重载柴油机作为石油的主要消耗源之一,其整体能效提升对国家层面的节能减排意义重大。在各种柴油机节能技术中,基于有机朗肯循环的余热回收技术因其能够较好的兼顾实用性和有效性而备受关注。重载卡车柴油机主要余热源,包括烟气和缸套水,具有余热“质”差异明显,但余热“量”相当的特性。基本有机朗肯循环与这一余热特性并不匹配,因此无法实现对柴油机余热的高效利用。本文开展了有机朗肯循环匹配方法研究,通过对循环结构和循环工质的设计,实现了有机朗肯循环对柴油机余热“质”和“量”的高效协同利用。利用窄点分析法,将重载柴油机主要余热源整合成为复合余热源,绘制在温度-热流量（t-q）图中,通过与复合余热源和外界冷源实现最佳热匹配定义理想吸热过程和理想放热过程,构建了余热回收的理想热力学循环。基于理想热力学循环,给出了循环完善度的概念,以反映实际循环与理想循环的偏离程度,用于指导有机朗肯循环结构设计;从余热利用率和循环热效率两个角度,提出了理想工质物性特征,用于指导有机朗肯循环工质设计。基于循环完善度的概念,提出了有机朗肯循环结构设计方法。该方法借助温度-热流量（t-q）图,通过分析实际循环结构与外界冷热源的热匹配性不足,有针对性的提出循环结构改进方案。使用此方法,以预热有机朗肯循环为基本循环（循环完善度47.4%）,提出了一系列循环结构设计方案,最终构建出循环完善度高达72.7%的双压式有机朗肯循环和适合于移动内燃机余热回收的回热有机朗肯循环（循环完善度57.0%）。利用理想工质物性特征C1（表征余热利用率）和C2（表征循环热效率）,主动筛选出了匹配柴油机余热特性的三组工质,即余热利用率最高的CO2工质,循环热效率最高的烷烃类工质,以及制冷剂工质。为了综合评价工质,构建了以热力学第一定律,热力学第二定律和部件尺寸及经济性评价为基础的综合评价模型。评价结果表明:环己烷净输出功和（火用）效率最高,CO2次之,R245fa性能最差;CO2在膨胀机和换热器上小型化潜力最为明显;烷烃类工质面临的主要应用挑战是由于工质易燃带来的安全风险;而CO2由于临界温度低,常温冷源下冷凝困难。基于工质综合评价结果,以优势互补的思路提出了柴油机余热回收系统混合工质技术方案:CO2+制冷剂工质和CO2+烷烃类工质。利用综合评价模型,优化确定了CO2/R134a与CO2/丙烷作为两种技术方案的代表。对比分析结果表明:CO2/R134a混合工质在有限牺牲CO2对多品位余热高效利用的情况下,具有较高的循环热效率,从而实现性能提升。具体而言,CO2/R134a混合工质较纯CO2在净输出功、循环热效率、（火用）效率上均有所提升,同时降低了系统对冷源温度的要求,但CO2/R134a混合工质系统总换热面积比纯CO2系统多56%～63%。基于CO2混合工质理论分析结果,选择了CO2/R134a混合工质作为实验研究对象用于重载卡车柴油机余热回收,重点分析混合工质配比对系统运行参数,换热器性能以及系统性能的影响。选取了R134a质量分数分别为15%,30%,40%和60%的4种混合工质。实验结果表明,随着R134a质量分数的增加,CO2/R134a混合工质系统净输出功,循环热效率和（火用）效率均呈现先升高后下降的趋势,CO2/R134a（0.6/0.4）与CO2/R134a（0.7/0.3）的性能最为优异。综合考虑系统性能和系统冷凝温度的提升潜力,选择了CO2/R134a（0.6/0.4）混合工质与纯CO2进行实验对比研究及常温冷源条件下可行性研究。对比实验结果表明:相比纯CO2,CO2/R134a（0.6/0.4）混合工质在净输出功,循环热效率和（火用）效率上均获得明显提升;可行性实验表明,CO2/R134a（0.6/0.4）混合工质朗肯循环系统能够在常温冷源条件下安全稳定运行,证实了CO2/R134a混合工质可以有效的拓宽系统冷凝温度范围,放宽系统对于冷源温度的要求。利用本文设计的“回热循环结构+CO2/R134a（0.6/0.4）混合工质”有机朗肯循环余热回收系统方案,目标柴油机热效率有望从41.1%提高到44.3%,燃油消耗率可由205.8g/k Wh降低到190.7g/k Wh。