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導(dǎo)讀：假如燃料電瓶堆是燃料電瓶動(dòng)力系統(tǒng)的“大腎臟”，這么空壓機(jī)就是強(qiáng)勁的“肺”，燃料電瓶系統(tǒng)的高性能輸出須要強(qiáng)悍的“心-肺功能”?？梢赃@樣形容，目前空壓機(jī)是國(guó)外不僅燃料電瓶堆以外最為核心的關(guān)鍵零部件。燃料電瓶空壓機(jī)可分為離心式、羅茨式、螺桿式、渦旋式、活塞式和滑片式等。本推送幫助讀者從動(dòng)圖直觀理解燃料電瓶用各種空壓機(jī)結(jié)構(gòu)。
主要燃料電瓶車(chē)輛廠商空壓機(jī)類(lèi)型對(duì)比
全球各大燃料電瓶車(chē)輛生產(chǎn)商為空氣供應(yīng)系統(tǒng)選擇的空壓機(jī)類(lèi)型也不盡相同。諸如福特2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料電瓶車(chē)輛搭載了渦旋式空壓機(jī)，Mirai燃料電瓶車(chē)輛搭載六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。豐田公司燃料電瓶車(chē)輛用兩級(jí)電動(dòng)離心式空壓機(jī)代替了螺桿式空壓機(jī)。戴姆勒旗下最新GLCF-Cell燃料電瓶車(chē)輛采用離心式空壓機(jī)，而在前幾代中，A-class采取螺桿式空壓機(jī)和膨脹機(jī)結(jié)合的方式，B-Class和F-Class采用螺桿式空壓機(jī)。
各種空壓機(jī)對(duì)比
盡管燃料電瓶用空壓機(jī)的設(shè)計(jì)方式與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)增壓器相像，但二者在使用環(huán)境、工作范圍和要求上有著較大差距。燃料電瓶用空壓機(jī)須要滿(mǎn)足無(wú)油、低噪音、低成本、小型化、工作范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特性。某種程度上，燃料電瓶用空壓機(jī)代表了空氣壓縮機(jī)行業(yè)的最高水平，涉及到空氣動(dòng)熱學(xué)、傳熱學(xué)、流體熱學(xué)、機(jī)械、電子、材料、電控和NVH等諸多學(xué)科。上表為幾種燃料電瓶用空壓機(jī)的簡(jiǎn)單對(duì)比。可以發(fā)覺(jué)，各型空壓機(jī)均有其特有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，離心式空壓機(jī)綜合評(píng)分最高。下邊將從離心式空壓機(jī)開(kāi)始，依次從動(dòng)圖出發(fā)介紹各型空壓機(jī)。
1.離心式空壓機(jī)
離心式空壓機(jī)在功率密度、效率和噪音等方面具有最好的總體療效，被視為未來(lái)最有前途的空氣壓縮方法之一。主要工作原理為通過(guò)軸套對(duì)二氧化碳做功，在軸套和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)，借助離心升壓作用和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為二氧化碳的壓力能。拒相關(guān)資料顯示，從目前國(guó)外外燃料電瓶空壓機(jī)的開(kāi)發(fā)方向來(lái)看，離心式空壓機(jī)將是今后的主流方向。目前內(nèi)燃機(jī)做功傳熱圖片，豐田公司旗下和現(xiàn)代公司旗下ix35燃料電瓶車(chē)輛使用的正是離心式空壓機(jī)。注意，豐田公司旗下燃料電瓶車(chē)輛采用的是兩級(jí)電動(dòng)增壓形式。
離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一
離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二
離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖三
離心式空壓機(jī)軸套
豐田燃料電瓶?jī)杉?jí)電動(dòng)增壓
離心空壓機(jī)也有一些缺點(diǎn)，例如不適宜二氧化碳流量太小及壓比過(guò)低的場(chǎng)合，工作區(qū)較窄，經(jīng)濟(jì)性較差，效率較低等。如右圖所示，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配空壓機(jī)常常工作在中等流量范圍，工作范圍較大；燃料電瓶用空壓機(jī)工作范圍窄且緊靠喘振邊界。據(jù)相關(guān)資料顯示，離心式空壓機(jī)與渦輪機(jī)的搭配可能成為燃料電瓶用空壓機(jī)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，例如博格華納()開(kāi)發(fā)的FCAS渦輪增壓空壓機(jī)。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與燃料電瓶用空壓機(jī)工作范圍對(duì)比
博格華納渦輪增壓空壓機(jī)
2.螺桿式空壓機(jī)
螺桿式空壓機(jī)可分為單螺桿式和雙螺桿式。螺桿式空壓機(jī)在氣缸內(nèi)裝有一對(duì)相互漸開(kāi)線的螺旋形陰陽(yáng)定子，兩定子都有幾個(gè)凹形齒，二者相互反向旋轉(zhuǎn)。主定子又稱(chēng)陽(yáng)定子或凸定子，通過(guò)底盤(pán)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一定子稱(chēng)陰定子或凹定子，由主定子端和凹定子端的同步蝸桿驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)過(guò)程中理論上沒(méi)有金屬接觸。通用車(chē)輛和戴姆勒旗下燃料電瓶車(chē)輛層搭載過(guò)螺桿式空壓機(jī)。
單螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖
雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一
雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二
雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖三
注意內(nèi)燃機(jī)做功傳熱圖片，戴姆勒旗下燃料電瓶車(chē)輛GLCF-CELL早已用電動(dòng)增壓器(離心式)代替了傳統(tǒng)的螺桿式壓縮機(jī)。
3.羅茨式空壓機(jī)
羅茨式空壓機(jī)屬于體積回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，這些壓縮機(jī)靠定子軸端的同步蝸桿使兩定子保持漸開(kāi)線。定子上每一凸出的曲面部份與汽缸內(nèi)壁組成工作體積，在定子回轉(zhuǎn)過(guò)程找那種從吸氣口帶走二氧化碳，當(dāng)移到排氣口附件與排氣口相連通的瞬時(shí)間，因有較高壓力的二氧化碳回流，此時(shí)工作體積中的壓力忽然下降，之后將二氧化碳輸送到排氣通道。兩定子互不接觸，靠嚴(yán)密控制的間隙實(shí)現(xiàn)密封，故排出的二氧化碳不受潤(rùn)滑油污染。
羅茨式空壓機(jī)軸套形狀
羅茨式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一
羅茨式空壓機(jī)工作原理分解
羅茨式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二
福特公司旗下Mirai燃料電瓶車(chē)輛搭載了全新開(kāi)發(fā)的六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。與傳統(tǒng)羅茨式空壓機(jī)中軸套與軸向平行不同，福特紡織開(kāi)發(fā)的羅茨式空壓機(jī)，軸套呈現(xiàn)螺旋形狀。上汽集團(tuán)開(kāi)發(fā)的燃料電瓶車(chē)輛也層搭載過(guò)羅茨式空壓機(jī)。羅茨式空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要有：怠速較低，毋須使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承；高效運(yùn)行區(qū)較寬；技術(shù)相對(duì)成熟。
Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)
4.渦旋式空壓機(jī)
渦旋式空壓機(jī)由一個(gè)固定的嚙合渦旋盤(pán)和一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的嚙合運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)組成的可壓縮體積壓縮機(jī)，由兩個(gè)雙函數(shù)多項(xiàng)式型線的動(dòng)、靜渦盤(pán)互相咬合而成。在吸氣、壓縮、排氣工作過(guò)程中，靜盤(pán)固定在機(jī)架上，動(dòng)盤(pán)由偏心軸驅(qū)動(dòng)并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)阻礙，圍繞靜盤(pán)基圓中心，作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動(dòng)。二氧化碳通過(guò)空氣濾芯吸入靜盤(pán)的外圍，隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)，二氧化碳在動(dòng)靜盤(pán)噬合所組成的若干個(gè)月牙形壓縮腔內(nèi)被逐漸壓縮，之后由靜盤(pán)中心部件的軸向孔連續(xù)排出。
渦旋式空壓機(jī)定子
渦旋式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一
渦旋式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二
本田公司在2002版FCHV和2008版FCHV-adv燃料電瓶車(chē)輛上均曾搭載了渦旋式空壓機(jī)。
5.往復(fù)式空壓機(jī)
往復(fù)式空壓機(jī)通過(guò)汽缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使質(zhì)心體積周期變化并實(shí)現(xiàn)二氧化碳增壓和輸送，屬于體積型空壓機(jī)。按照往復(fù)運(yùn)動(dòng)的預(yù)制構(gòu)件分為活塞式和隔膜式空壓機(jī)。
活塞式空壓機(jī)動(dòng)態(tài)圖一
優(yōu)點(diǎn)：1.熱效率高、單位耗電量少；2.加工便捷，對(duì)材料要求低，造價(jià)低廉；3.裝置簡(jiǎn)單；4.設(shè)計(jì)、生產(chǎn)早，制造技術(shù)成熟；5.應(yīng)用范圍廣。
缺點(diǎn)：1.運(yùn)動(dòng)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修工作量大；2.怠速受限制；3.活塞環(huán)的銹蝕、氣缸的銹蝕、皮帶的傳動(dòng)形式使效率下滑很快；4.噪聲大；5.控制系統(tǒng)的落后，不適應(yīng)連鎖控制和無(wú)人值守的須要。
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