豐田于2014年發(fā)布了旗下首款量產(chǎn)Mirai燃料電池汽車，并且極力給Mirai燃料電池汽車貼上幾個“World'sFirst”標(biāo)簽。除了世界首創(chuàng)的陰極側(cè)3D精細(xì)網(wǎng)眼流場板(3Dfine-meshflowfield)被貼上“World'sFirst”標(biāo)簽外，豐田自動織機(jī)開發(fā)搭載在Mirai燃料電池汽車上的螺桿式空壓機(jī)也被貼上“World'sFirst”標(biāo)簽，并且號稱全球首創(chuàng)壓縮結(jié)構(gòu)(World'sFirstCompressionStructure)。豐田自動織機(jī)開發(fā)的空氣壓縮機(jī)額定功率為10kW，最大功率20kW，壓縮方式為六葉螺桿羅茨(6-lobehelicalroottype)，最大轉(zhuǎn)速為12500r/min。注意，在JC08模式下行駛只能使用2kW左右。緊挨出風(fēng)口上邊設(shè)有水冷式冷卻器，將壓縮過程溫度最高提高至200℃的空氣冷卻至110~120℃。與前一代空壓機(jī)相比，Mirai燃料電池空壓機(jī)在小流量下的壓縮效率提高14%，大流量下壓縮效率提高20%，空壓機(jī)體積降低33%，噪音降低44%。下面將以親身經(jīng)歷Mirai燃料電池汽車六葉螺桿羅茨式空壓機(jī)開發(fā)過程的豐田自動織機(jī)五位工程師為主線，了解空壓機(jī)開發(fā)過程中的難點(diǎn)，希望給正在開發(fā)空壓機(jī)的工程師以鼓勵和靈感。

序言：空壓機(jī)是車用燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的核心部件，主要作用為：引導(dǎo)空氣進(jìn)入陰極并對其增壓。空壓機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)影響燃料電池系統(tǒng)的功率密度、系統(tǒng)效率和系統(tǒng)尺寸。區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上使用的空壓機(jī)，燃料電池車用空壓機(jī)需要滿足無油、體積小、噪音低、響應(yīng)快、喘振線在小流量區(qū)、成本低等要求。目前常見空壓機(jī)有離心式、螺桿式、渦旋式、羅茨式和滑片式等類型。與現(xiàn)代和本田路線不同，豐田在Mirai燃料電池汽車上采用螺桿式空壓機(jī)。

空壓機(jī)由兩個轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子的凹凸彼此咬合并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；隨著咬合空間逐漸減小，空氣被壓縮并且噴出。豐田自動織機(jī)開發(fā)的空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了小流量到大流量下皆能高效壓縮的目標(biāo)。

豐田工程師告訴你如何開發(fā)Mirai空壓機(jī)

豐田自動織機(jī)為Mirai燃料電池汽車開發(fā)的空壓機(jī)在低負(fù)荷時效率達(dá)50%以上，高負(fù)荷時效率達(dá)60%以上。低負(fù)荷時空氣流量約為0.1N·m3/min，高負(fù)荷時空氣流量5N·m3/min，最大壓縮比為3。為了實(shí)現(xiàn)減重，空氣壓縮機(jī)外殼采用鋁合金材料。空壓機(jī)沒有單獨(dú)配備逆變器，和驅(qū)動馬達(dá)逆變器公用。空氣西入口約為250×50mm，配置在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)。

1.豐田自動織機(jī)開發(fā)空壓機(jī)始于1993年

豐田自動織機(jī)開發(fā)空壓機(jī)的歷史一直緊隨豐田燃料電池汽車，始于1993年。豐田自動織機(jī)開發(fā)空壓機(jī)并非從零開始，從無到有。最初，豐田自動織機(jī)技術(shù)研發(fā)中心開發(fā)的是儲氫合金罐(hydrogen-storagealloytank)和氫氣循環(huán)泵(hydrogengasaspirationpump)。由于氫氣循環(huán)采用往復(fù)式，不滿足時下追求極致性能、安靜的標(biāo)準(zhǔn)。因此，豐田自動織機(jī)技術(shù)研發(fā)中心在1997年要求空壓機(jī)部門重新開發(fā)氫氣循環(huán)泵。第二年，豐田自動織機(jī)將往復(fù)式(reciprocatingtype)更換為渦旋式(scrolltype)。與此同時，開始進(jìn)行渦旋式空壓機(jī)開發(fā)工作。最終，該款空壓機(jī)于2002年末搭載在豐田FCHV燃料電池汽車上。

