车用发动机消耗了大量的石油资源、造成了严重的环境污染,提高车用发动机燃油利用效率是目前备受关注的研究问题之一。基于发动机的能量平衡,相当比例的燃油燃烧总热量通过冷却介质及排气被排放到大气中(称为余热能)。因此,对发动机的余热能进行回收利用可以提高发动机的燃油利用效率,实现节能减排的目的。本文利用有机朗肯循环系统回收发动机的排气能量,进而转化为有用功。通过理论计算、数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了车用发动机变工况下,不同形式有机朗肯循环系统的运行特性,探讨了混合工质及系统运行参数对车用发动机—有机朗肯循环联合系统(简称:联合系统)运行性能的影响,分析了加装有机朗肯循环系统后,发动机运行性能的变化情况,讨论了基于单螺杆膨胀机的有机朗肯循环系统适用条件及其在车用发动机余热回收方面的运行性能,利用粒子群算法对联合系统进行了多目标多参数优化,改进联合系统实验台架,并进行了初步实验。通过理论计算,分析了变工况下车用发动机—简单有机朗肯循环联合系统和车用发动机—带回热器有机朗肯循环联合系统的运行性能,利用Aspen Plus软件研究了基于发动机某工况点简单有机朗肯循环、带回热器有机朗肯循环和双有机朗肯循环系统的运行性能。研究表明,针对额定功率为280kW的某款发动机,通过对发动机余热能的回收利用,简单有机朗肯循环、带回热器有机朗肯循环和双有机朗肯循环分别可输出净功率30.76kW、36.90kW和43.70kW,虽然双有机朗肯循环系统的净输出功率最大,但其热效率较低、结构复杂,综合考虑,带回热器有机朗肯循环系统更适用于车用发动机。在本文中,考虑到安装空间的限制,只对简单有机朗肯循环系统进行了实验研究。通过理论计算,研究了纯工质、共沸混合工质和非共沸混合工质的有机朗肯循环系统的运行性能,基于简单有机朗肯循环系统和带回热器有机朗肯循环系统,着重研究了非共沸混合工质对联合系统运行性能的影响情况。研究表明,针对额定功率为280kW的某款发动机,非共沸混合工质R416A的联合系统的运行性能最优,其最大净输出功率、热效率、?效率及余热回收效率分别可达34.38kW、12.63%、38.23%和11.74%。基于简单有机朗肯循环和带回热器有机朗肯循环,利用粒子群算法对联合系统进行了多目标多参数优化,以有机朗肯循环系统的净输出功率和?效率为优化目标,同时优化车用发动机变工况下有机朗肯循环系统的蒸发压力、过热度和膨胀比等参数。研究表明,当发动机处于不同运行工况时,最优运行参数的数值不同;当采用不同形式的有机朗肯循环系统时,最优运行参数的数值也会不同。通过实验研究,分析了某款单螺杆膨胀机的运行性能,基于变工况下发动机和单螺杆膨胀机的运行性能,研究了车用发动机—有机朗肯循环联合系统的运行性能,分析了单螺杆膨胀机有机朗肯循环系统的适用条件。研究表明,采用此单螺杆膨胀机作为动力输出装置,有机朗肯循环系统可回收能量介于100kW-750kW之间的高温热源的热能;针对额定功率为280kW的某款发动机,车用发动机—有机朗肯循环联合系统的总输出功率最大可达310.6kW,相对于发动机的最大输出功率提高了10.92%。开展了数值模拟研究工作,利用GT-Power软件搭建发动机仿真模型,分析发动机的运行性能;利用Fluent软件搭建蒸发器仿真模型,分析发动机排气在蒸发器中的流动和传热过程,研究蒸发器对发动机运行性能的影响。研究表明,加装有机朗肯循环系统后,蒸发器将影响发动机的运行性能,但影响程度较小。在车用发动机—有机朗肯循环联合系统实验研究方面,对有机朗肯循环的冷却系统、工质泵和蒸发器进行了改进,并进行了初步实验。通过对实验系统的改进,有机朗肯循环系统的冷凝温度、冷凝压力、蒸发温度、有机工质体积流量等参数均有明显改善,为开展下一步的实验研究工作打下了良好的基础。