本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种具有多级能量利用的涡轮复合系统及控制方法。
背景技术：
涡轮复合系统是发动机的余热回收技术之一，也是实现发动机的节能、减排的重要技术手段之一，它通过动力涡轮吸收利用废气中热量转换为涡轮的旋转动能，然后通过传动系统将能量输入到发动机曲轴中，从而提高发动机功率输出，提升发动机能量利用率，结构如图1所示。或者将动力涡轮吸收的废热能转换为电机的能量储存起来，起到涡轮发电的作用，如图2所示。
涡轮复合系统克服了传统涡轮增压器的发动机不能够兼顾高转速和低转速，由于具有带废气放气阀涡轮增压器的发动机低速工况匹配效率较高，但高速时候废气放气会带走能量，造成能量的浪费损失。因此，集成动力涡轮与涡轮增压技术的涡轮复合增压发动机能够有效的利用废热能。但是动力涡轮输出能量给发动机曲轴的方式需要对传动系统进行设计和匹配，因此实现传动系统对发动机的动力的柔性传递，且防止动力涡轮对发动机产生倒拖，且使传动系统达到系统的最佳传动比，使发动机动力性和经济性达到平衡，且综合效率最优具有一定的开发难度。
电动增压系统是将电动压气机和涡轮增压系统发动机通过串联、并联、混联等方式连接起来，根据电动压气机与涡轮增压器的压气机端的布置关系分为前置式和后置式，电动压气机布置在涡轮增压的上游称为前置式，电动压气机布置在涡轮增压的下游称为后置式，电动压气机与涡轮增压器还可以进行并联布置，称为并联式，既可以实现串联式也可以实现并联式称为混联式，结构如图3-图6所示。
电动增压系统不管是串联、并联还是混联的结构方式，都是为了一方面利用电动压气机的响应快的特性提高发动机低速扭矩和响应速度，另一方面使电动压气机和涡轮增压器联合工作或分别工作满足发动机增加进气量的需求，实现发动机的动力性和经济性的需求。但是电动增压系统无法实现废气能量的回收利用，会使燃烧后的排气能量通过冷却散热和废气排放散失到环境中，浪费了余热能量。
如专利cn209398496u，提供了一种耦合动力涡轮和两级增压的发动机复合涡轮系统，其中一号齿轮固定在柔性传动机构的传动输入轴上，三号齿轮与第二级压气机的齿轮连接，二号齿轮和四号齿轮同轴设置在动力涡轮的输出轴上，二号齿轮和四号齿轮之间设置有接合套，接合套的外齿与二号齿轮、四号齿轮的内齿相配合，且接合套通过接合套拨叉机构与控制器连接，进气调节阀设置在发动机进气管路上，控制器与进气调节阀连接。该系统未涉及电动增压，无法实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收。
又如专利cn105464769b，提供了一种双流道动力涡轮系统及其控制方法，包括内燃机木体、涡轮増压器、机槭传动装置，涡轮增压器包括经进气歧管后与内燃机本体气路连接的压气机、增压器涡轮，内燃机本体通过机械传动装置与双流道动力涡轮机械连接，双流道动力涡轮包括进气口经排气歧管与内燃杌本体气路连接的一号动力涡轮流道、进气口依次绎增压器涡轮和排气歧管后与内燃机本体气路连接的二号动力涡轮流道，一号动力涡轮流道的出气口与二号动力涡轮流道的出气口均与排气后处理系统气路连接；排入一号动力涡轮流道与二号动力涡轮流道中的废气驱动双流道动力涡轮工作。该系统未涉及电动增压，无法实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收。
又如专利cn104329148b，提供了一种两级动力涡轮系统，包括内燃机本体、进气歧管、排气岐管、涡轮增压器、低压动力涡轮、高压动力涡轮和机械传动装置，涡轮增压器包括增压涡轮和压气机，增压涡轮的进气口和排气岐管相连接，增压涡轮的出气口和低压动力涡轮的进气口相连接，高压动力涡轮与低压动力涡轮同轴相连接，高压动力涡轮的进气口通过旁通管路与排气岐管相连接，高压动力涡轮的出气口与所述低压动力涡轮的出气口经管道并联后，再与排气总管相连接。结构简单，提高了内燃机废气能量回收率，有效提升了内燃机输出功率。该系统未涉及电动增压，无法实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收。
