内燃机作为主要动力装备，其节能减排对缓解能源和环境问题有重大意义。基于朗肯循环的内燃机余热回收技术被认为是提升内燃机总能效率的关键缸外技术手段之一，它通过回收内燃机余热并将其转化为有用功。当应用于重载卡车领域时，如何匹配重载卡车有限空间集成特性和复杂多变工况特性，是该技术应用所面临的两大挑战。本文以重载卡车内燃机为研究对象，开展了内燃机余热回收系统的设计与运行方面的研究。
　　面对重载卡车集成特性，余热回收系统部件尺寸受限，由此造成的换热器压降影响系统性能、换热器设计和工质选择。本文提出有限空间换热器压降改进的热经济性分析方法，即在热经济性分析时充分考虑换热器压降与系统性能的相互影响，实现换热器设计和运行参数优化的耦合。该方法有效避免了热经济性被高估、换热器设计和工质选择非最优的问题。此外，基于该方法对比了CO2跨临界动力循环系统(CO2TranscriticalPowerCycle，简称CTPC)和有机朗肯循环系统，发现CTPC系统对重载卡车集成特性的敏感程度要低于有机朗肯循环系统。
　　针对重载卡车工况特性，本文提出在设计阶段考虑复杂多变余热特性的内燃机余热回收系统全局设计方法，构建了从部件到系统、耦合设计工况和全工况运行性能、以生命周期内发电成本最小为设计目标的全历程优化设计模型。通过对典型内燃机的案例实施表明，考虑工况特性后，系统的最优经济性设计点由额定点工况变为部分负荷点工况。该设计点下余热回收系统不仅因部件更紧凑而具备更好的经济性，而且对热源波动具有较强鲁棒性。
　　针对所设计的CTPC系统，研究了其全工况运行性能，即其在内燃机面工况下的运行性能和在内燃机变工况时的运行性能。首先，构建了系统动态仿真模型，预测了系统在内燃机面工况下的最优净输出功。结果表明以部分负荷点工况设计的CTPC系统对内燃机的工况适应性高达78.28%。在内燃机面工况下，系统的最优净输出功存在一个饱和区和一个失效区，最优净输出功可通过调节工质流量和实际参与换热的排气流量来实现。
　　其次，通过开展动态响应试验研究了系统的变工况运行性能，并以动态特性来表征。不同循环结构系统的对比结果表明预回热循环CTPC系统具备最快的动态响应速度。不同运行参数的分析结果表明CTPC系统对内燃机工况波动的鲁棒性较强，在内燃机工况变化时仍然具备维持现有温度和压力、持续做功的能力，而当CTPC系统需要根据热源波动而对工质泵或膨胀阀作出相应调整时，CTPC系统又具备快速响应性。
　　最后，搭建了耦合内燃机余热回收系统的整车性能仿真平台，提出了面向瞬变余热特征的分模式运行策略，构建了顶层模式识别、底层PID控制的分层次-模块化控制结构。基于此，预测了整车联合系统道路工况下的运行性能，分析了整车联合系统性能改善方案。结果表明，预回热循环CTPC系统对整车节油潜力贡献最大，在排气利用率48.9%、缸套水利用率72.8%、工质泵和膨胀机等熵效率约50%的条件下，在重载卡车HHDDT道路工况下可使内燃机有效热效率相对提升2.3%。如提升工质泵和膨胀机等熵效率至70%，预回热循环CTPC系统的节油潜力将提升至4.2%。