通过对内燃机的能量分配分析发现，内燃机运行时由发动机冷却水和排气带走的热量约占燃料燃烧释放总热量的60-70%，因此有效回收这部分热量具有重要意义。目前有机朗肯循环是一种效率较高的余热回收方式，因此，采用有机朗肯循环来回收发动机高温排气的余热，在内燃机余热回收领域具有十分广泛的应用前景。内燃机排气具有温度高、可回收部分的温差范围很大（大约500~120℃）的特点。采用传统的有机朗肯循环回收发动机高温排气的大温差余热存在有机工质分解、余热回收不充分的问题，基于此，本文设计了一个二级有机朗肯循环系统。此系统包括一个高温循环和一个低温循环：高温循环采用高分解温度的工质来回收排气的高温段余热，避免了有机工质分解，保证了系统的安全性；低温循环采用热力学性能较好的常规有机工质来依次回收发动机冷却水、高温循环的工质乏气和排气的低温段余热，使各部分余热得到了充分的回收。本文以某直列6缸4冲程发动机为研究对象，基于热力学第一、二定律建立了此二级系统的仿真模型并对此系统进行了计算分析。为了验证模型的准确性，本文将此二级系统的热力学模型与前人的工作进行了详细的比较和分析，结果表明，此系统的热力学模型具有较高的准确性。在初步建立的系统化模型基础上对系统进行了循环方式、系统结构和循环工质三个方面的优化，得到最佳系统方案。通过研究发现，当高温循环采用toluene（甲苯）为工质，低温循环采用R143a为工质，两级循环均采用跨临界循环，且系统为高低温循环均带有回热器的二级系统时，性能最优。此系统的净输出功为42.71kW，热效率为12.84%，火用效率为46.69%，对发动机冷却水和排气的余热均已利用完全。对系统操作参数的分析发现，当高温循环冷凝温度越低、高低温循环回热温升越大时，系统的性能越好。而高温循环涡轮机进口温度对不同工质和不同循环的影响不同。在亚临界循环中，对于水工质，高温循环涡轮机进口温度越高，系统性能越好；而对干工质，高温循环涡轮机进口温度越接近工质蒸发的饱和气点温度，系统性能越好。在超临界循环中，高温循环涡轮机进口温度越接近工质的临界点温度，系统性能越好。本文建立了内燃机高温排气余热回收的二级朗肯循环系统，并进行了性能分析和系统优化，为今后高温排气余热回收系统的研究提供了指导。研究表明，采用该联合循环回收利用内燃机高温排气余热是一种行之有效的方法。