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.docx

Word版本下载可任意编辑】 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 丰田公司在20**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构造示意如下列图所示因此，本文将以自由活塞发动机为主题开展讨论，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，构造更加简单，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”其工作过程如下列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构造，为了让活塞能够开展进气-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）。

自由活塞发动机的构造及其特点 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，如下列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，其构造简单、成本低，且可实现对发动机的压缩比和有效冲程的调节和控制，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构造复杂程度增加 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开展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开展发电相比，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，构造简单、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开展设计和控制，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，但无法准确对其开展控制，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、燃烧开展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构造特点来看，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 3 / 3。