从内燃机运行时的热平衡分析发现,燃料燃烧热量的60-70%被排气和缸套冷却水带走,因此将这部分热量加以回收利用可提升内燃机的热效率。目前国内外对内燃机余热能利用技术展开了广泛研究,其中基于有机朗肯循环的内燃机余热能利用技术表现出较大的潜力和运用前景。考虑到内燃机排气温度较高,直接换热易使传统有机工质发生分解,需采用高分解温度工质,但单级循环效率有限;缸套冷却水和排气温度梯度大,大温差热源匹配性差,因此对双热源余热利用率有限,相关学者提出了二级朗肯循环系统。而二级朗肯循环系统比单级系统结构复杂、部件多,因此传统的单一热力学指标评价方法很难对复杂热力循环系统进行全面综合评价。为了更好地评价分析复杂循环系统的特点,需要构建一个科学合理的评价方法,基于这个综合评价方法来分析二级系统和单级系统各自的特点,并开展二级系统的优化。本文针对内燃机余热回收ORC热力循环系统评价优选的不完善性,在综合考虑安全环保可靠性、热力学性能、技术经济性及节能减排效益这三层级属性因素基础上,提出了一种基于多级非结构模糊决策的三层次综合评价方法,包含评价指标模型建立、系统参数优化和方案评价决策。该综合评价方法对用于中低温余热回收的热力循环系统具有广泛适用性。在Matlab平台上建立了用于回收柴油机排气余热的单级简单有机朗肯循环(BORC)、单级回热有机朗肯循环(RORC)和二级朗肯循环(DORC)模型。基于上述综合评价方法对三个系统进行了优化对比分析,结果表明:DORC系统的热力学性能较BORC和RORC系统得到显著提升,但考虑技术经济性评价指标时DORC系统并不占优势。针对DORC开展了不同循环结构(单热源和双热源)、不同工质对的系统方案开展了基于遗传算法的双目标优化,获得了Pareto折衷解。从评价结果来看,采用toluene-R123工质对回收双热源的系统最优,当考虑不同层级评价指标时方案优劣排序会发生变化。以某6缸4冲程额定功率241kW柴油机排气为目标热源,建立了蒸汽-有机朗肯循环(RC-ORC)二级系统试验样机。开展了柴油机在不同工况下二级系统响应规律试验研究,柴油机在转速为1800r/min、扭矩为1152 N·m工况下二级系统吸热量最大达101kW,高温级理论做功能力为8.4kW,低温级理论做功能力在3.7-6.35kW之间。试验结果表明,系统蒸发压力的增加有利于提升系统性能,而较大的工质过热度会导致系统做功能力降低。