通用自由活塞式線性發(fā)電機(jī)工作原理分析

通用汽車全球技術(shù)運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司和密歇根大學(xué)就插電式混合動(dòng)力車和增程電動(dòng)車中的自由活塞式線性發(fā)電機(jī)（FPLA）被授予專利。

該動(dòng)力總成系統(tǒng)包括電能儲(chǔ)存系統(tǒng)（類似鋰電池組）以及一個(gè)牽引電機(jī)。混合動(dòng)力系統(tǒng)中采用一個(gè)多個(gè)往復(fù)自由活塞線性發(fā)電機(jī)給電池組及牽引電機(jī)提供動(dòng)力。

FPLA單元與一個(gè)電控模塊相連，再依次與電能儲(chǔ)蓄裝置和電動(dòng)機(jī)相連。控制模塊根據(jù)駕駛者的需要和儲(chǔ)電設(shè)備的儲(chǔ)電量來(lái)控制汽車的電能和機(jī)械能的輸出。往復(fù)式自由活塞內(nèi)燃機(jī)根據(jù)控制模塊的指令產(chǎn)生電能。每個(gè)FPLA單元由一個(gè)氣缸和一個(gè)兩端往復(fù)式活塞組成，看圖可知當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它將氣缸分割為兩個(gè)體積可變的燃燒室。每個(gè)汽缸中都配備一個(gè)線性交流發(fā)電機(jī)，包括電線圈和金屬線繞組。活塞在氣缸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，永磁體與線圈繞組間產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，而活塞作為導(dǎo)體則在切割磁感線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

適用的燃料包括汽油混合燃料，乙醇混合烴類燃料等。乙醇混合烴類燃料中包括乙醇含量較高的（E80，E85）以及高純度乙醇燃料（E99）。可代替燃料包括液態(tài)或氣態(tài)的燃料比如高純度甲醇（M100）、天然氣、氫氣、沼氣、合成氣體等。

每個(gè)FPLA單元無(wú)論在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或關(guān)閉狀態(tài)都進(jìn)行工作。在多個(gè)汽缸中，至少有一對(duì)活塞的速度與在氣缸中的位置是一致的，并且由于活塞將氣缸分為兩個(gè)體積不同的燃燒室，則在活塞簡(jiǎn)諧振動(dòng)的某一個(gè)位置上，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率將達(dá)到最大，此時(shí)的輸出功率也將達(dá)到最大。這個(gè)功率被稱為最大輸出功率。

利用FPLA單元在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出方面就更具靈活性。在該專利描述的一個(gè)實(shí)例中，系統(tǒng)有兩種工作模式第一種：每個(gè)FPLA單元共振速度相同，每缸的輸出功率都不同。第二種：輸出功率可選10千瓦、20千瓦、30千瓦，選定一種功率后再以簡(jiǎn)諧振動(dòng)方式輸出功率。這種情況下每缸的輸出功率相同。

在第一個(gè)工作模式中，每個(gè)FPLA單元具有不同的輸出功率，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)循序漸進(jìn)的提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。第二個(gè)模式中，F(xiàn)PLA單元能夠通過(guò)對(duì)活塞沖程、大小、重量的改變達(dá)到不同的額定功率。因此，在這種模式下，四個(gè)FPLA單元可以分別以10千瓦、20千瓦、30千瓦、40千瓦的功率運(yùn)作，這樣總功率就達(dá)到了100千瓦。