基于朗肯循环的汽车液力缓速器热管理研究

液力缓速器工作时,将机械能转化为工作油液的内能。传统的液力缓速器热管理方案,采用发动机冷却系统对缓速器工作油液温度进行管理。由于发动机冷却系统冷却能力的限制,以致液力缓速器工作油液热功率不能过高,使得液力缓速器力矩性能的发挥受到影响。从余热回收的角度,液力缓速器的工作油液换热量最高可达500kW,具有一定的回收潜力。朗肯循环系统,采用相变传热,相对单相传热,具有更好的传热效率;同时,通过控制朗肯循环系统的运行,可实现热源温度的控制;而且,作为一种针对中低温热源的高效余热利用技术,具有热效率高、运行成本低和经济效益显著等特点。基于此,本文提出了一种新型的基于朗肯循环技术的汽车液力缓速器热管理方案,其区别于传统液力缓速器热管理方案中的发动机水冷却,采用朗肯循环技术对液力缓速器工作油液进行热管理,通过控制朗肯循环系统的运行实现温度更准确地控制。同时,在不影响液力缓速器基本制动性能的前提下,回收利用缓速器工作时的油液余热,实现节能的目的。本文主要研究工作如下:从缓速器工作油液余热的产生机理和缓速器的热平衡方程出发,分析了工作油液温度的主要影响因素。基于缓速器工作油液的粘度-温度与密度-温度特性,采用CFD(计算流体动力学)数值模拟的方法,研究了液力缓速器制动力矩随工作油液温度的变化规律,得到了制动力矩趋于稳定时的油液温度值。分别从液力缓速器工作油液余热数量和品质的角度,结合?分析法,分析了缓速器典型工况下油液的余热量与工作液温度变化。针对叶片倾角和定轮上油液进出口的结构布置方式,选择四种不同的叶片前倾角、重新均匀布置油液进出口结构,分别分析了两者的变化对液力缓速器制动力矩的影响。提出了液力缓速器-朗肯循环热管理系统方案,建立了系统的热力学模型,并对系统朗肯循环用工质进行了选择。根据不同工质的环保性能、干湿性、可燃性、适宜温度范围和热物理特性等因素,筛选出R123、R11、R245ca、R245fa、R141b和R365mfc六种初选工质。选择液力缓速器的典型热源工况和极限热源工况,综合考虑各工质系统的工况适应性、系统热力学性能、系统设备热力学完善程度和设备尺寸,对不同工质系统的高效率区覆盖面积、膨胀比覆盖面积、热效率、?效率、工质流量和蒸发器换热面积等性能指标进行比较分析,最终筛选得出朗肯循环系统的最佳工质。朗肯循环工作参数对系统性能有重要影响,分析了蒸发压力、冷凝温度、蒸发器夹点温差和过热度的改变对系统的影响。液力缓速器朗肯循环热管理系统中,需要对朗肯循环子系统进行控制,使工作油液达到合适的目标温度,以满足液力缓速器制动性能的要求。为此,提出了两种温度控制方法,即定蒸发器出口传动液温度控制和变蒸发器出口传动液温度控制。分别对两种温度控制方法进行研究,最后,从温度控制效果、参数调节方式和对系统的影响三方面对两种温度控制方法进行比较后发现,通过设定合适的工作参数,两种温度控制方式均可实现目标温度的控制,且后者控制方式更简单、热效率更高,但需避免工作液温度过高从而影响其润滑和密封性能。搭建了液力缓速器性能实验台架,通过测试缓速器部分力矩和工作液温度特性验证了本文CFD数值模拟的正确性。同时,通过合理的方案设计与部件选型,采用恒温油槽模拟液力缓速器热源工况,搭建了液力缓速器-朗肯循环热管理系统样机实验台架。通过实验验证了本文温度控制模型的正确性。同时,实验分析了热源流量变化的影响。最后,通过对膨胀机进行测试,研究了其负载力矩特性、负载与蒸发压力的关系,以及负载对热管理系统的影响。