑端和氣缸體形成燃燒室，大直徑端和汽缸一起形成氣彈簧室。從上面的截面圖可以看出，活塞的截面形狀是W形，豐田也將這種活塞稱為W形活塞。

取消曲柄連桿結構后，燃燒室內的氣體膨脹只能使活塞向一個方向運動，即只能“前進”而不能“返回”。在FPEG中，氣彈簧室確保活塞可以在下一個循環中返回燃燒室的一端。氣體燃燒推動活塞做功，同時壓縮氣彈簧室內的氣體，相當于將活塞的部分動能儲存在氣彈簧室內，當壓縮到一定程度時，推動活塞進行恢復運動。空氣彈簧室內有一個壓力調節閥，可以根據發動機的不同工況調節壓力。

除此之外，FPEG的基本結構與單缸二沖程發動機的基本結構基本相同。在燃燒室的一端，有燃料噴嘴、火花塞（原型使用汽油作為燃料）和排氣門，混合氣體從缸套上的掃氣孔進入燃燒室。

FPEG模擬配置文件

W形活塞的設計是FPEG的關鍵。在圓柱體的底部，有一個固定的圓柱形支柱。空心活塞是一個……

連接到該固定柱上進行往復運動，冷卻油管路設計在固定柱內。為了確保活塞在潤滑不足的情況下能夠正常往復運動，在活塞和缸套上使用了陶瓷涂層來減少摩擦。附在活塞上的磁鐵位于遠離燃燒室的一端，以避免高溫引起的消磁。

與傳統發動機相比，在沒有曲柄連桿機構的情況下，發動機的機械損耗大大降低。雖然驅動活塞往復運動的氣彈簧室也依靠氣體壓縮來做功，但其橫截面積越大，氣體壓縮后的問題就越低，從而降低了整個過程中的熱損失。在發電中，由于磁體和線圈之間的間隙是固定的，因此可以保證發電效率。在模擬實驗中，汽油機和柴油機的熱效率都得到了提高，柴油機在10kW時的熱效率達到了42%。

當然，任何事情都有優點和缺點。

盡管取消曲柄連桿機構大大簡化了發動機的結構并提高了熱效率，但以下問題是，活塞位置的確定成為一個難題，因為它不能通過曲柄角來確定。然而，活塞的位置是一個關鍵因素，它決定了燃油噴射、點火、打開和關閉排氣門的時間。此外，在FPEG中，正是活塞的運動切斷了磁感應線，從而產生電磁反應并發電，因此活塞的位置更為重要。

為了知道活塞的具體位置，研究所在活塞上設計了許多凹槽，并在氣缸內表面安裝了間隙傳感器。活塞上的凹槽深度不同，當活塞在不同位置運行時，活塞與氣缸內表面之間的間隙也不同。間隙傳感器通過不同的間隙確定活塞的位置。

沒有曲柄連桿機構的另一個問題是活塞的上止點和下止點不再固定。在FPEG中，活塞連接到氣缸中的固定支柱上，并前后移動。盡管支柱的長度決定了活塞的運動范圍，但上死點和下死點在該運動范圍內并不固定。上止點取決于點火時間。點火后，燃燒氣體膨脹做功，活塞開始下降。下止點取決于空氣彈簧室內的壓力。當空氣彈簧室內的壓力達到一定值時，活塞被向上推動。此外，未固定的上止點和下止點也使氣缸的壓縮比不再是固定值。

為了保證燃燒過程的穩定性，必須精確控制上止點和下止點的位置。因此，雖然簡化了機械結構，但對發動機控制系統的要求更高，控制系統的設置也更復雜。此外，對控制系統的要求并不限于此。二沖程發動機不受歡迎的原因之一是排氣和進氣過程一致，在通風過程中，未燃燒的混合物很容易與廢氣一起排出，造成損失。因此，在FPEG中，還需要精確地控制排氣門的打開和關閉時間。

當然，可控因素的增加也有一個好處，即可以根據運行需要隨時調整，以確保發動機始終在高效的工作條件下運行。

到目前為止，FPEG仍處于實驗階段。FPEG的原型已經在實驗室穩定運行了4個小時，暫時沒有發現冷卻或潤滑不足的問題。然而，如果要進行大規模生產，工程師們還有很多工作要做。除了控制系統，還需要對系統的可靠性、穩定性、壽命甚至輸出功率和轉換效率的提高進行進一步研究。

標簽：豐田發現

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