豐田式另類“混動”：內(nèi)燃機+發(fā)電機=純電動驅(qū)動系統(tǒng)

豐田對于混合動力可謂是相當(dāng)執(zhí)著，尤其是非插電式混合動力。因此，哪怕是在純電動動力系統(tǒng)的研發(fā)中，這種“混動”思維也是如影隨形。

如同在上一篇文章《燃效提升30%，“專寵”混動的豐田表錯情了么?》中提到的那樣，在向純電動車的過渡階段，內(nèi)燃機將依然扮演重要的角色，因此，即便是壓注混動的豐田，也并沒有放棄對發(fā)動機的研究。而如何讓內(nèi)燃機在純電動車事業(yè)中繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱也是工程師們的研究方向之一。

就是在這樣的指導(dǎo)思想之下，豐田的中央研究所研發(fā)出了一種新式的發(fā)電機，功率為10千瓦。這款線性發(fā)電機雖然是發(fā)電機，但是卻是在內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)上改造而成的，有一個讓人不明覺厲的名字——Free Piston Engine Linear Generator(下文簡稱FPEG)，自由活塞引擎線性發(fā)電機。它與傳統(tǒng)發(fā)動機最大的不同就是，在氣缸中加入了發(fā)電裝置。

豐田預(yù)計，一對10千瓦的發(fā)電機可以讓一輛B/C級的純電動車巡航速度達到120公里/時。要知道對于純電動車來說，其行駛速度一直受到續(xù)航里程的限制。雖然很多電動車的最高時速都能夠超過150公里/時，但是要想獲得最大的續(xù)航里程，這個數(shù)字也就會大打折扣。那么，豐田是怎么做到的呢?

其實這項新發(fā)明應(yīng)用的原理相當(dāng)簡單，還是高中時候的物理知識——電磁感應(yīng)。

我們知道，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機中，曲柄連桿機構(gòu)讓活塞在氣缸內(nèi)進行往復(fù)運動，把燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機械能進行輸出。而在FPEG中，活塞的外部增加了一塊磁鐵，活塞的往復(fù)運動切割磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)線，與外部的感應(yīng)線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)，把活塞運動的動能轉(zhuǎn)換成了電能。

目前，豐田中央研究院僅僅是制作了一款原型機用于實驗。這個原型機是在一個兩沖程的氣缸基礎(chǔ)上進行改造的，由燃燒室、線性發(fā)電機以及氣壓彈簧室組成。

氣缸結(jié)構(gòu)剖面簡圖

在傳統(tǒng)的發(fā)動機中，使活塞進行循環(huán)的往復(fù)運動的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于曲柄連桿機構(gòu)。而在FPEG中，因為不是直接輸出機械能，也因為氣缸中加入了磁鐵，曲柄連桿結(jié)構(gòu)就被直接取消了。磁鐵附在活塞之上，而在原本的氣缸體中，加入了感應(yīng)線圈以及嵌入氣缸套的定子，磁鐵、感應(yīng)線圈和定子共同組成了線性發(fā)電機。線性發(fā)動機可以看成是一個永磁電機，能夠同時作為電動機和發(fā)電機使用。

FPEG中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)就是中空的活塞，活塞兩端的直徑不同，其中，直徑小的一端與氣缸體組成了燃燒室，直徑大的一頭與氣缸一起組成了氣壓彈簧室。從上面的剖面圖中可以看出，活塞的剖面形狀是一個W，豐田也就把這種活塞稱為W形活塞。

取消曲柄連桿結(jié)構(gòu)之后，燃燒室的氣體膨脹做功只能讓活塞單向運動，也就是只能“往”而不能“復(fù)”。在FPEG中，氣壓彈簧室則是保證活塞能夠回到燃燒室的一端，進行下一個循環(huán)。氣體燃燒推動活塞做功的同時會壓縮氣壓彈簧室中的氣體，也就相當(dāng)于將活塞的一部分動能儲存在氣壓彈簧室中，當(dāng)壓縮到一定程度時，推動活塞進行回復(fù)運動。氣壓彈簧室中有一個壓力調(diào)整閥，能夠根據(jù)發(fā)動機的不同工況對其中的壓力進行調(diào)節(jié)。

