導讀：豐田自動織機為Mirai燃料電池汽車開發的六葉螺旋羅茨式空壓機額定功率為10kW，最大功率20kW，最大轉速為12500r/min，在JC08模式下行駛只能使用2kW左右。緊鄰出風口設有水冷式冷卻器，將壓縮過程最高溫度達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了14%，大流量下壓縮效率提高了20%，空壓機體積降低了33%，噪音降低了44%。下面將以親身經歷Mirai燃料電池汽車六葉螺旋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，學習工匠精神，給正在開發空壓機的工程師以鼓勵和靈感。(本文為豐田工程師告訴你如何開發Mirai空壓機一的姊妹篇)
 

豐田自動織機空壓機開發團隊
 

1. 明確空壓機噪聲來源

燃料電池空壓機一方面要提高燃料利用率、響應速度和瞬時加速性能，另一方面要降低噪聲和振動。空壓機開發工作面臨的難點是在上述兩點之間取得最佳平衡。如何降低噪聲和振動(NV)呢？在空壓機開發工作的后期，這個問題擺在了豐田自動織機開發部門工程師的面前。Fumihiro Suzuki是負責解決Mirai燃料電池汽車六葉螺旋羅茨式空壓機NV問題的工程師。

Fumihiro Suzuki(空壓機部門111組)

“在空壓機開發過程中，噪聲和振動問題一直困擾著我們。當客戶來視察我們開發的第一個空壓機原型的時候，他們說聽起來像個割草機。因此，當下我們就決定必須嘗試各種方法來降低空壓機的噪聲。 ”-Suzuki
 

因此，Suzuki先生和他的團隊徹底研究了空壓機噪聲的來源，他們決定從四個方面去解決這個問題，即重新設計外殼形狀(reviewing the shape of the housing)、降低轉子振動(reducing vibration in the rotor)、降低進排氣系統噪聲(reducing noise in the intake and exhaust systems)、調音(tuning the sound)。
 

“首先，我們重新設計了空壓機外殼形狀。毫無疑問，噪聲是由振動產生的，振動波傳遞給了空氣。接著被我們的耳膜吸收，于是我們聽到了聲音。重新設計外殼形狀來提高其剛度(incresing its rigidity)對于控制振動非常有效。 ”-Suzuki
 

第一件事就是減少多余和無用的材料來精簡空壓機外殼(eliminating waste from the housing)，使其變得更加緊湊。以上措施可以減少噪聲源面積。此外，消聲器(silencer)和中冷器(intercooler)也被集成在一起。如下圖所示，將中冷器安裝在圓筒(cylinder)內可以吸收進氣脈沖(air intake pulsation)，同時有有利于減緩外殼振動。

Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機剖面
 

Suzuki先生在回憶他們曾經為降噪所做的努力時說到“如何通過連接兩個部件(connecting one part to another)來降低圓筒內的振動呢？答案就是通過優化緊固部件位置來降低振動。”
 

他們嘗試了大量的方法來降低噪聲，包括在圓筒內安置一個肋(rib)，在振動阻尼金屬片(vibration-damping steel sheets)中間放置幾微米厚度的樹脂片(resin sheet)等。

空壓機和SD蓋的噪聲來源

2. 減緩轉子晃動(Stop Shaking)

Q:你們團隊采取什么方案去降低轉子晃動呢？

“當轉子晃動時，轉子緊鄰圓筒(cylinder)，且距離在一定范圍內，于是就產生了噪聲(轉子頻繁沖擊圓筒)。減緩轉子的晃動是降低空壓機NV的一個有效方法。 ”-Suzuki

轉軸由三個軸承支撐著。 Suzuki先生認為縮小支撐點之間距離也可以減緩轉子的晃動。

空壓機放大圖

“首先，我們測量了空壓機中轉子和圓筒之間的相互干涉情況。然后，使用計算機輔助模擬方法，我們分析了轉子晃動情況，計算如何排布支撐點可以使得轉子晃動最小。接著，根據計算機輔助模擬得到的結果，我們重新設計和制造了空壓機，再重新測量轉子的晃動情況。我們反復論證了很多次。 ”-Suzuki

豐田Mirai空壓機外觀

Q:還有其他措施去降低轉子晃動嗎？

“當然還有，增加轉軸半徑，或者使用更多剛度高的材料，都可以減緩轉子晃動。但是這些措施會使空壓機外殼變大，增加了成本。我們需要的是減緩轉子晃動的同時，僅僅改變的是空壓機內部情況，而不是改變現有的空壓機體積、形狀或者材料。 ”-Suzuki

