车用发动机燃料燃烧产生的总能量中大约有三分之一的能量没有得到有效利用,而是通过尾气被排放了到大气中,不仅加剧了环境问题,还造成能源的浪费。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统将发动机排气余热能高效转化为机械能或电能输出,从而有效提高发动机效率,在一定程度上缓解了环境污染和能源短缺问题。加装ORC系统的发动机从一个单一的动力能源装置拓展为相互耦合、相互影响的复杂能量系统,相比与对发动机和ORC系统分别进行仿真研究,对发动机与有机朗肯循环系统耦合的整体系统进行建模可以更准确地模拟整体系统和各子系统的工作状态。因此,本文针对变工况条件下发动机-有机朗肯循环联合系统(联合系统)进行了集成仿真模型的搭建和系统性能的优化研究。首先,基于GT-Suite软件建立了发动机-有机朗肯循环联合系统的集成仿真模型,对联合系统的关键参数进行敏感性分析,并针对车用发动机变工况条件探究了发动机关键参数与ORC系统关键参数间的协同变化规律。研究表明:发动机喷油正时的主效应水平最高,即对联合系统的净输出功率影响最显著,其次为发动机排气正时,最后为ORC系统膨胀机转速与ORC系统工质泵转速。后两者主效应水平相当,对联合系统净输出功率的影响较小。上述四参数协同作用时,联合系统净输出功率呈现先增大后减小的趋势。因此,在发动机变工况条件下,存在最优的参数范围可使得联合系统的输出性能达到最佳,有必要针对变工况条件对联合系统进行全局优化。为实现联合系统中发动机与ORC系统的协同工作,搭建了GT-Suit与Matlab/Simulink联合仿真优化模型,同时选取发动机关键参数(排气正时、喷油正时)、ORC系统关键参数(膨胀机转速、工质泵转速)为决策变量,利用粒子群算法对联合系统进行全局优化以提高联合系统在全负荷工况下的净输出功率、改善在部分负荷工况下的燃油经济性。优化结果表明:发动机全负荷工况下,联合系统的净输出功率和有效燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)均得到了改善,联合系统净输出功率最大可提升3.24%,BSFC最大可降低3.13%。发动机部分负荷工况下,联合系统的燃油经济性得到了改善,联合系统的BSFC最大可降低5.71%。为了探究行驶工况下ORC系统与发动机的动态耦合效应以及ORC系统的能量输出特性,建立了一套耦合ORC余热回收系统的整车行驶工况动态分析模型。通过分析发现:市郊工况(EUDC)的平均能量回收效率为2.43%,瞬时最高可达11.98%;而城市工况(UDDS)的平均能量回收效率为1.66%,瞬时最高可达2.91%。采用ORC余热回收系统的整车在市郊工况的能量回收效果较好;而在较为复杂的城市道路工况,能量回收的效果不显著,能量回收效率波动较大。因此,利用ORC系统对车辆进行能量回收的技术路线更适用于市郊以及高速公路等行驶工况。