又如专利cn106470750a，提供了一种在气体处理系统内利用涡轮系统的系统和方法，溶剂气体处理系统，包括配置为通过在贫溶剂流体流中使用溶剂而从未处理的馈送气体中去除酸性气体的高压反应容器，其中所述高压反应容器配置为通过第一流动路径输出处理过的洁净气体和高压流体流的第一流量；具有主喷嘴、辅助喷嘴和岀口的涡轮，其中所述主喷嘴配置为通过主流动路径接收来自所述第一流动路径的所述高压流体流的第二流量，其中所述高压流体流的所述第二流量为所述第一流量的一部分，其中所述高压流体流配置为驱动所述涡轮沿辅助流动路径设置的辅助喷嘴阀，其中所述辅助喷嘴阀配置为控制进入所述涡轮的所述辅助喷嘴的、所述高压流体流的第三流量，其中所述高压流体流的所述第三流量为所述第一流量的一部分；以及沿出口流动路径设置的第一节流阀，其中所述第一节流阀配置为控制来自所述出口的低压流体流的第四流量。该系统未涉及电动增压，无法实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收。
又如专利cn204200320u，提供了一种两级动力涡轮系统，包括内燃机本体进气歧管、排气岐管、涡轮增压器、低压动力涡轮和杋械传动装置，所述的涡轮增压器包括增压涡轮和压气机，所述增压涡轮的进气口和排气岐管相连接，增压涡轮的出气口和低压动力涡轮的进气口相连接，还包括有高压动力涡轮，所述的高压动力涡轮与低压动力涡轮同轴相连接，高压动力涡轮的进气口通过旁通管路与排气岐管相连接，高压动力涡轮的出气口与所述低压动力涡轮的出气口经管道并联后，再与排气总管相连接。该系统未涉及电动增压，无法实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收。
又如专利cn104329148b，提供了一种两级动力涡轮系统，包括内燃杋本体、进气歧管、排气岐管、涡轮增压器、低压动力涡轮和机械传动装置，所述的涡轮增压器包括增压涡轮和压气机，所述增压涡轮的进气口和排气岐管相连接，增压涡轮的出气口和低压动力涡轮的进气口相连接，还包括有高压动力涡轮，所述的高压动力涡轮与低压动力涡轮同轴相连接，高压动力涡轮的进气口通过旁通管路与排气岐管相连接，高压动力涡轮的出气口与所述低压动力涡轮的出气口经管道并联后，再与排气总管相连接，同样，该系统未涉及电动增压，无法实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收。
综上所述，现有技术常用单独涡轮增压器通常无法兼顾高速工况和低速工况，且大多废气能量无法合理利用的问题。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种具有多级能量利用的涡轮复合系统及控制方法。
本发明采用的技术方案是：一种具有多级能量利用的涡轮复合系统，包括压气机、电动压气机，所述压气机、电动压气机串联，所述电动压气机出口连接中冷器进口，所述中冷器出口连接发动机进气口，所述发动机排气口连接涡轮增压器进口，所述涡轮增压器出口连接动力涡轮输入端，所述动力涡轮输出端连接电机或发电机。
上述方案中，电动压气机可在压气机上游串联布置，也可在压气机下游串联布置。
进一步地，所述压气机进口与出口之间连接的管路上设置阀p1。
进一步地，所述电动压气机进口与出口之间连接的管路上设置阀p2。
进一步地，所述涡轮增压器进口与出口之间连接的管路上设置旁通阀。
发动机ecu实时获取由油门踏板位置传感器、发动机转速传感器输出的油门踏板位置信号、发动机转速信号来控制阀p1、阀p2和旁通阀的开启和关闭。
