丰田工程师告诉你如何开发Mirai空压机

丰田于2014年发布了旗下首款量产Mirai燃料电池汽车，并且极力给Mirai燃料电池汽车贴上几个“World's First”标签。除了世界首创的阴极侧3D精细网眼流场板(3D fine-mesh flow field)被贴上“World's First”标签外，丰田自动织机开发搭载在Mirai燃料电池汽车上的螺杆式空压机也被贴上“World's First”标签，并且号称全球首创压缩结构(World's First Compression Structure)。丰田自动织机开发的空气压缩机额定功率为10kW，最大功率20kW，压缩方式为六叶螺杆罗茨(6-lobe helical root type)，最大转速为12500r/min。注意，在JC08模式下行驶只能使用2kW左右。紧挨出风口上边设有水冷式冷却器，将压缩过程温度最高提高至200℃的空气冷却至110~120℃。与前一代空压机相比，Mirai燃料电池空压机在小流量下的压缩效率提高14%，大流量下压缩效率提高20%，空压机体积降低33%，噪音降低44%。下面将以亲身经历Mirai燃料电池汽车六叶螺杆罗茨式空压机开发过程的丰田自动织机五位工程师为主线，了解空压机开发过程中的难点，希望给正在开发空压机的工程师以鼓励和灵感。

序言：空压机是车用燃料电池阴极供气系统的核心部件，主要作用为：引导空气进入阴极并对其增压。空压机的设计和开发影响燃料电池系统的功率密度、系统效率和系统尺寸。区别于传统内燃机上使用的空压机，燃料电池车用空压机需要满足无油、体积小、噪音低、响应快、喘振线在小流量区、成本低等要求。目前常见空压机有离心式、螺杆式、涡旋式、罗茨式和滑片式等类型。与现代和本田路线不同，丰田在Mirai燃料电池汽车上采用螺杆式空压机。

下图为六叶螺杆罗茨转子CG图。空压机由两个转子构成，转子的凹凸彼此咬合并进行旋转；随着咬合空间逐渐减小，空气被压缩并且喷出。丰田自动织机开发的空压机实现了小流量到大流量下皆能高效压缩的目标。

Mirai空压机转子模型(丰田自动织机官网)

Mirai空压机转子

丰田自动织机为Mirai燃料电池汽车开发的空压机在低负荷时效率达50%以上，高负荷时效率达60%以上。低负荷时空气流量约为0.1N·m3/min，高负荷时空气流量5N·m3/min，最大压缩比为3。为了实现减重，空气压缩机外壳采用铝合金材料。空压机没有单独配备逆变器，和驱动马达逆变器公用。空气西入口约为250×50 mm，配置在发动机舱内。

丰田Mirai空压机外观

丰田Mirai空压机剖视图

丰田燃料电池系统中的空气入口

1.丰田自动织机开发空压机始于1993年

丰田自动织机开发空压机的历史一直紧随丰田燃料电池汽车，始于1993年。丰田自动织机开发空压机并非从零开始，从无到有。最初，丰田自动织机技术研发中心开发的是储氢合金罐(hydrogen-storage alloy tank)和氢气循环泵(hydrogen gas aspiration pump)。由于氢气循环采用往复式，不满足时下追求极致性能、安静的标准。因此，丰田自动织机技术研发中心在1997年要求空压机部门重新开发氢气循环泵。第二年，丰田自动织机将往复式(reciprocating type)更换为涡旋式(scroll type)。与此同时，开始进行涡旋式空压机开发工作。最终，该款空压机于2002年末搭载在丰田FCHV燃料电池汽车上。

丰田FCHV燃料电池汽车

往复式和涡旋式对比

丰田自动织机持续对涡旋式空压机进行改进，并且在2008年发布的FCHV-adv上也使用了改进后的涡旋式空压机。然而此时，由于涡旋式空压机工作范围较窄无法提供足够空气量，研发部门已经开始寻找取代涡旋式空压机的方案。丰田自动织机预测涡旋式将无法满足未来轻质、小型化、低成本和低噪音的追求目标。通过对不同方案设计和试验后，决定采取螺杆罗茨式(helical root type)转子取代涡旋式转子。

丰田FCHV-adv燃料电池汽车

2.螺杆式转子时代

螺杆式空压机，又叫螺旋式空压机，分为单螺杆式空压机和双螺杆式空压机。双螺杆式空压机平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，如下图所示，可以实现小型化、轻便和结构简单。“丰田自动织机加速空压机研发步伐的时候正好我们选择了螺杆式空压机”，丰田自动织机工程师Masato Sowa说到。

螺杆式转子示意

“罗茨式压缩机又叫回转鼓风机，其并非以空压机为人们所知，而主要以鼓风机人们所知。螺杆罗茨式空压机目前主要用于水处理设备中和输送诸如水泥的粉末状物质，简单来说，螺杆罗茨方法可以平稳高效的输送空气、水、粉末等物质，压缩空气其实并不多见。”-Masato Sowa

那么丰田自动织机为什么最终选择了螺杆罗茨式空压机呢？

“当我们用计算机进行模拟，发现空气的压缩程度取决于转子上的叶数(Mirai空压机为六叶，见上述Mirai空压机转子图)，同时还受扭转角(twist angle)影响，我们发现改变叶数和扭转角两个参数减少了进气量，通过大量实验和计算以后，我们确定了最后的结构形状和参数。”-Masato Sowa

尽管Sowa先生在介绍时脸上很平静，但他描述的可是重大创新！通过Sowa先生和他的团队无数次试验，螺杆罗茨式被正式引入空气压缩机领域。

3.卓越性能

Sowa先生团队全面研究了叶数和扭转角对气体流动的影响，最终开发的螺杆罗茨式空压机可以实现最大效率。对于手中开发的这款空压机，Sowa团队和丰田自动织机将它们的目光瞄准了丰田公司旗下燃料电池汽车的空压机订单竞争。

“在学习会议上，我们首次公布了我们开发的空压机的性能数据，当我们宣布我们成果的时候，其他竞争公司引来一阵巨大了骚动。正是那个时候我们意识到原来我们的产品性能更优。”-Masato Sowa

Sowa先生甚是开心，“到现在还记得当时我们总公司的项目总经理脸上的微笑”。

“我们每周要向项目总经理数次汇报螺杆罗茨空压机的开发进度，这样持续了很多个月。可以确定，项目总经理也很焦虑，他不确定我们能否开发出达标的产品。然而，我们很开心最后展示了我们的成果，看着项目总经理脸上露出的笑容，我感觉很值得。”-Masato Sowa

赢得这次竞争之后，丰田自动织机被指定为Mirai燃料电池汽车提供空压机。这是巨大的一次进步，但道路依然很长。