豐田公司在2014年底特律汽車工程國際研討會上提出了自由活塞發(fā)動機線性發(fā)電機（Free Piston Engine Linear Generator，F(xiàn)PEG）的設想，并于近期展示了原型機。豐田公司表示，該自由活塞發(fā)動機熱效率可高達42%，比目前汽油機平均熱效率高25-30%；其長度僅有60 cm，直徑不超過20 cm，有效輸出功率可達11 kW。自由活塞發(fā)動機具有體積小、重量輕和熱效率高的特點，具有在增程式電動汽車上應用的潛力，受到新能源汽車企業(yè)的廣泛關(guān)注。自由活塞增程式電動汽車的結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。因此，本文將以自由活塞發(fā)動機為主題進行討論，介紹自由活塞發(fā)動機的基本原理、特點及其應用難點問題。
自由活塞發(fā)動機基本原理
自由活塞發(fā)動機只有直線運動部件，沒有曲軸或其它旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)更加簡單，制造成本低，幾乎可免維護運行。由于活塞沒有曲柄連桿機構(gòu)的約束，其上、下止點位置是可變的，因此稱為“自由活塞”。其工作過程如下圖所示。自由活塞發(fā)動機可以理解為二種程發(fā)動機去掉連桿和曲軸，活塞不與任何機構(gòu)相連，其工作過程與二沖程發(fā)動機工作過程基本相同，在活塞上行時，完成壓縮、噴油以及點火或像柴油機一樣壓縮著火；在活塞下行時，則完成了做功以及換氣的工作；自由活塞發(fā)動機沒有傳統(tǒng)發(fā)動機的飛輪結(jié)構(gòu)，為了讓活塞能夠進行進氣-壓縮沖程，活塞的另一端通需要設計特殊的回復裝置（通常為空氣彈簧）。
自由活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)及其特點
根據(jù)燃燒室數(shù)量、活塞數(shù)量以及相對布置方式來分，自由活塞發(fā)動機可分為：單活塞式、雙活塞式和對置活塞式，如下圖所示。單活塞式自由活塞發(fā)動機由一個燃燒室和一個活塞構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且可實現(xiàn)對發(fā)動機的壓縮比和有效沖程的精確調(diào)節(jié)和控制，但需要采用一個空氣彈簧的回復裝置；此外，單活塞式在運動過程中受力極度不平衡，軸向振動較大，需要布置額外的平衡裝置或多臺發(fā)動機布置來減小振動。雙活塞式自由活塞發(fā)動機包括兩個燃燒室和兩個活塞，沒有單獨的回復裝置，但振動比較大，進排氣正時的控制難度較大，細微的負載變化對下一沖程會產(chǎn)生較大的影響，嚴重時引起熄火，循環(huán)波動較大，因此需要更為精確的控制系統(tǒng)。對置活塞式自由活塞發(fā)動機包括一個燃燒室和兩個活塞，其受力完全平衡，振動最平穩(wěn)，機體振動問題得到有效解決；由于沒有氣缸蓋，能有效的減少傳熱損失；但兩個活塞的同步較為困難，導致壓縮比不穩(wěn)定，需要額外的控制系統(tǒng)和同步裝置，使其控制難度和發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜程度增加。
自由活塞發(fā)動機在增程式電動汽車上的應用
自由活塞發(fā)動機做往復直線運動，如果分別將氣缸與在其中進行往復運動的活塞變?yōu)閷w和磁場，那么活塞運動也就變?yōu)榱藢w切割磁感線的運動，根據(jù)電磁感應原理，導體在磁場中切割磁感線便可以產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)自由活塞發(fā)電機。與目前采用傳統(tǒng)發(fā)動機進行發(fā)電相比，自由活塞發(fā)動機減少了曲柄連桿組的能量傳遞損失，機械效率更高；此外，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的特點，降低了設計和制造的成本，有利于在汽車有限空間內(nèi)的布置；同時，由于其壓縮比可以自由變化，可適應于汽油和柴油燃料，提高了燃料的適應性。
雙活塞四沖程自由活塞發(fā)電機工作過程
雙活塞四沖程自由活塞發(fā)電機的工作過程，其基本的工作原理與傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機原理相似，此處不再贅述。
自由活塞發(fā)動機應用難點
傳統(tǒng)發(fā)動機的活塞位置可以通過曲柄連桿機構(gòu)進行設計和控制，但自由活塞發(fā)動機沒有連桿和曲軸，雖可通過數(shù)據(jù)采集確定活塞的位置，但無法準確對其進行控制，例如上、下止點的位置。目前，自由活塞發(fā)動機完全依靠電控定位活塞，對電控系統(tǒng)的控制精確要求比傳統(tǒng)發(fā)動機更高。要實現(xiàn)自由活塞高效清潔且穩(wěn)定的運行，就必須對發(fā)動機壓縮比、換氣、噴油、燃燒進行精確控制。如果不能完美的解決電控問題，會帶來燃燒不穩(wěn)定、燃燒不完全等問題，不僅會造成油耗和排放增加，還會導致發(fā)動機工作不平順，甚至是熄火。由此可見，電控問題是困擾其量產(chǎn)的最大原因。
總結(jié)
雖然豐田將提出了自由活塞發(fā)動機線性發(fā)電機理念，但是目前還處于研發(fā)階段。自由活塞發(fā)動機或發(fā)電機在實用化之前，仍有一些關(guān)鍵的問題有待解決和攻克。不過從其結(jié)構(gòu)特點來看，體積小、重量輕、成本低、壓縮比可變、燃燒適應性強、熱效率高等特點，具有在未來增程式電動汽車上的應用的潛力。