到這里，我們可以看出Suzuki先生作為空壓機NV方面的一名工程師非常自豪。如果空壓機外殼的尺寸或形狀改變了，將會影響空壓機在燃料電池汽車中的布局。在給定或約束條件下找到一個合適的解決方案才是一次真正的開發，當然也是一個挑戰。

3. 消除噪聲(Removing Sound with Barriers)

Suzuki團隊嘗試了另外的方法來降低噪聲和振動-進排氣系統中阻尼聲音(dampening sound in the intake and exhaust systems)。空壓機的工作過程為從大氣中攝入空氣，壓縮，并且提供給燃料電池。空氣脈沖(pulsation of air)會給管道帶來沖擊進而振動有噪聲，這的確是個問題。

“首先，在進氣系統中，我們嘗試在進氣口法蘭處(intake flange)放置一個障礙物，目的是為了將空氣流場分為兩部分(如上圖所示)。被障礙物一分為二的空氣在翻越障礙物后再次匯集，此時每部分空氣的脈沖(pulsation)就會大大降低甚至消失。 ”-Suzuki

豐田Mirai空壓機剖視圖

Q:排氣系統有哪些措施呢？

“在排氣系統中，我們采用了類似的做法。我們在排氣管道中放置了一個稱為熱壁(thermal wall)的障礙物來降低脈沖。之前提到的中冷器和圓筒中的振動阻尼金屬片也起到了降低排氣噪聲的作用。我們也給豐田公司(Toyota Motor Corporation)提出了意見，建議他們安裝消音器。他們已經在豐田集團(Toyota Group)的幫助下降低了噪聲和振動。”-Suzuki

4. 創造未來音(Create a Futuristic Sound)

另外一種降低噪音的方法就是調音(tuning the sound)。到目前為止，豐田自動織機都致力于降低噪音和振動，但豐田汽車公司(Motor Motor Corporation)不僅僅只是為了開發一輛安靜的燃料電池汽車。豐田汽車公司想給駕駛員傳達一種加速的蜂鳴信號聲(當他們踩下加速踏板時)，同時該聲音不能太刺耳(abstract)。

“當然，聲音悅耳或刺耳完全由個人主觀判斷。但‘ZZZ’這樣的聲音明顯缺乏清晰度，絕不是一個好的選擇。我們想呈現一個清澈的聲音，一個隨著車速增加質感增加的聲音。因為Mirai意味著未來，我們想創造一個未來之音。 ”-Suzuki

和豐田汽車公司(Toyota Motor Corporation)一道，豐田自動紡織致力于創造一種聲音，這種聲音既講究音量和音域元素，又注重感覺和激情。

“減緩轉軸晃動就是一個創造未來之音的有效方法。晃動產生了一個中音，消除中音的同時又產生了一個線性的聲音(measures taken to reduce this have left a fairly linear sound)。其他降低噪音和振動的方法包括調音，絕非僅僅降低噪聲和振動。我們發現很難只留下悅耳的聲音。 ”-Suzuki

Mirai空壓機轉子模型(豐田自動織機官網)

降低空壓機的噪聲和振動已經非常困難了，同時還要產生一個悅耳的聲音，何其困難。

5. 積極開拓(Aggressive Development)

Q:在為降低空壓機振動與噪聲的所做努力的過程中，Suzuki先生又有哪些感觸呢？從中他們又學到了哪些呢？

“降低噪聲和振動工作背后有著諸多方面工作。這個過程充滿挫折，但是每個失敗都給我們帶來一個全新的突破。讓我們感到沮喪的是，每次失敗我們只能對空壓機再進行臺架測試。因此，我們要求豐田汽車公司進行Mirai車用在線評估，這一點很重要。實際上，每次我們嘗試新的東西，我們都想著能夠在燃料電池汽車上實際測試，但是在有些時候，我們無法控制某些情況。然而，我們進行了超過20次實際Mirai燃料電池汽車的車用噪聲測試，包括在低溫工況下測試噪音。 ”-Suzuki

開發產品之路坎坷不斷。因一次失敗而放棄，則前功盡棄。當然，如果思路不正確，也不會成功。但是,Suzuki先生從不退縮-“我們可以在下一階段的開發中好好反思和利用我們的失敗，只要我們不放棄，我們就會成功。”。正是這種艱難的發展過程才慢慢走向成功。

“ 開發Mirai燃料電池汽車六葉螺旋羅茨式空壓機的經歷告訴了我從實際車用角度出發開發產品的重要性 。為了避免懈怠和出錯，了解客戶需求才是最重要的，而不是坐在椅子上等著客戶來找你。關于這點，我們做了很多，的確困難重重。但我覺得我們如何完成所做的事情，并開發出能讓客戶滿意的產品更重要 ”-Suzuki

圖文來源

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