豐田式另類“混動(dòng)”：內(nèi)燃機(jī)+發(fā)電機(jī)=純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

豐田對(duì)于混合動(dòng)力可謂是相當(dāng)執(zhí)著，尤其是非插電式混合動(dòng)力。因此，哪怕是在純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)中，這種“混動(dòng)”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(dòng)的豐田表錯(cuò)情了么?》中提到的那樣，在向純電動(dòng)車的過(guò)渡階段，內(nèi)燃機(jī)將依然扮演重要的角色，因此，即便是壓注混動(dòng)的豐田，也并沒(méi)有放棄對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。而如何讓內(nèi)燃機(jī)在純電動(dòng)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(jī)，功率為10千瓦。這款線性發(fā)電機(jī)雖然是發(fā)電機(jī)，但是卻是在內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)上改造而成的，有一個(gè)讓人不明覺(jué)厲的名字——Free Piston Engine Linear Generator(下文簡(jiǎn)稱FPEG)，自由活塞引擎線性發(fā)電機(jī)。它與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大的不同就是，在氣缸中加入了發(fā)電裝置。

豐田預(yù)計(jì)，一對(duì)10千瓦的發(fā)電機(jī)可以讓一輛B/C級(jí)的純電動(dòng)車巡航速度達(dá)到120公里/時(shí)。要知道對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其行駛速度一直受到續(xù)航里程的限制。雖然很多電動(dòng)車的最高時(shí)速都能夠超過(guò)150公里/時(shí)，但是要想獲得最大的續(xù)航里程，這個(gè)數(shù)字也就會(huì)大打折扣。那么，豐田是怎么做到的呢?

其實(shí)這項(xiàng)新發(fā)明應(yīng)用的原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，還是高中時(shí)候的物理知識(shí)——電磁感應(yīng)。

我們知道，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)讓活塞在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(jī)用于實(shí)驗(yàn)。這個(gè)原型機(jī)是在一個(gè)兩沖程的氣缸基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，由燃燒室、線性發(fā)電機(jī)以及氣壓彈簧室組成。

氣缸結(jié)構(gòu)剖面簡(jiǎn)圖

在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，使活塞進(jìn)行循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于曲柄連桿機(jī)構(gòu)。而在FPEG中，因?yàn)椴皇侵苯虞敵鰴C(jī)械能，也因?yàn)闅飧字屑尤肓舜盆F，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(jī)。線性發(fā)動(dòng)機(jī)可以看成是一個(gè)永磁電機(jī)，能夠同時(shí)作為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)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(gè)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(yùn)動(dòng)，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(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。氣體燃燒推動(dòng)活塞做功的同時(shí)會(huì)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(dòng)能儲(chǔ)存在氣壓彈簧室中，當(dāng)壓縮到一定程度時(shí)，推動(dòng)活塞進(jìn)行回復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣壓彈簧室中有一個(gè)壓力調(diào)整閥，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況對(duì)其中的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

除此之外，F(xiàn)PEG的基本結(jié)構(gòu)與一個(gè)單氣缸兩沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同。在燃燒室的一端設(shè)有噴油嘴、火花塞(原型機(jī)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(jìn)入燃燒室。

FPEG模擬剖面圖

W形活塞的設(shè)計(jì)是FPEG的關(guān)鍵之處。在氣缸的底座中，有一個(gè)固定的圓柱支柱。中空的活塞就是依附在這個(gè)固定的支柱上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，固定支柱內(nèi)部設(shè)計(jì)了冷卻油的管道。為了保證活塞在潤(rùn)滑條件不足的情況下也能正常地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(yuǎn)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(dòng)機(jī)相比，沒(méi)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失大大降低，推動(dòng)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(wèn)題也就越低，也就減少了整個(gè)過(guò)程中的熱力損失。而在發(fā)電上，因?yàn)榇盆F與線圈之間的間隙固定，能夠保證發(fā)電效率。在模擬實(shí)驗(yàn)中，不管是使用汽油機(jī)還是柴油機(jī)的熱效率都有所提升，其中10千瓦下的柴油機(jī)熱效率達(dá)到了42%。

當(dāng)然，凡事有利必有弊。

雖然取消曲柄連桿機(jī)構(gòu)，把發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)大幅度簡(jiǎn)化并且熱效率也有所提升，但是隨之而來(lái)的問(wèn)題就是，活塞位置的確定變成了一個(gè)難題，因?yàn)闊o(wú)法通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)角來(lái)確定了。但是活塞的位置又是一個(gè)至關(guān)重要的因素，燃油噴射、點(diǎn)火、打開(kāi)和關(guān)閉排氣門的時(shí)間都由它決定，而且在FPEG中，是活塞的運(yùn)動(dòng)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(jì)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(yùn)行在不同位置時(shí)，與氣缸內(nèi)表面的間隙也就不同，間隙傳感器通過(guò)間隙不同確定活塞位置。

沒(méi)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)的另外一個(gè)問(wèn)題是活塞的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，雖然支柱的長(zhǎng)度確定了活塞的運(yùn)動(dòng)范圍，但是在這個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，上下止點(diǎn)卻都是不固定的。上止點(diǎn)取決于點(diǎn)火時(shí)間，當(dāng)點(diǎn)火之后，燃燒氣體膨脹做功，活塞則開(kāi)始下行;下止點(diǎn)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(shí)，則推動(dòng)活塞上行。另外，上下止點(diǎn)的不固定，也讓氣缸的壓縮比不再是一個(gè)固定值。

而為了保證燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性，上下止點(diǎn)的位置必須被精確控制。因此，雖然簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于控制系統(tǒng)的要求并不止于此。兩沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)得不到普及的原因之一就在于其排氣與進(jìn)氣過(guò)程的重合，換氣過(guò)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(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)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(gè)好處，就是可以根據(jù)運(yùn)行需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證發(fā)動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行在高效的工況之下。

到目前為止，F(xiàn)PEG還處于試驗(yàn)階段。FPEG的原型機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中穩(wěn)定運(yùn)行了4個(gè)小時(shí)，暫時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何冷卻或者潤(rùn)滑不足的問(wèn)題。但是如果要進(jìn)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(jìn)一步的研究。