内燃机排气余压能的回收与利用是进一步提高燃油能量利用效率,降低车辆道路油耗的关键技术之一。本文采用机械复合涡轮技术进行内燃机余压能的回收,即动力涡轮布置在增压涡轮下游,将增压涡轮尚未充分利用的排气余压能转化为动能,通过机械传动系统与曲轴耦合,对外输出做功。针对传统机械复合涡轮系统中动力涡轮运行效率较低和小负荷下对发动机性能恶化严重的问题,提出了一种可控机械复合涡轮系统,该系统采用动力涡轮废气旁通阀和无级变速器根据发动机运行工况,动态调节增压涡轮和动力涡轮的运行状态,以获得最大的总能效率。本文首先基于GT-SUITE搭建了可控机械复合涡轮发动机及整车仿真平台,内燃机排气流量、排气温度以及发动机功率的模型最大误差分别为4%,6%和5%,其精度满足可控机械复合涡轮系统匹配规律和动态控制规律研究的需求。采用以上仿真平台,研究了关键设计参数(动力涡轮通流面积、增压涡轮通流面积与传动速比)对总能效率的影响规律;进而提出了增压涡轮、动力涡轮和传动系统的匹配策略。采用高速公路工况为典型工况,以高速公路工况下发动机转速和扭矩分布最集中的工况点作为匹配工况点,对动力涡轮、增压涡轮和传动系统进行匹配。匹配后,内燃机额定工况总能效率提高5.4%,高速公路工况道路油耗降低1.33%。针对内燃机的全工况特性,采用了无级变速器调节动力涡轮转速,以优化动力涡轮非匹配点运行效率。研究了动力涡轮废气旁通阀调节动力涡轮和增压涡轮运行工况,以及动力涡轮回收功率和内燃机功率损失的作用规律,提出了动力涡轮旁通阀的控制策略:在小负荷工况动力涡轮旁通阀全开,降低内燃机的泵气损失;在中大负荷工况动力涡轮旁通阀全关,提高动力涡轮的回收功率。结果表明:基于全工况下无级变速器和动力涡轮旁通阀的优化策略,能够降低高速公路工况油耗1.54%。道路工况下,内燃机工况具有瞬变性,增压迟滞是影响道路油耗的关键因素。因此考虑到动力涡轮旁通阀对增压涡轮出口压力的调节作用,研究了动力涡轮旁通阀对进气增压瞬态响应特性的调节规律。在此基础上,提出了动力涡轮旁通阀动态控制策略,以改善瞬态过程中进气压力的响应性。结果表明,基于动力涡轮旁通阀动态控制策略,高速公路工况下油耗降低2%,公交工况下可节油3.4%。