当前汽车行业的快速发展使石油能源的消耗日益增加,但传统车用内燃机能量转化效率有限,部分能量通过热量的形式散失到环境中。对发动机余热能量的回收利用,可实现车辆节能减排的目标。本文针对一款商用卡车重型柴油机,对有机朗肯循环余热回收技术展开研究。提出余热回收与空调制冷复合循环系统,探讨不同循环方式的性能。自主构建有机朗肯循环实验室原型系统,以活塞式膨胀机作为动力输出装置,验证系统可行性并评价不同运行参数下系统工作状态和能量回收效果。为进一步研究系统内部工作过程,本文通过试验与仿真相结合的方法,讨论工质状态参数对核心部件性能的影响规律,分析系统参数间的关联性。面向实车应用场景,对系统部件和循环方式进行优化设计,并探究不同工况尾气能量下的系统表现和节油能力,明确系统关键因素和控制策略。主要研究工作和结论如下:(1)以重型商用卡车柴油机高温尾气作为余热回收系统热源,对其万有特性进行测量,分析不同发动机工况时尾气温度、尾气流量和尾气组分的变化情况。试验结果表明,尾气能量占燃料总能量的26.1%到48.1%,最高达到了244.3k W,回收潜力较大,但变化强烈。(2)提出了余热回收与空调制冷复合循环系统,同时实现余热回收与空调制冷功能,可在独立空调制冷模式、独立有机朗肯循环余热回收模式和复合循环模式间进行切换。利用Aspen Plus软件研究了不同工质的亚临界循环与超临界循环、复合循环系统与独立系统性能。研究表明,蒸发压力的增加可提高输出功率,但超临界循环的蒸发器需要更大换热面积。选取相同工质R134a与R1234yf时,复合系统相较于独立系统可有效减小总换热面积并提升做功能力,但采用R245fa循环工质时系统输出功率更高。(3)自主搭建了尾气余热利用有机朗肯循环实验室原型系统,由板式蒸发器、翅片式冷凝器、柱塞式工质泵、径向活塞式膨胀机、相关附件与各种测试设备组成,选定R245fa作为系统循环工质。试验中系统运行良好并持续输出功率。利用试验平台对比分析了不同运行参数对系统做功能力的影响,其中工质泵转速是系统性能的关键运行参数之一,适当的泵转速可使系统性能达到最佳。当尾气能量增加时,膨胀机最大功率点对应的泵转速随之上升,同时膨胀机做功能力相应提高,最大可达到279W。在测试工况内,适中的工质初始加注量可使系统获得最高膨胀机输出功率。基于热力学第一定律与第二定律分析可知,系统输出功率的热效率与?效率最大分别可达到2.02%和10.5%,其中绝大部分能量损失是由蒸发器与冷凝器造成的,膨胀机与工质泵损失能量的品质较高,因此其占系统总?损的比例明显升高。(4)建立有机朗肯循环系统各部件GT-SUITE一维仿真模型,采用试验与仿真相结合的方法,深入研究了工质状态参数对部件性能的影响特性。对于膨胀机,工质温度对单位工质实际做功能力影响显著,在测试范围内的最高温度点可得到最大值6.03k J/kg,而工质压力的增加致使膨胀机摩擦扭矩从2.44Nm提高到6.38Nm,机械效率随之降低,限制了膨胀机功率输出。换热器中工质压力与换热量和工质量表现出较强关联性,同时换热器内的传热过程又与工质状态相互影响,因此通过迭代计算可更好反映实际换热过程。(5)基于有机朗肯循环性能和参数关联性,进一步面向实车应用开展关键部件优化研究,分析部件尺寸参数和工质状态对性能的提升效果。结果表明,工质流量是调整尾气能量回收率的有效手段,随着工质流量的增加,工质吸热量和系统压力持续升高。增加蒸发器换热面积可提高换热功率,但增速逐渐变慢且不利于系统小型化。在换热面积为6.9m2时,系统可对尾气可用能量中的92.7%进行回收。循环工质量是系统压力的敏感因素,而对工质吸热量影响不大。提出轴向七缸活塞式膨胀机方案,增加膨胀机的排量与膨胀比。膨胀机配气定时对膨胀状态影响显著,进气过晚和进气持续角过大会造成膨胀不完全,无法充分利用工质能量,反之则会出现过膨胀,导致排气负功增加;同时由于工质惯性对排气的影响,需保证一定排气提前角。利用缸内工质膨胀率可评价工质的膨胀效果,该值在80-90%范围时膨胀机性能更佳。工质状态参数中,流量和入口温度的增大均可提升膨胀机做功能力;适当增加入口压力有利于膨胀机提高输出功率,但压力过高会增加摩擦损失。(6)在系统性能优化的基础上,研究发动机ESC循环工况不同尾气能量下余热回收效果,明确系统最优工作参数随尾气能量的变化规律。基本有机朗肯循环可使发动机燃油消耗率下降3.2%。在尾气能量充足的C100工况,最大输出净功达到8.52k W,系统的能量损失主要由冷凝器散热导致,而最大的?损失是由蒸发器内尾气与工质的温差传热造成的。通过回热有机朗肯循环可提高余热回收效果,使发动机燃油消耗率下降幅度增至3.5%,并拓展尾气能量回收范围到B25工况。另外工质在蒸发器与回热器中的吸热量相互补充,可使系统性能对工质流量的敏感性降低。系统最优工作参数与发动机尾气能量具有良好的对应关系,随着尾气能量增加,工质流量应随之提高以保证工质吸热能力,同时由于系统易建立足够蒸发压力,因此循环工质量的需求相应减小。