丰田式另类“混动”：内燃机+发电机=纯电动驱动系统

丰田对混合动力非常执着，尤其是非插电式混合动力。因此，即使在纯电力系统的研发中，这种“混合”思维也是密不可分的。

在向纯电动汽车过渡的阶段，内燃机仍将发挥重要作用。因此，即使是喷射式混合动力丰田也没有放弃对发动机的研究。如何让内燃机在纯电动汽车行业持续发光发热，也是工程师们的研究方向之一。

正是在这种指导思想下，丰田中央研究院开发了一种功率为10千瓦的新型发电机。尽管这种线性发电机是一种发电机，但它是由内燃机的结构改造而来的，它有一个模糊的名字——自由活塞发动机线性发电机（以下简称FPEG），自由活塞发动机直线发电机。它与传统发动机最大的区别是在气缸上增加了一台发电机。

丰田预测，一对10kW的发电机可以使纯B/C电动汽车以120公里/小时的速度巡航。。要知道，对于纯电动汽车来说，它们的行驶速度一直受到巡航里程的限制。尽管许多电动汽车的最高速度可以超过150公里/小时，但为了获得最大的巡航里程，这个数字将大大降低。那么，丰田是怎么做到的呢？

事实上，这项新发明的原理很简单，它仍然是高中电磁感应中的物理知识。

众所周知，在传统的内燃机中，曲柄连杆机构使活塞在气缸内往复运动，并将燃料燃烧的化学能转化为机械能输出。在FPEG中，磁体被添加到活塞的外部，活塞的往复运动切断磁体产生的磁感应线，该磁感应线与外部感应线圈产生电磁感应，并将活塞运动的动能转换为电能。

目前，丰田中央研究院只制作了一个用于实验的原型。该原型在二冲程气缸的基础上进行了改进，该气缸由燃烧室、线性发电机和气弹簧室组成。

筒体结构截面示意图

在传统发动机中，使活塞作圆周往复运动的关键结构是曲柄连杆机构。然而，在FPEG中，由于机械能不是直接输出的，并且由于磁体被添加到气缸中，曲柄连杆结构被直接取消。磁铁附在活塞上，但在原来的气缸体中，增加了一个感应线圈和一个嵌入缸套的定子，磁铁、感应线圈和定子一起形成了一个线性发电机。线性发动机可以看作是一种永磁电机，既可以用作电机，也可以用作发电机。

FPEG中最关键的结构是中空活塞，活塞两端的直径不同。其中，小直径端和气缸体形成燃烧室，大直径端和汽缸一起形成气弹簧室。从上面的截面图可以看出，活塞的截面形状是W形，丰田也将这种活塞称为W形活塞。

取消曲柄连杆结构后，燃烧室内的气体膨胀只能使活塞向一个方向运动，即只能“前进”而不能“返回”。在FPEG中，气弹簧室确保活塞可以在下一个循环中返回燃烧室的一端。气体燃烧推动活塞做功，同时压缩气弹簧室内的气体，相当于将活塞的部分动能储存在气弹簧室内，当压缩到一定程度时，推动活塞进行恢复运动。空气弹簧室内有一个压力调节阀，可以根据发动机的不同工况调节压力。

除此之外，FPEG的基本结构与单缸二冲程发动机的基本结构基本相同。在燃烧室的一端，有燃料喷嘴、火花塞（原型使用汽油作为燃料）和排气门，混合气体从缸套上的扫气孔进入燃烧室。

FPEG模拟教授……

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W形活塞的设计是FPEG的关键。在圆柱体的底部，有一个固定的圆柱形支柱。中空活塞连接在该固定柱上进行往复运动，冷却油管路设计在固定柱内。为了确保活塞在润滑不足的情况下能够正常往复运动，在活塞和缸套上使用了陶瓷涂层来减少摩擦。附在活塞上的磁铁位于远离燃烧室的一端，以避免高温引起的消磁。

与传统发动机相比，在没有曲柄连杆机构的情况下，发动机的机械损耗大大降低。虽然驱动活塞往复运动的气弹簧室也依靠气体压缩来做功，但其横截面积越大，气体压缩后的问题就越低，从而降低了整个过程中的热损失。在发电中，由于磁体和线圈之间的间隙是固定的，因此可以保证发电效率。在模拟实验中，汽油机和柴油机的热效率都得到了提高，柴油机在10kW时的热效率达到了42%。