一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，包括以下步骤：
空气经由压气机或电动压气机和中冷器增压冷却后通过发动机进气管进入发动机本体参与燃烧压缩、做功，然后废气经发动机排气岐管、涡轮增压器排出，排出的废气再进入动力涡轮转化为电机的电能，提供给混合动力汽车的电池充电或作为柴油机的电机给电气设备供电。
还包括以下步骤：发动机ecu实时获取由油门踏板位置传感器、发动机转速传感器输出的油门踏板位置信号、发动机转速信号来控制阀p1、阀p2和旁通阀的开启和关闭。
上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在低速工况时，控制阀p1开启，阀p2关闭，旁通阀开启，低速直接由电动压气机进行进气增压。由旁通阀排出的排气能量被动力涡轮回收转化为电机的电能。
上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在中速工况时，控制阀p1和阀p2关闭，旁通阀关闭，进气先通过涡轮增压器，再进入电动压气机再后进入发动机进气管。此为进气能量的多级能量利用。
上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在高速工况时，电动压气机不工作，控制阀p1关闭，阀p2开启，旁通阀关闭。成为常用的涡轮增压发动机使用，同时中高速工况时，排气流量更大，动力涡轮回收的废热能更多，转化的电能也越多，整车的节油效果更好，此为排气能量的多级能量利用。
本发明主要解决现有常用单独涡轮增压器通常无法兼顾高速工况和低速工况，且大多废气能量无法合理利用的问题，采用电动压气机与涡轮增压器联合工作可以有效改善扭矩不足和动态响应较慢的问题，同时为了提高发动机的能量利用率，采用复合涡轮回收废气能量进行发电，转化的电能供给整车的电器附件，能实现发动机全工况的油耗改善，结合两者的优势可以采用该专利的方案，从而实现发动机全工况的动力性和经济性的优化匹配。
本发明的工作原理：大气通过进气系统进入，低速工况时，由于电动压气机低速响应快，这时打开阀p1，断开阀p2，打开旁通阀，低速直接由电动压气机进行进气增压，由旁通阀排出的排气能量被动力涡轮回收转化为电机的电能，中速工况时，由于发动机最大扭矩区间位于中速工况，这时断开阀p1、阀p2，关闭旁通阀，进气先通过涡轮增压器压端后进入电动压气机再次增压后进入发动机，此为进气能量的多级能量利用。高速工况时，匹配一款较大的涡轮增压器满足高速工况且不易发生超速风险，电动压气机不工作，此时断开阀p1，打开阀p2，关闭旁通阀。成为常用的涡轮增压发动机使用，同时中高速工况时，排气流量更大，动力涡轮回收的废热能更多，转化的电能也越多，整车的节油效果更好，此为排气能量的多级能量利用。
本发明集成了涡轮复合系统和电动增压系统的优势，不仅能够实现涡轮复合使发动机的排气能量得到有效的回收，而且能够实现电动增压提高低速响应性和改善整个发动机的进气量，从而改善发动机的动力性和经济性。
1、低速工况时使用电动压气机单独工作，可以解决发动机低速扭矩不足的问题，在低速爬坡路况时感受到发动机动力充足。
2、低速工况时使用电动压气机单独工作，可以解决发动机低速动态响应慢的问题，在起步加速时感受到更快的动态响应性。
3.、低速工况采用电动压气机的话不用匹配很大的电动压气机，相比大的电动压气机来说成本更低，且空间布置更容易，整机尺寸更小。
4、中速工况时使用电动压气机和涡轮增压器联合工作，可以更大的提高发动机的最大扭矩输出，具有更好的动力性。
5、高速工况时通过更好的匹配增压器，采用wgt甚至fgt替代vgt与电动压气机配合运行，可以解决vgt价格过高的问题，节约成本。
6、高速工况时，通过合理匹配增压器可以使中高速全工况的涡轮增压器工作在效率更高的区域，有利于进气量的提升，在保证发动机扭矩的同时能有效改善油耗。
