我国是内燃机的生产和消费的大国,内燃机消耗的石油约占我国石油总量的60%,内燃机节能事关国家能源安全和国民经济的发展。内燃机运行时废气带走的能量约占燃料燃烧放出热量的三分之一,因此针对内燃机废气余热能的有效回收有十分重要的意义,近年来,采用热力循环方法对废气带走热能的有效回收利用颇受关注。其中采用斯特林循环回收内燃机尾气余热的研究尚在初步探索阶段,没有合适的性能预测模型,试验获得的轴功率不高;应用朗肯循环方法进行尾气余热回收在工质选择,工作原理及工作性能的理论分析方面有大量的理论研究基础,但系统的结构复杂,体积大。本文以2.0DCVVT汽油机为研究对象,一方面针对尾气余热的特点,建立针对尾气为热源的斯特林机模型,并结合试验对其性能参数进行研究,分析确定影响回收功率的原因,为进一步优化系统、提高性能奠定基础。另一方面主要针对以水为工质的朗肯循环回收系统结构复杂,产汽量小影响系统输出功的难题,对膨胀机的结构进行研究、改造,并根据膨胀机的运行条件,合理的进行系统匹配,建立体积小、效率高的朗肯循环系统。并且根据试验结果分别对两种热力循环的回收效果进行了分析、评价和比较。在应用斯特林循环进行尾气余热回收利用方面,针对汽油机尾气为有限热容的特点,基于经典的理想绝热分析法,考虑斯特林机各种损失,建立了以汽油机尾气为热源的斯特林机的二级简化分析法数学模型,并对斯特林循环余热回收系统进行工作过程仿真分析,获得了汽油机特定工况下斯特林机的性能特点,确定了影响斯特林机性能的主要因素,为试验研究奠定了理论基础。建立了一套斯特林余热回收试验系统,并在汽油机3000r/min的三种不同负荷状况下进行了试验研究,试验结果表明:斯特林机轴功率随汽油机负荷的增加明显增加,而随着转速的增加呈现先增加后减小的趋势,存在最佳工作转速;在汽油机输出功率和排气背压无明显变化情况下,斯特林系统可回收0.156—0.545kW的轴功率,相当于汽油机功率提高了0.86%—2.94%,系统热效率在0.75%到2.61%之间;加热器壁面温度和缸内压力的分布表明加热器结构设计、热损失等原因是试验数据与理论分析结果产生差距的主要原因之一。在应用朗肯循环进行尾气余热回收方面,为使膨胀机结构简单、可靠,提出采用单进气阀—排气口式换气结构的活塞式膨胀机,并且建立了相应的仿真模型,得到了进、排气结构参数对膨胀机输出功率、绝热效率的影响规律,对进、排气结构的设计起到借鉴作用。分析了膨胀机转速及进口参数对余热回收系统的影响并确定了膨胀机的运行条件。针对朗肯循环中工质水三相点温度高、蒸发压力高等因素导致回收系统复杂,比热容大导致产汽量小,影响系统输出功的难题,提出把贯流式蒸发器、柱塞式高压泵、单阀膨胀机进行组合匹配,建立了朗肯循环余热回收试验系统,体积仅为0.95×0.57×0.50m3;通过对温度、压力、转速、流量等参数的定性分析,制定详细的控制测量方案,开展了多个汽油机工况下回收系统的性能试验研究,结果表明:膨胀机缸压、流量、转速等参数的分布规律验证了膨胀机仿真模型的正确性,可以用于指导朗肯循环余热回收系统性能分析与优化;在汽油机功率为39.8—77kW时,膨胀机轴功率为1.61—2.78kW,相当于汽油机功率提高了3.6—4.72%,回收系统的总效率为3.91—5.8%,尾气的最大可用能利用率为7.7—10.93%;单阀活塞式膨胀机体积小,结构简单,转速高,适合小流量,小功率的场合,在回收汽油机尾气能量方面有很大的潜力,具有良好的工程应用前景。在功率提高率、系统体积等方面对两种余热回收系统比较发现,采用朗肯循环的方法进行尾气余热回收更具有优势。