当然，任何事情都有优点和缺点。

尽管取消曲柄连杆机构大大简化了发动机的结构并提高了热效率，但以下问题是，活塞位置的确定成为一个难题，因为它不能通过曲柄角来确定。然而，活塞的位置是一个关键因素，它决定了燃油喷射、点火、打开和关闭排气门的时间。此外，在FPEG中，正是活塞的运动切断了磁感应线，从而产生电磁反应并发电，因此活塞的位置更为重要。

为了知道活塞的具体位置，研究所在活塞上设计了许多凹槽，并在气缸内表面安装了间隙传感器。活塞上的凹槽深度不同，当活塞在不同位置运行时，活塞与气缸内表面之间的间隙也不同。间隙传感器通过不同的间隙确定活塞的位置。

没有曲柄连杆机构的另一个问题是活塞的上止点和下止点不再固定。在FPEG中，活塞连接到气缸中的固定支柱上，并前后移动。尽管支柱的长度决定了活塞的运动范围，但上死点和下死点在该运动范围内并不固定。上止点取决于点火时间。点火后，燃烧气体膨胀做功，活塞开始下降。下止点取决于空气弹簧室内的压力。当空气弹簧室内的压力达到一定值时，活塞被向上推动。此外，未固定的上止点和下止点也使气缸的压缩比不再是固定值。

为了保证燃烧过程的稳定性，必须精确控制上止点和下止点的位置。因此，虽然简化了机械结构，但对发动机控制系统的要求更高，控制系统的设置也更复杂。此外，对控制系统的要求并不限于此。二冲程发动机不受欢迎的原因之一是排气和进气过程一致，在通风过程中，未燃烧的混合物很容易与废气一起排出，造成损失。因此，在FPEG中，还需要精确地控制排气门的打开和关闭时间。

当然，可控因素的增加也有一个好处，即可以根据运行需要随时调整，以确保发动机始终在高效的工作条件下运行。

到目前为止，FPEG仍处于实验阶段。FPEG的原型已经在实验室稳定运行了4个小时，暂时没有发现冷却或润滑不足的问题。然而，如果要进行大规模生产，工程师们还有很多工作要做。除了控制系统，还需要对系统的可靠性、稳定性、寿命甚至输出功率和转换效率的提高进行进一步研究。丰田对混合动力非常执着，尤其是非插电式混合动力。因此，即使在纯电动汽车的研发中……

r系统，这种“混合”思维是不可分割的。

在向纯电动汽车过渡的阶段，内燃机仍将发挥重要作用。因此，即使是喷射式混合动力丰田也没有放弃对发动机的研究。如何让内燃机在纯电动汽车行业持续发光发热，也是工程师们的研究方向之一。

正是在这种指导思想下，丰田中央研究院开发了一种功率为10千瓦的新型发电机。尽管这种线性发电机是一种发电机，但它是由内燃机的结构改造而来的，它有一个模糊的名字——自由活塞发动机线性发电机（以下简称FPEG），自由活塞发动机直线发电机。它与传统发动机最大的区别是在气缸上增加了一台发电机。

丰田预测，一对10kW的发电机可以使纯B/C电动汽车以120公里/小时的速度巡航。。要知道，对于纯电动汽车来说，它们的行驶速度一直受到巡航里程的限制。尽管许多电动汽车的最高速度可以超过150公里/小时，但为了获得最大的巡航里程，这个数字将大大降低。那么，丰田是怎么做到的呢？

事实上，这项新发明的原理很简单，它仍然是高中电磁感应中的物理知识。

众所周知，在传统的内燃机中，曲柄连杆机构使活塞在气缸内往复运动，并将燃料燃烧的化学能转化为机械能输出。在FPEG中，磁体被添加到活塞的外部，活塞的往复运动切断磁体产生的磁感应线，该磁感应线与外部感应线圈产生电磁感应，并将活塞运动的动能转换为电能。

目前，丰田中央研究院只制作了一个用于实验的原型。该原型在二冲程气缸的基础上进行了改进，该气缸由燃烧室、线性发电机和气弹簧室组成。

筒体结构截面示意图

在传统发动机中，使活塞作圆周往复运动的关键结构是曲柄连杆机构。然而，在FPEG中，由于机械能不是直接输出的，并且由于磁体被添加到气缸中，曲柄连杆结构被直接取消。磁铁附在活塞上，但在原来的气缸体中，增加了一个感应线圈和一个嵌入缸套的定子，磁铁、感应线圈和定子一起形成了一个线性发电机。线性发动机可以看作是一种永磁电机，既可以用作电机，也可以用作发电机。

