由于能源问题和环境问题日益严峻,内燃机的节能减排有着越来越迫切的需求,同时由于汽车保有量的上升,应用于移动式内燃机的余热回收技术也引起了更多研究者的关注。然而在实际道路工况下,内燃机的工况变换频繁且剧烈,对余热回收系统的高效运行有很大的挑战,因此本研究针对行驶工况下的内燃机余热回收系统进行了设计和控制方面的实验以及模拟研究。变工况测试作为行驶工况研究的基础,可用于探究内燃机全工况和瞬态工况下余热回收系统的运行规律,并进一步指导控制器的设计。为了得到变工况下余热源和有机朗肯循环的特性,便于后续控制器的设计,搭建了针对重型柴油机的变工况余热回收性能测试平台。首先采用热平衡测试对目标柴油机的各项能流进行了分析,获得了柴油机面工况下各项能流的分布,并分析了排气性质在全工况下的变化情况。然后通过变工质测试对工质R245fa和R123的性能进行了对比,结果显示,R245fa工质在全工况下都有着相对更好的性能,可用于后续的模拟研究。接下来通过有机朗肯循环瞬态响应测试可知,冷凝压力在工况剧烈变化的情况下仍可以基本保持不变,为将来控制器中模型的简化工作提供了依据。最后通过控制参数实验得到结论,过热度对系统性能的影响不大,可以适当降低控制器设计的难度,而蒸发压力则应该在允许的范围内越大越好。在模拟工作进行之前,针对变工况测试结果和车上冷却能力有限的特点,本研究提出了采用单级回热有机朗肯循环的方式来提高循环效率,降低散热需求和不可逆损失。基于GT-Suite软件,探究了搭建瞬态柴油机模型和回热有机朗肯循环模型的方法,并通过实验结果验证了模型搭建方法的合理有效,精度也符合后续研究的要求。为了使余热回收系统通过最优控制在目标行驶工况下得到最佳性能(如最大净输出功等),需要首先对系统关键部件的尺寸进行优化设计。针对行驶工况下排气热源变化快范围广,系统非线性强,约束条件相互耦合的特点,采用了设计空间探索法来系统地解决有机朗肯循环系统设计过程中的难题,并得到了一套规范有效且适用范围广的设计方法。该方法的核心思想是通过定义并定位目标行驶工况的特征区域,进而找到适用工况范围与其最匹配的ORC系统,提高行驶工况与ORC系统的匹配度。通过设定三个目标空间(设计参数空间,系统输入空间和控制输入空间)并进行合理的简化,使得计算成本大大减少。在设定了目标行驶路况和目标内燃机后,通过设计空间探索法在设计参数空间中找到了性能最优的系统,使其通过可能的最优控制在所有的系统输入空间下得到最大净输出功,并保证了对应的控制参数在设定的控制输入空间中。其中在优化方法实施的过程中,通过Matlab调用GT-Suite模型并采用并行计算,可以在得到相同结果的情况下大大减少计算时间。针对上一章节得到的行驶工况下最优有机朗肯循环系统,提出了一套Mapbased反馈在环控制方法。首先采用粒子群优化算法得到有机朗肯循环系统在行驶工况范围内的最优控制参数图以及对应的状态参数图,然后利用分散PID控制耦合作用较弱的两对参数组成反馈环节,最后基于模型在环组成整个闭环系统。在这一章节中分别考察了基于control map的开环系统和加上PID反馈调节的闭环系统的控制效果。结果显示,由于基于map图的控制方法无法兼顾系统的瞬态特性,更无法根据当前的状态调整优化结果,因此对于ORC这种热惯性大的系统,两种控制方式均很难获得令人满意的效果。同时,由于控制器中既没有实时优化,又不能很好的施加约束条件,这也导致有机朗肯循环系统不能在满足约束条件的情况下实现最优性能。然后针对同样的场景设计了一套非线性模型预测反馈控制系统。首先采用模型降阶的方法将初始有机朗肯循环模型在不损失过度精度的前提下简化为了可用于控制的降阶模型,然后将滚动时域优化与粒子群优化算法结合构成非线性模型预测控制器,最后由非线性状态估计器构成最后的反馈环节。结果显示,模型预测反馈可以在兼顾非线性系统约束条件的情况下,充分利用所有的控制器,实现实时的优化控制,控制效果得到较大提升。但由于模型和估计器的误差,使得在某些工况下仍有可能出现不满足约束条件的情况,而且由于优化过程需要在计算成本和优化程度之间做取舍,因此也不能保证在该控制器下系统的运行状态能接近最优结果。