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内燃机的热效率一般为柴油机为30%~45%，汽油机为20%~30%，有55%~65%左右的能量以冷却水余热和排气余热等形式排入大气中，造成能源浪费的同时对环境产生了严重污染。如果可以有效的回收这部分能量，在不增加燃油消耗的基础上可以提高内燃机的输出功率。内燃机余热具有多品位的特点，EGR（废气再循环）余热为高品位余热（500℃以上），排气余热为中品位余热（200℃-500℃），冷却水和增压空气余热为低品位余热（200℃以下），各部分余热之间温差较大。采用传统的有机朗肯循环回收多品位余热存在高低品位余热相互制约、无法充分回收的问题，基于此，本文提出了用于内燃机多品位余热回收的有机朗肯联合循环系统，可以实现多品位余热的综合高效利用，高低温级均采用超临界循环可以有效地降低系统不可逆损失。本文以某直列6缸4冲程柴油机为研究对象，针对实验获得的内燃机余热参数等，采用热力学第一定律和热力学第二定律模型，建立了系统的仿真模型并进行分析计算。在初步建立的系统模型基础上进行了系统的优化，得到最佳的系统布置方案；在一定的选择标准之下，对高低温级超临界循环工质进行了筛选，分析了高低温级工作压力（蒸发与冷凝）等参数对使用不同工质的余热回收系统总效率的影响规律，得出高温级工质的比较结果：苯>环己烷>甲苯>硅氧烷MM>正癸烷>正十二烷，以及低温级工质的比较结果：R32>R143a>R125>R218。通过理论分析，当高温级选择苯作工质，高温级蒸发压力为6MPa，冷凝压力为0.2MPa，低温级选择R32为工质，蒸发压力为6.2MPa，冷凝温度为35℃时，循环净功可以达到40.08kW，热效率为11.57%，总火用损为4.157kW，火用效率为90.6%，发动机效率在原机效率40%的基础上提高到46.7%。本文建立了内燃机多品位余热回收的超临界有机朗肯联合循环，并进行了性能分析，提出进一步改进方向，为今后多品位余热回收系统的实验研究和应用打下了理论基础。研究表明，采用该联合循环回收利用内燃机余热能是一种行之有效的方法，能实现内燃机的节能。