从内燃机热平衡看,理想工况下用于动力输出的能量仅占燃油燃烧总热量的30%到40%,以余热能量形式排出车外的能量可占到燃烧总能量的60%到70%。在实际工况下,余热能量损失更是占到了接近80%。通过内燃机与涡轮发电的联合循环来回收利用内燃机余热,是提高内燃机总能效率,降低油耗的一个有效途径。联合循环效率低、工况适应性差是当前内燃机余热涡轮发电技术研究所面临的主要难点。论文建立了可考虑内燃机与涡轮热力过程相互作用的涡轮发电通流模型。设计搭建了涡轮发电系统试验台,利用该试验台对涡轮发电通流模型进行了试验验证。通过对GT-Power商业软件进行二次开发,建立了基于涡轮发电通流模型的内燃机余热涡轮发电总能系统仿真平台。现有的涡轮发电系统方案包括电辅助增压器涡轮发电系统方案和串联涡轮发电系统方案。论文应用内燃机余热涡轮发电总能系统仿真平台,针对某型增压汽油机,对现有方案进行了详细分析研究,发现现有方案在中低负荷工况下并不能很好的提高系统效率。论文针对现有系统方案的不足,设计了增压器涡轮与涡轮发电系统并联的系统方案。分析研究了动力涡轮对于发动机余热涡轮发电系统性能的影响,提出了动力涡轮的设计要求,并设计出了用于余热涡轮发电的高效小流量动力涡轮。仿真分析表明,采用了设计的动力涡轮后,并联余热涡轮发电系统可有效提高内燃机燃油经济性,常用工况点系统有效效率最大提高幅度达到8%,在US06和FTP75驾驶循环下,燃油经济性分别改善了4.7%和1.8%。