基于有机朗肯循环的液力缓速器余热回收系统研究

液力缓速器利用液体阻尼产生缓速作用,将汽车行驶时的惯性能量转化为传动油的热能,是一种重要的商用车辅助制动装置。其水冷系统将液力缓速器缓速作用产生的热未经利用直接排出车外,能量浪费大,而且冷却系统还需额外消耗发动机功率以维持其正常运行。本研究应用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)余热回收系统替代液力缓速器冷却系统,可以在控制液力缓速器油液温度的同时回收传动油液余热,将回收的能量给系统耗能部件供能,降低整车能量消耗。本文从液力缓速器余热回收系统方案设计、工质选择、ORC余热回收系统对液力缓速器的控温、ORC余热回收系统能量分析等几个方面展开理论研究,基于理论研究搭建了原理性样机试验台架,验证余热回收系统控温的可行性以及仿真模型的有效性。针对液力缓速器的控温要求,本文提出了定蒸发压力和变蒸发压力两种控温方案,建立了液力缓速器生热模型和有机朗肯循环热力学模型以及蒸发器传热模型。通过匹配计算得出蒸发器的换热面积为18m~2,变蒸发压力控温方案油液在缓速器入口的控温值为85℃。采用定蒸发压力方案,液力缓速器传动油液的温度变化范围为72.68~119.05℃,采用变蒸发压力方案,传动油液在缓速器入口的油温稳定控制在85℃,缓速器出口的油温也低于120℃。基于ORC余热回收模型和系统耗能模型,得到两种控温方案下,系统余热回收特性和耗能特性,将系统输出功率和消耗功率对比分析,得出系统在液力缓速器所有工况均能满足能量“自给自足”且有盈余。分别从控温效果、余热回收量和参数调节方式三个方面综合评价这两种控温方案,确定最佳的控温方案为变蒸发压力方案。搭建了液力缓速器余热回收系统原理性样机试验台架,进行初步试验,试验结果表明:采用变蒸发压力控温方案,油液温度可以稳定控制在85℃左右,论证了该方案的可行性。将试验结果和仿真结果对比,分析了二者间存在偏差的原因,验证了仿真模型的有效性。