42%超高热效率，FPEG让Toyota在油电领域再次突破

以色列摩雷

  来源: U-CAR  作者: 玛仕舞

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身为目前全球Hybrid科技的领导者，Toyota在汽油以外的能源研究向来颇有心得，近来靠着推出以氢燃料电池为动力系统的FCV概念车，也让其在车辆替代能源领域颇受好评；除了在氢燃料的研发上多所着墨外，其也没有忘记自己的油电老本行；日前，Toyota便在SAE 2014 World Congress车辆工程国际研讨会上，向世人展现其最新科技：Free Piston Engine Linear Generator (简称FPEG)，以其可达42%的超高热效率技术，再一次证明自己在Hybrid的领先地位。

Toyota在SAE 2014 World Congress车辆工程国际研讨会上，向世人展现其最新科技：Free Piston Engine Linear Generator (简称FPEG)，其能以42%的超高热效率产生电力。
FPE引擎，取消曲轴机构让活塞运动更自由
其实FPEG并非一项新技术，因为早在1959年时，全球第一台FPEG即已取得专利认证，而FPEG则是根据FPE (Free Piston Engine) 的基础所延伸出之装置。
那么，FPE引擎是甚么呢？顾名思义，我们可以知道这种引擎的活塞自由度较高，但是，它又是如何让活塞可以自由活动呢？原因就在于将曲轴以及连桿结构取消，并以一个空气弹簧 (Air Spring)取代，活塞运动全靠燃烧室的气体以及空气弹簧 (Air Spring) 控制，设计者可以自己决定空气的压力和体积，从而让整体设计趋于自由化。简单来说，即是活塞运行至下死点时，会遭遇到空气弹簧的阻挡而往回弹，活塞因而往上死点移动，到达上死点时，再藉由燃料燃烧爆炸产生的气体推力往下死点运行，周而復始。

图中我们可以看到，原本在传统引擎中的曲轴以及连桿结构已经取消，并以一个空气弹簧 (Air Spring)取代，活塞运动全靠燃烧室的气体以及空气弹簧 (Air Spring) 控制；而简单的说，活塞运行至下死点时，会遭遇到空气弹簧的阻挡而往回弹，活塞因而往上死点移动，到达上死点时，再藉由燃料燃烧爆炸产生的气体推力往下死点运行，周而復始。 (图片来源：wikipedia)
Toyota让FPEG拥有超高热效率
Toyota的FPEG技术，即是建立在FPE的运作基础下所延伸出的发电装置。传统油电系统下，发电机是与引擎本体分离，发电机与引擎曲轴连接、并利用其迴旋动能而发电；但Toyota的FPEG则不同，由于FPEG没有曲轴，所以活塞本体就成为了发电机，且因为没有曲轴的机构装置，引擎本体的体积因而缩小，构造也相对简单许多。
而Toyota FPEG的发电方式，则是透过安装在活塞上的永磁磁铁 (Permanent Magnet)，以及磁铁外侧的线圈组 (Coil) 组成之发电系统 (Linear Generator) 运行。在燃烧室的相对侧，原厂将一个密闭空间填满空气，使其成为空气弹簧，而这个装置可以取代曲轴设计，让活塞到达下死点时可以反弹、朝逆向运动，而透过活塞上的磁铁反復在线圈组运行、交互感应，电力即由此而生。
Toyota FPEG运作详细解说影片
内燃机本体则是採取二行程循环 (two-stroke cycle)，进气口安置在燃烧室的侧边，排气口则是安置在火星塞旁；原厂也在汽缸壁与活塞环施以陶瓷涂料，让其能够在缺乏润滑油的环境下也能够顺畅运行，而其他安装在旁的小装置，则是用来增加燃烧效率并减少内燃机的振动。

内燃机本体则是採取二行程循环 (two-stroke cycle)，进气口安置在燃烧室的侧边，排气口则是安置在火星塞旁；原厂也在汽缸壁与活塞环施以陶瓷涂料，让其能够在缺乏润滑油的环境下也能够顺畅运行。
根据Toyota提供的数据显示，目前的FPEG原型机可以产出10kW (约14匹马力) 的能量，虽然帐面上的数据看来不是相当亮眼，但若是将2组FPEG以对向的方式摆放串联，其产出的20kW (约28匹马力) 的动力能够让Yaris此类的小型车款，以时速120公里在高速公路上巡航，且对向摆放的设计更可让引擎震动更加减少。而仅管目前FPEG的热效率已经达到超高的42%，不过原厂工程师仍表示这还有进步的空间。
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不只汽油，几乎任何燃料都能驱动FPEG
Toyota表示目前尚未确定FPEG实际量产的日程，但其也表示，由于FPEG没有曲轴、全靠空气弹簧控制，所以内燃机压缩比可藉由空气弹簧的体积进而自由控制，这也意谓着FPEG除了可使用汽油当作驱动燃料，氢燃料也是可行的选项之一。FPEG在未来正式进入汽车市场后，Hybrid车款的发展将拥有更多可能性，而这对消费者来说，无疑是一大利多。U-CAR将持续为你追踪FPEG，并在日后带来更详尽的报导。
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相．关．内．容