除此之外，F(xiàn)PEG的基本結(jié)構(gòu)與一個單氣缸兩沖程的發(fā)動機基本相同。在燃燒室的一端設(shè)有噴油嘴、火花塞(原型機使用汽油為燃料)和排氣門，而混合氣則是從汽缸襯墊的掃氣孔中進入燃燒室。

FPEG模擬剖面圖

W形活塞的設(shè)計是FPEG的關(guān)鍵之處。在氣缸的底座中，有一個固定的圓柱支柱。中空的活塞就是依附在這個固定的支柱上進行往復(fù)運動，固定支柱內(nèi)部設(shè)計了冷卻油的管道。為了保證活塞在潤滑條件不足的情況下也能正常地進行往復(fù)運動，在活塞和氣缸襯墊上都使用了陶瓷涂層降低摩擦力。而依附于活塞的磁鐵的位置被設(shè)在遠離燃燒室的一端，避免受到高溫的影響而出現(xiàn)消磁現(xiàn)象。

與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比，沒有曲柄連桿機構(gòu)之后，發(fā)動機的機械損失大大降低，推動活塞往復(fù)的氣壓彈簧室雖然也是依靠氣體壓縮做功，但是其橫截面積越大，氣體壓縮后的問題也就越低，也就減少了整個過程中的熱力損失。而在發(fā)電上，因為磁鐵與線圈之間的間隙固定，能夠保證發(fā)電效率。在模擬實驗中，不管是使用汽油機還是柴油機的熱效率都有所提升，其中10千瓦下的柴油機熱效率達到了42%。

當(dāng)然，凡事有利必有弊。

雖然取消曲柄連桿機構(gòu)，把發(fā)動機的結(jié)構(gòu)大幅度簡化并且熱效率也有所提升，但是隨之而來的問題就是，活塞位置的確定變成了一個難題，因為無法通過曲柄的轉(zhuǎn)角來確定了。但是活塞的位置又是一個至關(guān)重要的因素，燃油噴射、點火、打開和關(guān)閉排氣門的時間都由它決定，而且在FPEG中，是活塞的運動切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電磁反應(yīng)從而發(fā)電，活塞的位置也就更加重要。

為了能夠得知活塞的具體位置，研究院在活塞上設(shè)計了許多溝槽，并在氣缸內(nèi)表面上安裝了間隙傳感器?；钊蠝喜鄣纳疃炔煌?，活塞運行在不同位置時，與氣缸內(nèi)表面的間隙也就不同，間隙傳感器通過間隙不同確定活塞位置。

沒有曲柄連桿機構(gòu)的另外一個問題是活塞的上止點和下止點不再固定。FPEG中，活塞是依附于氣缸內(nèi)的固定支柱往復(fù)運動，雖然支柱的長度確定了活塞的運動范圍，但是在這個運動范圍內(nèi)，上下止點卻都是不固定的。上止點取決于點火時間，當(dāng)點火之后，燃燒氣體膨脹做功，活塞則開始下行;下止點取決于氣壓彈簧室的壓力，當(dāng)氣壓彈簧室的壓力到一定值時，則推動活塞上行。另外，上下止點的不固定，也讓氣缸的壓縮比不再是一個固定值。

而為了保證燃燒過程的穩(wěn)定性，上下止點的位置必須被精確控制。因此，雖然簡化了機械結(jié)構(gòu)，但是對于發(fā)動機控制系統(tǒng)的要求，卻更高了，控制系統(tǒng)的設(shè)定也就更加復(fù)雜。而且，對于控制系統(tǒng)的要求并不止于此。兩沖程的發(fā)動機得不到普及的原因之一就在于其排氣與進氣過程的重合，換氣過程中很容易有未燃燒的混合氣隨著廢氣共同排除，造成損失，因此在FPEG中，排氣門的開啟和關(guān)閉時間也需要得到精確地控制。

當(dāng)然，可控因素的增多也有一個好處，就是可以根據(jù)運行需要隨時進行調(diào)整，保證發(fā)動機一直運行在高效的工況之下。

到目前為止，F(xiàn)PEG還處于試驗階段。FPEG的原型機在實驗室中穩(wěn)定運行了4個小時，暫時沒有發(fā)現(xiàn)任何冷卻或者潤滑不足的問題。但是如果要進行量產(chǎn)，工程師們還有很多工作要做，除了控制系統(tǒng)之外，在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、壽命乃至輸出功率和轉(zhuǎn)化效率的提升上，都還需要進一步的研究。