我国是内燃机的制造大国和使用大国,内燃机对石油的消耗占石油消费总量的很大比重。内燃机余热回收可以有效提升石油的利用效率,减少能源消耗,降低污染物排放,是实现节能减排的重要领域。与国外相对成熟的技术相比,国内在内燃机余热回收方面的研究和应用仍处于起步阶段。鉴于内燃机余热回收对节能减排的重要意义和国内目前的研究现状,本文开展内燃机余热回收系统及膨胀机的研究,为推广其工程应用提供一定的参考。本文建立基于有机朗肯循环的内燃机余热回收系统设计体系,包括热力系统和有机工质向心透平。针对沪东重机厂生产的某型内燃机,进行主机冷却水余热和排气余热回收,对比分析了有机朗肯循环双系统、预热系统和复叠式双循环系统的热力参数和热力性能。对采用纯工质和非共沸混合工质的预热系统的热力性能进行了对比研究,利用?分析方法探讨非共沸混合工质的相变非等温特性对系统性能提升的影响,以系统净功率为目标对非共沸混合工质的组分进行了优选。研究有机工质向心透平的一维气动设计方法和气动性能预测方法,针对复叠式双循环系统中的低温循环热力参数,进行向心透平的气动设计、喷嘴和动叶轮的造型。利用CFD对有机工质向心透平的气动设计和性能参数进行验证,分析透平内部流动特性,并对透平的变工况性能进行评估。针对微小型内燃机余热回收有机朗肯循环系统,研究了特斯拉透平的应用。对特斯拉透平的一维模型进行了优化,通过分析喷嘴的极限膨胀比,考虑喷嘴内的流动损失,确定喷嘴出口速度;利用可压流体的控制方程,考虑盘片间隙中径向压力梯度,根据流动状态确定边界层中的摩阻系数,分析工质在盘片间隙内的流动特性。针对内燃机主机冷却水余热回收的有机朗肯循环系统,利用一维模型对特斯拉透平的效率进行预测,对系统的热力性能进行评估。基于超临界CO₂循环高效、清洁、部件紧凑的特点,研究了其在内燃机余热回收系统中的应用。对比分析了简单预热系统、双预热器系统和带回热旁路的双预热器系统的热力参数,研究了预热温度对热力性能的影响,为建立基于超临界CO₂循环的内燃机余热回收系统设计体系及系统的优化提供一定的基础。