豐田于2014年發布了旗下首款量產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”標簽。除了世界首創的陰極側3D精細網眼流場板(3Dfine-meshflowfield)被貼上“World'sFirst”標簽外，豐田自動織機開發搭載在Mirai燃料電池汽車上的螺桿式空壓機也被貼上“World'sFirst”標簽，并且號稱全球首創壓縮結構(World'sFirstCompressionStructure)。豐田自動織機開發的空氣壓縮機額定功率為10kW，最大功率20kW，壓縮方式為六葉螺桿羅茨(6-lobehelicalroottype)，最大轉速為12500r/min。注意，在JC08模式下行駛只能使用2kW左右。緊挨出風口上邊設有水冷式冷卻器，將壓縮過程溫度最高提高至200℃的空氣冷卻至110~120℃。與前一代空壓機相比，Mirai燃料電池空壓機在小流量下的壓縮效率提高14%，大流量下壓縮效率提高20%，空壓機體積降低33%，噪音降低44%。下面將以親身經歷Mirai燃料電池汽車六葉螺桿羅茨式空壓機開發過程的豐田自動織機五位工程師為主線，了解空壓機開發過程中的難點，希望給正在開發空壓機的工程師以鼓勵和靈感。

序言：空壓機是車用燃料電池陰極供氣系統的核心部件，主要作用為：引導空氣進入陰極并對其增壓。空壓機的設計和開發影響燃料電池系統的功率密度、系統效率和系統尺寸。區別于傳統內燃機上使用的空壓機，燃料電池車用空壓機需要滿足無油、體積小、噪音低、響應快、喘振線在小流量區、成本低等要求。目前常見空壓機有離心式、螺桿式、渦旋式、羅茨式和滑片式等類型。與現代和本田路線不同，豐田在Mirai燃料電池汽車上采用螺桿式空壓機。

空壓機由兩個轉子構成，轉子的凹凸彼此咬合并進行旋轉；隨著咬合空間逐漸減小，空氣被壓縮并且噴出。豐田自動織機開發的空壓機實現了小流量到大流量下皆能高效壓縮的目標。

豐田工程師告訴你如何開發Mirai空壓機

豐田自動織機為Mirai燃料電池汽車開發的空壓機在低負荷時效率達50%以上，高負荷時效率達60%以上。低負荷時空氣流量約為0.1N·m3/min，高負荷時空氣流量5N·m3/min，最大壓縮比為3。為了實現減重，空氣壓縮機外殼采用鋁合金材料。空壓機沒有單獨配備逆變器，和驅動馬達逆變器公用。空氣西入口約為250×50mm，配置在發動機艙內。

1.豐田自動織機開發空壓機始于1993年

豐田自動織機開發空壓機的歷史一直緊隨豐田燃料電池汽車，始于1993年。豐田自動織機開發空壓機并非從零開始，從無到有。最初，豐田自動織機技術研發中心開發的是儲氫合金罐(hydrogen-storagealloytank)和氫氣循環泵(hydrogengasaspirationpump)。由于氫氣循環采用往復式，不滿足時下追求極致性能、安靜的標準。因此，豐田自動織機技術研發中心在1997年要求空壓機部門重新開發氫氣循環泵。第二年，豐田自動織機將往復式(reciprocatingtype)更換為渦旋式(scrolltype)。與此同時，開始進行渦旋式空壓機開發工作。最終，該款空壓機于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

往復式和渦旋式對比

豐田自動織機持續對渦旋式空壓機進行改進，并且在2008年發布的FCHV-adv上也使用了改進后的渦旋式空壓機。然而此時，由于渦旋式空壓機工作范圍較窄無法提供足夠空氣量，研發部門已經開始尋找取代渦旋式空壓機的方案。豐田自動織機預測渦旋式將無法滿足未來輕質、小型化、低成本和低噪音的追求目標。通過對不同方案設計和試驗后，決定采取螺桿羅茨式(helicalroottype)轉子取代渦旋式轉子。

豐田FCHV-adv燃料電池汽車

2.螺桿式轉子時代

螺桿式空壓機，又叫螺旋式空壓機，分為單螺桿式空壓機和雙螺桿式空壓機。雙螺桿式空壓機平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉子，如下圖所示，可以實現小型化、輕便和結構簡單。“豐田自動織機加速空壓機研發步伐的時候正好我們選擇了螺桿式空壓機”，豐田自動織機工程師MasatoSowa說到。

螺桿式轉子示意

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

那么豐田自動織機為什么最終選擇了螺桿羅茨式空壓機呢？

“當我們用計算機進行模擬，發現空氣的壓縮程度取決于轉子上的葉數(Mirai空壓機為六葉，見上述Mirai空壓機轉子圖)，同時還受扭轉角(twistangle)影響，我們發現改變葉數和扭轉角兩個參數減少了進氣量，通過大量實驗和計算以后，我們確定了最后的結構形狀和參數。”-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新！通過Sowa先生和他的團隊無數次試驗，螺桿羅茨式被正式引入空氣壓縮機領域。

3.卓越性能

Sowa先生團隊全面研究了葉數和扭轉角對氣體流動的影響，最終開發的螺桿羅茨式空壓機可以實現最大效率。對于手中開發的這款空壓機，Sowa團隊和豐田自動織機將它們的目光瞄準了豐田公司旗下燃料電池汽車的空壓機訂單競爭。

“在學習會議上，我們首次公布了我們開發的空壓機的性能數據，當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品性能更優。”-MasatoSowa

Sowa先生甚是開心，“到現在還記得當時我們總公司的項目總經理臉上的微笑”。

“我們每周要向項目總經理數次匯報螺桿羅茨空壓機的開發進度，這樣持續了很多個月。可以確定，項目總經理也很焦慮，他不確定我們能否開發出達標的產品。然而，我們很開心最后展示了我們的成果，看著項目總經理臉上露出的笑容，我感覺很值得。”-MasatoSowa

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