豐田FCHV燃料電池汽車

往復(fù)式和渦旋式對比

豐田自動織機(jī)持續(xù)對渦旋式空壓機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并且在2008年發(fā)布的FCHV-adv上也使用了改進(jìn)后的渦旋式空壓機(jī)。然而此時，由于渦旋式空壓機(jī)工作范圍較窄無法提供足夠空氣量，研發(fā)部門已經(jīng)開始尋找取代渦旋式空壓機(jī)的方案。豐田自動織機(jī)預(yù)測渦旋式將無法滿足未來輕質(zhì)、小型化、低成本和低噪音的追求目標(biāo)。通過對不同方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)后，決定采取螺桿羅茨式(helicalroottype)轉(zhuǎn)子取代渦旋式轉(zhuǎn)子。

豐田FCHV-adv燃料電池汽車

2.螺桿式轉(zhuǎn)子時代

螺桿式空壓機(jī)，又叫螺旋式空壓機(jī)，分為單螺桿式空壓機(jī)和雙螺桿式空壓機(jī)。雙螺桿式空壓機(jī)平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子，如下圖所示，可以實(shí)現(xiàn)小型化、輕便和結(jié)構(gòu)簡單。“豐田自動織機(jī)加速空壓機(jī)研發(fā)步伐的時候正好我們選擇了螺桿式空壓機(jī)”，豐田自動織機(jī)工程師MasatoSowa說到。

螺桿式轉(zhuǎn)子示意

“羅茨式壓縮機(jī)又叫回轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)，其并非以空壓機(jī)為人們所知，而主要以鼓風(fēng)機(jī)人們所知。螺桿羅茨式空壓機(jī)目前主要用于水處理設(shè)備中和輸送諸如水泥的粉末狀物質(zhì)，簡單來說，螺桿羅茨方法可以平穩(wěn)高效的輸送空氣、水、粉末等物質(zhì)，壓縮空氣其實(shí)并不多見。”-MasatoSowa

那么豐田自動織機(jī)為什么最終選擇了螺桿羅茨式空壓機(jī)呢？

“當(dāng)我們用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)空氣的壓縮程度取決于轉(zhuǎn)子上的葉數(shù)(Mirai空壓機(jī)為六葉，見上述Mirai空壓機(jī)轉(zhuǎn)子圖)，同時還受扭轉(zhuǎn)角(twistangle)影響，我們發(fā)現(xiàn)改變?nèi)~數(shù)和扭轉(zhuǎn)角兩個參數(shù)減少了進(jìn)氣量，通過大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算以后，我們確定了最后的結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)。”-MasatoSowa

盡管Sowa先生在介紹時臉上很平靜，但他描述的可是重大創(chuàng)新！通過Sowa先生和他的團(tuán)隊(duì)無數(shù)次試驗(yàn)，螺桿羅茨式被正式引入空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域。

3.卓越性能

Sowa先生團(tuán)隊(duì)全面研究了葉數(shù)和扭轉(zhuǎn)角對氣體流動的影響，最終開發(fā)的螺桿羅茨式空壓機(jī)可以實(shí)現(xiàn)最大效率。對于手中開發(fā)的這款空壓機(jī)，Sowa團(tuán)隊(duì)和豐田自動織機(jī)將它們的目光瞄準(zhǔn)了豐田公司旗下燃料電池汽車的空壓機(jī)訂單競爭。

“在學(xué)習(xí)會議上，我們首次公布了我們開發(fā)的空壓機(jī)的性能數(shù)據(jù)，當(dāng)我們宣布我們成果的時候，其他競爭公司引來一陣巨大了騷動。正是那個時候我們意識到原來我們的產(chǎn)品性能更優(yōu)。”-MasatoSowa

Sowa先生甚是開心，“到現(xiàn)在還記得當(dāng)時我們總公司的項(xiàng)目總經(jīng)理臉上的微笑”。

“我們每周要向項(xiàng)目總經(jīng)理數(shù)次匯報(bào)螺桿羅茨空壓機(jī)的開發(fā)進(jìn)度，這樣持續(xù)了很多個月。可以確定，項(xiàng)目總經(jīng)理也很焦慮，他不確定我們能否開發(fā)出達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。然而，我們很開心最后展示了我們的成果，看著項(xiàng)目總經(jīng)理臉上露出的笑容，我感覺很值得。”-MasatoSowa

贏得這次競爭之后，豐田自動織機(jī)被指定為Mirai燃料電池汽車提供空壓機(jī)。這是巨大的一次進(jìn)步，但道路依然很長。