从丰田看自由活塞式发动机的前世今生

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图文:LTZ19921110

【新闻部分来自汽车之家】

增程式电动车被认为是目前最接近纯电动车的一种车型,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,而内燃机身上的很多部件对于发电这件事儿来说是多余的,并带来了空间和重量的额外浪费。如何去掉内燃机的这身“赘肉”并进一步提高整车的效率呢?丰田将目光瞄准在了发动机的活塞上,并研发出了利用活塞运动就可以发电的发电机。

众所周知,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。

结论:

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。目前这台发动机依然还在研发阶段,相信随着技术的不断成熟,它将非常有希望在未来实现投产。

----------------------------------新闻部分转载完毕-----------------------------

实际上汽车之家严重火星了。他们所认为的这种创新实际上在上个世纪中期的一段时间也曾经是热门话题(不过根据维基百科早在1807年就有个名叫de Rivaz的高卢疯子提出了类似的设想)这种发动机就是所谓自由活塞式发动机,不过在上个世纪的时候自由活塞式发动机的用途经常是燃气发生器或者空气压缩机,用来发电也是后话了。

通俗来讲,自由活塞式发动机可以理解为去掉连杆和曲轴的二冲机,活塞不与任何机构相连。不过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反弹装置(通常是气动弹簧)。对于这种发动机的工作流程就不多赘述了么,一张图说明问题(由于格式限制,说客平台无法上传动图)。

往复运动的活塞中间绑块电磁铁,周围绕上线圈,来回抽插切割磁感线,也就成了发电机,简单明了的原理,但是由于交流电控制的原因在上世纪中期根本无法得到应用。

下面是这种发动机大规模应用的几个实例

上图是二战期间德国U艇使用的容克斯Sulzer空气压缩机,每一对活塞能进行4级压缩,艇载机组装有8对活塞,功率高达8250kW.

两级压缩的低功率版则被广泛应用在从工程器械到舰船各个领域,也被通过轴心国技术共享在日本生产。

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1956 XP 500 Firebird: 有史以来唯一由自由活塞式核心机驱动的汽车

XP500的Hyprex 四缸燃气发生器功率为250hp, 能使用几乎任何可燃液体作为燃料

动力通过车后边的涡轮传递到后轮

燃气发生器在法国组装,然后运到底特律装车

和涡轴发动机一样,噪音和控制问题使自由活塞发动机无法作以机械传动方式驱动汽车。不过作为由于这辆车技术积累,GM造了一台6000马力的机组,装在了一艘二战时期的自由船上。

William Patterson号自由船

自由活塞式燃气发生器机组

整套动力装置

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前方高能:福特的燃气轮拖拉机

福特曾经在1957年造了3辆这种丧心病狂的拖拉机,第一台仅有16马力,第二台100马力,第三台达到了丧心病狂的160hp

燃气发生器:对置双活塞,缸径3.75in,机械式缸内直射

涡轮转速45000rpm,通过两级减速齿轮驱动变速箱和动力输出装置

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美帝的Lima-Hamilton公司曾经为宾州铁路研发过4000hp级别的燃气轮机车,使用自由活塞燃气发生器驱动涡轮带动发电机,当时的技术还无法实现活塞中整合功率足够的发电机

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结论:

从此种机型满满黑科技属性的发展历程来看,这次丰田在汽车上的尝试很可能就像C-X75的那两个APU、A1 E-tron的转子增程发电机一样被传统活塞式引擎的成熟技术扼杀掉,只能沦为个吸引民众眼球的噱头。不过这次的黑科技黑得够彻底,通过发电机避免了涡轮机应用于汽车的控制问题,同时解决了传统增程发电机组的体积硬伤,没准真能在几十年后有火一把的机会

开加力的5APU收尾,下期再见!

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