内燃机在运行过程中约有2/3的能量通过排气及冷却系统散失,空调系统及散热系统作为汽车附件也会带来10%以上的额外功耗,提高车辆能效对国家能源安全与CO₂减排具有重要意义。为提高内燃机及整车运行效率,本文采用仿真计算及实验研究相结合的方法,以玉柴YC6L330-42型柴油机及其适用车辆为研究对象,采用应用前景广阔的CO₂作为循环工质,建立了包含空调系统、余热回收系统、发动机及冷却水系统的8种不同结构形式的耦合热管理系统,对其在不同环境温度和发动机工况下进行仿真,寻找最佳的耦合热管理系统形式。综合考虑了不同环境温度、内燃机工况及热管理系统重量对系统动力性能的影响和成本对经济效益的影响,提高实际条件下的车辆运行效率。对于余热回收系统而言,在实际条件下系统压力会受结构尺寸影响,存在最优压力及最优工质泵转速使得系统净输出功最大。最优工质泵转速随环境温度的升高和发动机负荷的减小而增大。在耦合内燃机冷却系统后,调节散热器和冷凝器风扇工作,可减小风扇总功耗,进一步增大车辆净功。最佳冷却水利用率随发动机负荷增大和环境温度的升高而减小,在38%至52%之间系统有最大净功。车用热管理系统各部件会相互影响,不应采用多级压缩形式。但系统结构过于简单时动力性能较差,本文提出并优选的共冷二级压缩二级冷却热管理系统形式既有较为简单的结构形式,又在净功、重量和成本上都有优势。若不考虑车辆中附件的耗能,系统等效净功10.8k W,可提高燃油经济性3.1%。考虑原机及热管理系统所有附件耗能的情况下,系统产生净功4.2k W,提高燃油经济性1.2%。当车辆以72km/h匀速水平行驶时,在综合考虑车辆在不同环境温度、城市和高速道路工况运行的情况下,除去车辆及热管理系统附件耗功及由于热管理系统额外重量引起的功率耗功后,系统仍能产生净功2.45k W,提高燃油经济性0.7%。综合考虑系统成本及重量,本文提出的最佳热管理系统在寿命周期内可节约14.3吨柴油,产生2.79万元的经济效益。