近年来，笼罩在我国大部分地区的雾霾天气已经严重地危害到了人们的身体健康和出行安全，传统车用内燃机作为大气污染物的主要排放源，其节能减排的工作任重而道远。本文基于车用内燃机变工况下余热能流的分布特性，建立了简单有机朗肯循环和双有机朗肯循环的热力学模型、传热模型、经济性模型和优化模型，旨在探明两种循环结构中各关键运行参数之间的协同变化规律。构建了基于人工神经网络的车用内燃机有机朗肯循环余热回收系统性能预测及优化模型，较之于传统的热力学建模分析方法，预测精度得到了显著地提升。着眼于解决当前千瓦级膨胀机的技术瓶颈，对新型非内燃式自由活塞膨胀机-直线发电机的性能进行了分析和优化。　　通过结合车用内燃机的余热能分布特性，分别构建了简单有机朗肯循环和双有机朗肯循环的热力学模型、传热模型以及优化模型。在车用内燃机变工况下，分析了两种循环结构中各关键运行参数对有机朗肯循环热力学性能及传热特性的影响。采用遗传算法，以热力学性能和传热特性协同提升为目标，对有机朗肯循环的关键运行参数进行了优化。研究表明，对于简单有机朗肯循环，最优蒸发压力总的变化趋势是随着柴油机转速和负荷的增加而增加。最优蒸发压力在1MPa-2.97MPa之间，最优冷凝温度几乎始终保持在298.15K，在柴油机大部分工况下，最优过热度在0K-1K之间。对于双有机朗肯循环，优化得到的高温循环蒸发压力都大于2.2MPa，优化得到的高温循环过热度主要受发动机工况的影响，高温循环冷凝温度的优化结果受发动机工况的影响较小，其数值基本保持在350.15K左右。优化得到的低温循环蒸发温度在339K-343K范围内变化，并且随着发动机转矩的降低而升高，优化得到的低温循环冷凝温度变化较小，基本保持在298.15K。优化得到的排气在蒸发器出口温度变化较小，在发动机大部分工况下，其数值都保持在423.15K。　　构建了简单有机朗肯循环和双有机朗肯循环的热力学模型、传热模型、经济性模型和优化模型，在车用内燃机变工况下，分析了两种循环结构中各关键运行参数及不同工质对热经济性的影响规律。在此基础之上，采用遗传算法得到了两种结构有机朗肯循环热力学性能和经济性能的帕累托最优解，并进一步确定了与之相对应的最佳参数运行区域。研究表明，热力学性能的提升必然以牺牲经济性为代价，在影响简单有机朗肯循环热经济性的四个关键运行参数中，蒸发压力的升高有利于改善循环的热力学性能和经济性能，过热度对循环热力学性能和经济性能的影响较小，随着冷凝温度和排气在蒸发器出口温度的升高，循环热力学性能和经济性能均逐渐恶化。对于双有机朗肯循环中的两个子系统，较高的蒸发压力和较低的冷凝温度均有利于提升其热力学性能。而工质过热度和排气在换热器出口温度的变化对循环热力学性能的影响并不明显。　　基于某重型卡车柴油机有机朗肯循环试验系统的动态运行特性，构建了人工神经网络预测模型，并利用该模型对有机朗肯循环进行了参数影响规律分析。在此基础之上，以有机朗肯循环膨胀机输出功率最大、柴油机排气出口温度最低为优化目标，联合神经网络模型和遗传算法，对有机朗肯循环的关键运行参数进行了协同优化。研究表明，建立的神经网络模型表现出了较高的预测精度，训练样本和测试样本的相对误差绝对值都小于5％，可以用于车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统的性能预测和优化。基于神经网络模型的有机朗肯循环性能优化结果表明，膨胀机输出功率最大可以达到7.68kW。优化结果倾向于使膨胀机进出口具有较大的压力差，而不是使循环工质在膨胀机入口处具有较高的过热度。与热力学模型的优化结果一致，较低的冷凝器出口温度有利于减小膨胀机的排气背压，进而能够增加膨胀机的输出功率。在保证循环工质换热充分的前提下，增大循环工质的流量有利于提高膨胀机的输出功率。　　基于已经搭建完成的自由活塞膨胀机-直线发电机原理性样机，以压缩空气作为驱动工质，讨论了进气压力、运行频率和外接负载电阻对样机运行特性的影响。结果表明，活塞组件的位移和速度随着进气压力的升高而增加，直线电机的峰值电压和峰值功率也随着进气压力的升高而增加，活塞组件的位移和速度随着运行频率的增加而减小，随着运行频率的增加，峰值电压和峰值功率均呈现出先增加后减小的变化趋势，活塞组件的位移几乎不受外接负载电阻的影响，但随着外接负载电阻的增加，活塞组件的速度呈现出小幅增加的趋势。与此同时，建立了自由活塞膨胀机-直线发电机的神经网络模型，用于对样机的性能进行预测和优化。基于神经网络模型的优化结果，在给定的参数变化区间内，自由活塞膨胀机-直线发电机的最大输出功率可以达到100.47W。