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以石油资源为能源的内燃机是当前应用最广泛的动力机械，其所消耗的石油占我国石油消耗量的60%以上。然而，以现有的内燃机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效的利用，而是以余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。为充分利用内燃机的余热能量，本文对柴油机余热回收有机朗肯底循环系统的性能展开研究。为充分了解柴油机各项余热能流特性，建立了柴油机热平衡测试平台，测取了各工况下柴油机余热能流参数，从“量”与“质”两个层面对余热能流进行分析，并通过燃烧反应方程式推导的方法计算得到了排气组分与酸露点温度，为后续研究奠定基础。以高温排气为热源，分别建立了亚临界与跨临界有机朗肯底循环余热回收系统，给出了有机朗肯底循环工质的分类与选择原则。针对亚临界与跨临界循环的特点，分别提出两种循环传热窄点的分析方法。对于常规制冷剂类工质的分析表明：亚临界与跨临界循环的最优工质均为R123，其最高循环热效率分别为18.3%与19.61%。对于高温烷烃类工质性能的研究显示：Cyclohexane作为工质时可获得最佳循环性能，可将柴油机的燃油经济性提高9.3%。对带导热油中间换热的排气余热回收有机朗肯底循环系统进行了理论设计与实验研究。理论设计显示：R123为最优循环工质，最优循环工况下热效率为13.77%。将此工况作为设计工况，建立实验测试平台，初步测试结果显示：在最佳工况下，采用有机朗肯底循环后柴油机热效率提高潜力为3.38%。针对管壳式排气换热器换热效率低、体积大等不足之处，提出四种高性能板翅式排气换热器设计方案。通过与管壳式排气换热器的比较分析表明：板翅式排气换热器传热系数达到管壳式排气换热器的1.5倍以上，而体积不足管壳式排气换热器的7%。在此基础上，为进一步提高板翅式排气换热器性能，采用CFD方法对传统板翅式换热器翅片进行优化，提出了两种高效翅片型式。为充分利用柴油机各项余热能量，建立了二级双回路底循环系统，实现对各项余热能量的梯级利用。研究表明：Toluene作为高温级循环工质时可获得最佳循环性能，二级双回路底循环的最高循环热效率可达24.67%，可使柴油机热效率提高19.37%。