0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

自由活塞发动机的原理、结构及其特点应用分析

电子设计 来源:高通 作者:电子设计 2018-12-31 09:07 次阅读

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。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 发动机
    +关注

    关注

    33

    文章

    2428

    浏览量

    69062
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    发动机停缸控制及其标定

    发动机停缸控制及其标定本文研究了电控发动机的变排量技术,并在其控制标定中应用了新型标定系统。深入了解典型电控发动机系统构成,及其工作原理及匹
    发表于 12-02 12:57

    CA1261汽车发动机悬置系统隔振的研究

    发动机悬置系统能否得到合理匹配对汽车的平顺性有着重要影响。本文对CA1261 载货汽车所装配的BF6M1013ECP 型发动机悬置系统的隔振性能进行了研究。建立发动机悬置系统的六自由
    发表于 12-28 10:23

    详解汽车发动机类型及其分类方式

    发动机是汽车的动力装置,性能优劣直接影响到汽车性能。随着越来越多的私家车进入千家万户,由于汽车发动机类型很多,结构各异,这些问题让每一位普通车主感到头昏眼花。我们在这里将常见的汽车发动机
    发表于 12-13 10:12

    发动机参数采集与分析系统的matalb仿真

    现在有一个任务是基于发动机的参数采集与分析系统的matalb仿真,由于是初步做相关的项目,对simulink还是菜鸟,有做相关分析的贴友吗?咱们交流交流。主要是通过控制发动机的进气温度
    发表于 12-23 16:29

    点火,启动斯特林发动机

    `▼点火,启动斯特林发动机  人工动一下活塞杆,斯特林发动机开始工作  斯特林发动机是通过气缸内工作介质经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力,因此又被称为热气机。  图
    发表于 09-14 11:42

    如何实现摩托车发动机转速控制发动机熄火

    电喷摩托车,发动机转速信号应该来自ecu,如何实现当发动机转速达到2800转时,发动机熄火,感谢!
    发表于 11-21 16:34

    汽车发动机构造与20个汽车发动机维修详细案例

    本文档的主要内容详细介绍的是汽车发动机构造是怎么样的,并分享20个汽车发动机维修详细案例分析
    发表于 04-02 15:21

    全球八大发动机结构

    全球八大发动机结构,关注、星标公众号,不错过精彩内容来源:EDN电子技术设计发动机是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器,包括如内燃机(汽油发动机等)、外燃机(斯特林
    发表于 07-07 07:20

    奥迪2.0TFSI发动机结构原理分析

    奥迪2.0TFSI发动机结构原理分析 第四次入选全球十佳发动机 高技术、高性能、经济性及环保性完美结合
    发表于 03-11 09:51 7312次阅读

    阿特兹是转子发动机吗_哪些车是转子发动机

    转子发动机又称为活塞旋转式发动机。我们知道普通气缸发动机活塞在气缸内做往复式运动;而转子发动机
    发表于 01-08 16:30 8.7w次阅读

    发动机总成包含哪些部件_发动机总成包括什么_发动机总成图解

    本文主要介绍了什么是发动机总成、发动机总成分类,其次介绍了发动机总成发展历史、发动机总成密封性分析、最后对
    发表于 01-09 15:15 3.7w次阅读

    发动机曲轴结构及作用分析

    曲轴是发动机的主要零件之一。它将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动,并在作功行程中,连续承受活塞连杆组传来的力,即周期变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力并输出
    发表于 01-27 11:06 8603次阅读
    <b class='flag-5'>发动机</b>曲轴<b class='flag-5'>结构</b>及作用<b class='flag-5'>分析</b>

    转子发动机的优缺点是什么

    转子发动机很有特点,很有个性,也是遇到马自达这样的技术派才成为了经典机型,不过面对市场更追求均衡、经济的浪潮,转子发动机由于优点和缺点同样明显,也遇到了自己的转折点。 转子发动机优点
    的头像 发表于 06-04 18:28 1.2w次阅读

    嵌入式发动机活塞温度测试系统设计方案

    嵌入式发动机活塞温度测试系统设计方案
    发表于 06-22 14:38 22次下载

    IHI发动机结构和运行原理(常见技术20问)

    为了详细对比说明IHI发动机同以色列的自由活塞发动机之区别,我专门提取了两者共有的10个结构特征和指标进行了对比,IHI
    发表于 08-10 12:37 962次阅读