内燃机节能研究对国家能源安全和低碳环保意义重大。在内燃机各项节能技术中,余热能利用具有最大的节能潜力。其中,有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）因具有热效率高、结构简单、可靠性强等诸多优势被广泛应用于内燃机中低品位余热能回收中。膨胀机作为ORC中热功转换的关键部件,其性能决定了系统的可靠性和效率。相对于其他类型的膨胀机,涡旋膨胀机因其体积小、可靠性高、输出范围广等优势,特别适用于应用在移动内燃机装置中的小型ORC系统中。然而目前对涡旋膨胀机的研究多关注于其稳态工况性能,而实际上车辆在行驶时多处于瞬态多变的状态,甚至会存在某些极端工况。针对内燃机余热回收系统工况复杂多变的特点,本文基于一款自主改造的涡旋膨胀机样机开展了涡旋膨胀机全工况输出特性实验和理论研究。首先,本文综合考虑了所需功率量级、稳定性、经济性等因素,选用一款商用涡旋压缩机将其自主改造成实验样机,对其润滑系统进行了设计和精确的控制,并利用压缩空气对其进行了基本的性能测试。证明了涡旋压缩机改造成膨胀机的可行性及润滑系统对机械润滑和膨胀机性能表现的促进作用。其次,将样机耦合至ORC系统中。以一台243k W柴油机的烟气作为余热源,R245fa为工质,结合实验台架冷热源条件及各部件特点,从稳态设计＆非设计工况实验、动态响应特性实验、极端工况运行实验三个方面开展了涡旋膨胀机在全工况下热力输出特性相关的实验研究。最后,利用Matlab搭建了涡旋膨胀机的半经验模型,通过遗传算法对模型参数进行优化以保证模型精度,结合实验数据对模型进行了标定校核。基于此模型针对影响膨胀机性能的关键参数,模拟了非设计工况下膨胀机的稳态输出特性,旨在拓展研究工况,为涡旋膨胀机的全工况输出特性规律提供更全面的指导。研究结果表明:（1）将涡旋压缩机改造成膨胀机具有可行性。膨胀机在设计工况下（进口压力1.47Mpa、出口压力0.28Mpa、过热度10K）的功率（1540W）与原压缩机的设计功率（1537W）基本一致,可作为改造膨胀机的依据;（2）压比对膨胀机性能的影响最大。随压比的增大,膨胀机输出功显著提升,等熵效率显著减小,在相同压力比下,转速越大,输出功率越高,等熵效率越小。模拟研究中,随压比进一步增大输出功和等熵效率逐渐趋于平稳,最大输出功为1659.5W,对应压比为10,转速为3400rpm;（3）过热度对膨胀机输出功和等熵效率均有增幅作用,但过热度对膨胀机容积效率的影响并不显著;（4）转速主要影响膨胀机的输出功率和容积效率。随转速从1600rpm升高至3200rpm,膨胀机输出功先增大后减小,存在最佳输出功转速区间为1800-2400rpm;膨胀机容积效率与转速有直接关系,转速越大,容积效率越小;（5）涡旋膨胀机具备两相工作能力。但两相运行较过热运行在输出轴功、等熵效率、系统循环效率等方面均有一定下降;为防止膨胀机启动时发生汽蚀,应尽可能提高开机时阀前过热度、缩短旁通时间、避免启动转速过高;（6）涡旋膨胀机在变工况和极端工况下具有良好的适应性。各项参数随信号阶跃输入响应较为迅速,但工质温度由于存在热惯性现象,响应速度相对较慢;在冷源流量骤减54%、两相区运行、热源骤停等大信号阶跃和极端工况下,涡旋膨胀机均可以平稳过渡并保持良好的输出能力。通过开展以上三方面的研究为探索涡旋膨胀机全工况热力输出特性规律和ORC系统优化提供全面的指导。