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自由活塞发动机基本原理及在增程式电动汽车上应用解析

关键词:发动机 电动汽车 汽车电子

时间:2018-07-09 10:38:33      来源:网络

丰田公司在2014年底特律汽车工程国际研讨会上提出了自由活塞发动机线性发电机(Free Piston Engine Linear Generator,FPEG)的设想,并于近期展示了原型机。丰田公司表示,该自由活塞发动机热效率可高达42%,比目前汽油机平均热效率高25-30%;其长度仅有60 cm,直径不超过20 cm,有效输出功率可达11 kW。自由活塞发动机具有体积小、重量轻和热效率高的特点,具有在增程式电动汽车上应用的潜力,受到新能源汽车企业的广泛关注。自由活塞增程式电动汽车的结构示意如下图所示。因此,本文将以自由活塞发动机为主题进行讨论,介绍自由活塞发动机的基本原理、特点及其应用难点问题。


自由活塞发动机基本原理

自由活塞发动机只有直线运动部件,没有曲轴或其它旋转部件,结构更加简单,制造成本低,几乎可免维护运行。由于活塞没有曲柄连杆机构的约束,其上、下止点位置是可变的,因此称为“自由活塞”。其工作过程如下图所示。自由活塞发动机可以理解为二种程发动机去掉连杆和曲轴,活塞不与任何机构相连,其工作过程与二冲程发动机工作过程基本相同,在活塞上行时,完成压缩、喷油以及点火或像柴油机一样压缩着火;在活塞下行时,则完成了做功以及换气的工作;自由活塞发动机没有传统发动机的飞轮结构,为了让活塞能够进行进气-压缩冲程,活塞的另一端通需要设计特殊的回复装置(通常为空气弹簧)。


自由活塞发动机的结构及其特点

根据燃烧室数量、活塞数量以及相对布置方式来分,自由活塞发动机可分为:单活塞式、双活塞式和对置活塞式,如下图所示。单活塞式自由活塞发动机由一个燃烧室和一个活塞构成,其结构简单、成本低,且可实现对发动机的压缩比和有效冲程的精确调节和控制,但需要采用一个空气弹簧的回复装置;此外,单活塞式在运动过程中受力极度不平衡,轴向振动较大,需要布置额外的平衡装置或多台发动机布置来减小振动。双活塞式自由活塞发动机包括两个燃烧室和两个活塞,没有单独的回复装置,但振动比较大,进排气正时的控制难度较大,细微的负载变化对下一冲程会产生较大的影响,严重时引起熄火,循环波动较大,因此需要更为精确的控制系统。对置活塞式自由活塞发动机包括一个燃烧室和两个活塞,其受力完全平衡,振动最平稳,机体振动问题得到有效解决;由于没有气缸盖,能有效的减少传热损失;但两个活塞的同步较为困难,导致压缩比不稳定,需要额外的控制系统和同步装置,使其控制难度和发动机结构复杂程度增加。


自由活塞发动机在增程式电动汽车上的应用

自由活塞发动机做往复直线运动,如果分别将气缸与在其中进行往复运动的活塞变为导体和磁场,那么活塞运动也就变为了导体切割磁感线的运动,根据电磁感应原理,导体在磁场中切割磁感线便可以产生电流,从而实现自由活塞发电机。与目前采用传统发动机进行发电相比,自由活塞发动机减少了曲柄连杆组的能量传递损失,机械效率更高;此外,结构简单、体积小、重量轻的特点,降低了设计和制造的成本,有利于在汽车有限空间内的布置;同时,由于其压缩比可以自由变化,可适应于汽油和柴油燃料,提高了燃料的适应性。

双活塞四冲程自由活塞发电机工作过程

双活塞四冲程自由活塞发电机的工作过程,其基本的工作原理与传统四冲程发动机原理相似,此处不再赘述。

自由活塞发动机应用难点

传统发动机的活塞位置可以通过曲柄连杆机构进行设计和控制,但自由活塞发动机没有连杆和曲轴,虽可通过数据采集确定活塞的位置,但无法准确对其进行控制,例如上、下止点的位置。目前,自由活塞发动机完全依靠电控定位活塞,对电控系统的控制精确要求比传统发动机更高。要实现自由活塞高效清洁且稳定的运行,就必须对发动机压缩比、换气、喷油、燃烧进行精确控制。如果不能完美的解决电控问题,会带来燃烧不稳定、燃烧不完全等问题,不仅会造成油耗和排放增加,还会导致发动机工作不平顺,甚至是熄火。由此可见,电控问题是困扰其量产的最大原因。

总结

虽然丰田将提出了自由活塞发动机线性发电机理念,但是目前还处于研发阶段。自由活塞发动机或发电机在实用化之前,仍有一些关键的问题有待解决和攻克。不过从其结构特点来看,体积小、重量轻、成本低、压缩比可变、燃烧适应性强、热效率高等特点,具有在未来增程式电动汽车上的应用的潜力。

 

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