身為目前全球 Hybrid 科技的領導者，Toyota 在汽油以外的能源研究向來頗有心得，近來靠著推出以氫燃料電池為動力系統的 FCV 概念車，也讓其在車輛替代能源領域頗受好評；除了在氫燃料的研發上多所著墨外，其也沒有忘記自己的油電老本行；日前，Toyota 便在 SAE 2014 World Congress 車輛工程國際研討會上，向世人展現其最新科技：Free Piston Engine Linear Generator (簡稱 FPEG)，以其可達 42%的超高熱效率技術，再一次證明自己在 Hybrid 的領先地位。
FPE 引擎，取消曲軸機構讓活塞運動更自由
其實 FPEG 並非一項新技術，因為早在 1959 年時，全球第一台 FPEG 即已取得專利認證，而 FPEG 則是根據 FPE (Free Piston Engine) 的基礎所延伸出之裝置。
那麼，FPE 引擎是甚麼呢？顧名思義，我們可以知道這種引擎的活塞自由度較高，但是，它又是如何讓活塞可以自由活動呢？原因就在於將曲軸以及連桿結構取消，並以一個空氣彈簧 (Air Spring)取代，活塞運動全靠燃燒室的氣體以及空氣彈簧 (Air Spring) 控制，設計者可以自己決定空氣的壓力和體積，從而讓整體設計趨於自由化。簡單來說，即是活塞運行至下死點時，會遭遇到空氣彈簧的阻擋而往回彈，活塞因而往上死點移動，到達上死點時，再藉由燃料燃燒爆炸產生的氣體推力往下死點運行，周而復始。
Toyota 讓 FPEG 擁有超高熱效率
Toyota 的 FPEG 技術，即是建立在 FPE 的運作基礎下所延伸出的發電裝置。傳統油電系統下，發電機是與引擎本體分離，發電機與引擎曲軸連接、並利用其迴旋動能而發電；但 Toyota 的 FPEG 則不同，由於 FPEG 沒有曲軸，所以活塞本體就成為了發電機，且因為沒有曲軸的機構裝置，引擎本體的體積因而縮小，構造也相對簡單許多。
而 Toyota FPEG 的發電方式，則是透過安裝在活塞上的永磁磁鐵 (Permanent Magnet)，以及磁鐵外側的線圈組 (Coil) 組成之發電系統 (Linear Generator) 運行。在燃燒室的相對側，原廠將一個密閉空間填滿空氣，使其成為空氣彈簧，而這個裝置可以取代曲軸設計，讓活塞到達下死點時可以反彈、朝逆向運動，而透過活塞上的磁鐵反復在線圈組運行、交互感應，電力即由此而生。
Toyota FPEG 運作詳細解說影片
內燃機本體則是採取二行程循環 (two-stroke cycle)，進氣口安置在燃燒室的側邊，排氣口則是安置在火星塞旁；原廠也在汽缸壁與活塞環施以陶瓷塗料，讓其能夠在缺乏潤滑油的環境下也能夠順暢運行，而其他安裝在旁的小裝置，則是用來增加燃燒效率並減少內燃機的振動。
根據 Toyota 提供的數據顯示，目前的 FPEG 原型機可以產出 10kW (約 14 匹馬力) 的能量，雖然帳面上的數據看來不是相當亮眼，但若是將 2 組 FPEG 以對向的方式擺放串聯，其產出的 20kW (約 28 匹馬力) 的動力能夠讓 Yaris 此類的小型車款，以時速 120 公里在高速公路上巡航，且對向擺放的設計更可讓引擎震動更加減少。而僅管目前 FPEG 的熱效率已經達到超高的 42%，不過原廠工程師仍表示這還有進步的空間。
不只汽油，幾乎任何燃料都能驅動 FPEG
Toyota 表示目前尚未確定 FPEG 實際量產的日程，但其也表示，由於 FPEG 沒有曲軸、全靠空氣彈簧控制，所以內燃機壓縮比可藉由空氣彈簧的體積進而自由控制，這也意謂著 FPEG 除了可使用汽油當作驅動燃料，氫燃料也是可行的選項之一。FPEG 在未來正式進入汽車市場後，Hybrid 車款的發展將擁有更多可能性，而這對消費者來說，無疑是一大利多。U-CAR 將持續為你追蹤 FPEG，並在日後帶來更詳盡的報導。
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