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自由活塞式线性发电机

2017-04-21  海岸kd9r5...

自由活塞式线性发电机是国内外研究热点,被认为是革新性的未来动力技术,在电池技术未获得重大突破前新能源汽车动力研究方向之一。

自由活塞式线性发电系统作为一种新型的串联式混合动力装置,近十年来得到了国内外许多科研机构的广泛关注。该装置由自由活塞式内燃机与直线发电机直接耦合,燃烧室膨胀做功,气体弹簧储能后回复,带动直线发电机往复运动发电。因为省却曲柄连杆和机械飞轮等传动装置,将活塞连杆与直线发电机动子直接相连,机械效率得到提高;由于取消了曲柄连杆机构的物理约束,以及直线电机发电状态和电动位置控制状态的切换,使得增大压缩比提高燃烧效率成为可能,并能在不改变内燃机结构的情况下调节压缩比以适应汽油、柴油、天然气、甲烷、氢气等多种燃料;而高压缩比均质充量压缩点火(HCCI)的燃烧方式,使得燃料的燃烧效率很高,整个系统效率可达传统内燃机的2~3倍,并且几乎无氮氧化物排放(NOX<>

在现有的新能源车型中增程型混合动力车型有着独特的魅力,由于传统燃油发电机(也可称之为增程器)并不参与直接的车辆驱动,因此工作时间短,噪音低,被称为更接近纯电动车的一项技术,这种车由电动机进行驱动,当电池的电力不足时,维持其行驶的电力来自于一台传统内燃机带动的发电机,好处是驾驶者不再受到电池容量的束缚,只要有燃油,不需要充电也可以驾驶车辆去到更遥远的地方。目前市场中的增程式电动车都采用了一台现有的内燃机作为发电机转子的动力源,而现有的内燃机上的很多部件对于发电这件事儿来说是多余的。

自由活塞式线性发电机

丰田将目光瞄准在了发动机的活塞上。因为导体在磁场中切割磁感线便可以产生电流,这也是如今发电技术的理论基础,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,丰田的工程技术人员应用的便是这一原理,研发出了利用活塞运动就可以发电的发电机。

自由活塞式线性发电机

自由活塞式线性发电机

自由活塞式线性发电机

缸内直喷+两冲程+活塞式发电机,丰田的工程师再一次将奇思妙想变为了现实。由于没有了曲轴、连杆、附件等等一系列为了动力输出而设计的部件,这台仅仅为了发电的发动机更轻、更小,同时更加专注于发电也令系统效率变得更高。

在传统的发动机中,使活塞进行循环的往复运动的关键结构在于曲柄连杆机构。而在活塞式线性发电机中,因为不直接输出机械能,同时在气缸中加入了磁铁,因此取消了曲柄连杆结构。线性发动机可以看成是一个永磁电机,能够同时作为电动机和发电机使用。

其中最关键的结构就是中空的活塞,活塞两端的直径不同,其中,直径小的一端与气缸体组成了燃烧室,直径大的一头与气缸一起组成了气压弹簧室。从上面的剖面图中可以看出,活塞的剖面形状是一个W,因此,丰田把这种活塞称为W形活塞。

取消曲柄连杆结构之后,燃烧室的气体膨胀做功只能让活塞单向运动,气压弹簧室则是保证活塞能够回到燃烧室的一端,进行下一个循环。基本结构与一个单气缸两冲程的发动机基本相同。在燃烧室的一端设有喷油嘴、火花塞(原型机使用汽油为燃料)和排气门。

与传统的发动机相比,没有曲柄连杆机构之后,发动机的机械损失大大降低。而在发电上,因为磁铁与线圈之间的间隙固定,能够保证发电效率。在模拟实验中,不管是使用汽油机还是柴油机的热效率都有所提升,其中10千瓦下的柴油机热效率达到了42%。

虽然取消曲柄连杆机构,大幅度简化发动机的结构并且热效率也有所提升,但是活塞位置的确定变成了新的难题。传统发动机通过曲柄的转角来确定活塞的位置,活塞的位置又是一个决定燃油喷射、点火、打开和关闭排气门的时间的关键因素,在活塞式线性发动机是活塞的运动切割磁感应线产生电磁反应从而发电,活塞的位置也就更加重要。为了确定活塞的具体位置,丰田采用沟槽和间隙传感器的策略,在活塞上设计许多沟槽,并在气缸内表面上安装间隙传感器,用来确定活塞的不同位置。此外,活塞的上止点和下止点也不再固定,上下止点的不固定,也让气缸的压缩比不再是一个固定值。而为了保证燃烧过程的稳定性,必须精确控制上下止点的位置。

因此,虽然简化了机械结构,但是对于发动机控制系统的要求却更高了,控制系统的设定也就更加复杂。当然,除了带来以上问题,还带来一个好处,就是可以根据运行需要随时进行调整,保证发动机一直运行在高效的工况之下。

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