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基于内燃机能量平衡,燃料燃烧总能量中有三分之一左右通过尾气排放到大气中,这不仅浪费了大量的石油资源,还造成了严重的环境污染。因此,将内燃机尾气的余热能高效转化再利用是解决上述问题的有效途径。利用有机朗肯循环系统回收内燃机排气能量,可以达到提高燃油利用率的目的。本文通过理论计算、数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了变工况下固定式内燃机余热利用系统的运行性能,构建了车用内燃机-有机朗肯循环联合系统(简称车用内燃机-ORC联合系统)集成仿真模型,研究了车用内燃机-ORC联合系统的运行模式及控制策略,利用遗传算法对车用内燃机-ORC联合系统进行了性能优化,搭建了有机朗肯循环系统关键部件实验测试平台,并进行了初步的实验研究。针对固定式内燃机的排气余热特性,分别采用理论计算和数值模拟,研究了固定式内燃机-带回热器有机朗肯循环联合系统及固定式内燃机-简单有机朗肯循环联合系统的运行性能。研究表明,当蒸发压力为3MPa,固定式内燃机-带回热器有机朗肯循环联合系统热效率较原固定式内燃机提高5.0%;当蒸发压力为2.9MPa,固定式内燃机-简单有机朗肯循环联合系统热效率较原固定式内燃机同样提高5.0%。而简单有机朗肯循环系统部件数量相对较少,因此该系统在车用内燃机余热回收技术中具有较大优势。这为针对车用内燃机排气余热回收系统的理论和数值模拟研究奠定基础。利用GT-Suite软件分别搭建了车用内燃机与有机朗肯循环系统仿真模型,研究了蒸发压力、冷凝压力及相应的压力损失、窄点温差和有机工质质量流量等运行参数对有机朗肯循环系统运行性能的影响。研究表明,冷凝器工质侧的压降对膨胀机输出功率的影响要比蒸发器工质侧压降的影响大;随着蒸发压力和有机工质质量流量的增加,窄点温差最大变化了24.8K。根据上述研究结果,进而构建了车用内燃机-ORC联合系统集成仿真模型。针对车用内燃机-ORC联合系统集成仿真模型,提出了一种适用于该联合系统运行模式的判别方法。进而根据实验设计分析结果,确定了联合系统运行模式。当车用内燃机-ORC联合系统处于运行区间时,采用基于模型的虚拟标定方法获得运行区间最佳关键运行参数的变化规律。研究表明,在内燃机低负荷区域,最优工质泵转速均约为1000r/min;当内燃机转速大于1800r/min时,最优工质泵转速随内燃机负荷的增加而增加。在所选内燃机工况范围内,最优膨胀机转速均为1500r/min。此外,基于GT-Suite和Matlab/simulink耦合,提出了车用内燃机-ORC联合系统双开环和单闭环控制策略。基于车用内燃机-ORC联合系统集成仿真模型,利用遗传算法对联合系统的运行参数进行优化计算。以联合系统输出功率最大为优化目标,同时优化车用内燃机喷油正时、工质泵转速和膨胀机转速。研究结果表明,当车用内燃机处于不同运行工况时,最优运行参数的数值不同。当内燃机运行在额定工况时,优化后的车用内燃机-ORC联合系统热效率较原内燃机热效率提高了3.89%;优化后的车用内燃机-ORC联合系统BSFC较原内燃机降低了10.09g/(kW·h)。针对有机朗肯循环中的关键部件,分别搭建了自由活塞膨胀机-直线发电机集成系统压缩空气实验平台和多级离心泵性能测试实验系统,并进行了初步实验研究。该研究对今后车用内燃机-ORC联合系统实验台架的改进及仿真模型的校验具有重要意义。