自由活塞发动机的原理、结构及其特点应用分析

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。