FPEG中最关键的结构是中空活塞，活塞两端的直径不同。其中，小直径端和气缸体形成燃烧室，大直径端和汽缸一起形成气弹簧室。从上面的截面图可以看出，活塞的截面形状是W形，丰田也将这种活塞称为W形活塞。

取消曲柄连杆结构后，燃烧室内的气体膨胀只能使活塞向一个方向运动，即只能“前进”而不能“返回”。在FPEG中，气弹簧室确保活塞可以在下一个循环中返回燃烧室的一端。气体燃烧推动活塞做功，同时压缩气弹簧室内的气体，相当于将活塞的部分动能储存在气弹簧室内，当压缩到一定程度时，推动活塞进行恢复运动。空气弹簧室内有一个压力调节阀，可以根据发动机的不同工况调节压力。

除此之外，FPEG的基本结构与单缸二冲程发动机的基本结构基本相同。在燃烧室的一端，有燃料喷嘴、火花塞（原型使用汽油作为燃料）和排气门，混合气体从缸套上的扫气孔进入燃烧室。

FPEG模拟配置文件

W形活塞的设计是FPEG的关键。在圆柱体的底部，有一个固定的圆柱形支柱。空心活塞是一个……

连接到该固定柱上进行往复运动，冷却油管路设计在固定柱内。为了确保活塞在润滑不足的情况下能够正常往复运动，在活塞和缸套上使用了陶瓷涂层来减少摩擦。附在活塞上的磁铁位于远离燃烧室的一端，以避免高温引起的消磁。

与传统发动机相比，在没有曲柄连杆机构的情况下，发动机的机械损耗大大降低。虽然驱动活塞往复运动的气弹簧室也依靠气体压缩来做功，但其横截面积越大，气体压缩后的问题就越低，从而降低了整个过程中的热损失。在发电中，由于磁体和线圈之间的间隙是固定的，因此可以保证发电效率。在模拟实验中，汽油机和柴油机的热效率都得到了提高，柴油机在10kW时的热效率达到了42%。

当然，任何事情都有优点和缺点。

尽管取消曲柄连杆机构大大简化了发动机的结构并提高了热效率，但以下问题是，活塞位置的确定成为一个难题，因为它不能通过曲柄角来确定。然而，活塞的位置是一个关键因素，它决定了燃油喷射、点火、打开和关闭排气门的时间。此外，在FPEG中，正是活塞的运动切断了磁感应线，从而产生电磁反应并发电，因此活塞的位置更为重要。

为了知道活塞的具体位置，研究所在活塞上设计了许多凹槽，并在气缸内表面安装了间隙传感器。活塞上的凹槽深度不同，当活塞在不同位置运行时，活塞与气缸内表面之间的间隙也不同。间隙传感器通过不同的间隙确定活塞的位置。

没有曲柄连杆机构的另一个问题是活塞的上止点和下止点不再固定。在FPEG中，活塞连接到气缸中的固定支柱上，并前后移动。尽管支柱的长度决定了活塞的运动范围，但上死点和下死点在该运动范围内并不固定。上止点取决于点火时间。点火后，燃烧气体膨胀做功，活塞开始下降。下止点取决于空气弹簧室内的压力。当空气弹簧室内的压力达到一定值时，活塞被向上推动。此外，未固定的上止点和下止点也使气缸的压缩比不再是固定值。

为了保证燃烧过程的稳定性，必须精确控制上止点和下止点的位置。因此，虽然简化了机械结构，但对发动机控制系统的要求更高，控制系统的设置也更复杂。此外，对控制系统的要求并不限于此。二冲程发动机不受欢迎的原因之一是排气和进气过程一致，在通风过程中，未燃烧的混合物很容易与废气一起排出，造成损失。因此，在FPEG中，还需要精确地控制排气门的打开和关闭时间。

当然，可控因素的增加也有一个好处，即可以根据运行需要随时调整，以确保发动机始终在高效的工作条件下运行。

到目前为止，FPEG仍处于实验阶段。FPEG的原型已经在实验室稳定运行了4个小时，暂时没有发现冷却或润滑不足的问题。然而，如果要进行大规模生产，工程师们还有很多工作要做。除了控制系统，还需要对系统的可靠性、稳定性、寿命甚至输出功率和转换效率的提高进行进一步研究。

标签：丰田发现

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