7、全工况使用复合涡轮进行废气能量的回收，回收的电能供给给整车各个电气附件工作，能够很好的改善整车的经济性。
附图说明
图1为现有技术涡轮复合系统示意图；
图2为现有技术另一种涡轮复合系统示意图；
图3为现有技术电动压气机和涡轮增压系统发动机串联前置示意图；
图4为现有技术电动压气机和涡轮增压系统发动机串联后置示意图；
图5为现有技术电动压气机和涡轮增压系统发动机并联示意图；
图6为现有技术电动压气机和涡轮增压系统发动机混联示意图；
图7为本发明的结构示意图；
图8为发动机万有特性运行工作区示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图7所示，本发明包括压气机、电动压气机，所述压气机、电动压气机串联，所述电动压气机出口连接中冷器进口，所述中冷器出口连接发动机进气口，所述发动机排气口连接涡轮增压器进口，所述涡轮增压器出口连接动力涡轮输入端，所述动力涡轮输出端连接电机或发电机。
所述压气机进口与出口之间连接的管路上设置阀p1。
所述电动压气机进口与出口之间连接的管路上设置阀p2。
所述涡轮增压器进口与出口之间连接的管路上设置旁通阀。
发动机ecu实时获取由油门踏板位置传感器、发动机转速传感器输出的油门踏板位置信号、发动机转速信号来控制阀p1、阀p2和旁通阀的开启和关闭。
一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，包括以下步骤：
空气经由压气机或电动压气机和中冷器增压冷却后通过发动机进气管进入发动机本体参与燃烧压缩、做功，然后废气经发动机排气岐管、涡轮增压器排出，排出的废气再进入动力涡轮转化为电机的电能，提供给混合动力汽车的电池充电或作为柴油机的电机给电气设备供电。
还包括以下步骤：发动机ecu实时获取由油门踏板位置传感器、发动机转速传感器输出的油门踏板位置信号、发动机转速信号来控制阀p1、阀p2和旁通阀的开启和关闭。
上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在低速工况时，控制阀p1开启，阀p2关闭，旁通阀开启，低速直接由电动压气机进行进气增压。由旁通阀排出的排气能量被动力涡轮回收转化为电机的电能。
上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在中速工况时，控制阀p1和阀p2关闭，旁通阀关闭，进气先通过涡轮增压器，再进入电动压气机再后进入发动机进气管。此为进气能量的多级能量利用。
上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在高速工况时，电动压气机不工作，控制阀p1关闭，阀p2开启，旁通阀关闭。成为常用的涡轮增压发动机使用，同时中高速工况时，排气流量更大，动力涡轮回收的废热能更多，转化的电能也越多，整车的节油效果更好，此为排气能量的多级能量利用。
本发明主要解决现有常用单独涡轮增压器通常无法兼顾高速工况和低速工况，且大多废气能量无法合理利用的问题，采用电动压气机与涡轮增压器联合工作可以有效改善扭矩不足和动态响应较慢的问题，同时为了提高发动机的能量利用率，采用复合涡轮回收废气能量进行发电，转化的电能供给整车的电器附件，能实现发动机全工况的油耗改善，结合两者的优势可以采用该专利的方案，从而实现发动机全工况的动力性和经济性的优化匹配。
本发明具有多级能量利用的涡轮复合系统具有电动压气机、涡轮增压器和动力涡轮，实现进气端的多级能量利用和排气端的多级能量利用。低速工况匹配合适的电动压气机，电动压气机低速响应更快，中速工况使电动压气机与涡轮增压器串联工作，能够提高最大扭矩，且电动压气机匹配在中低速工况不需要太大，不仅利于整车布置空间的有效利用，而且节约电动压气机的成本。然后，在高速工况匹配一个合适的涡轮增压器，有利于提高高速性能，与此同时，动力涡轮参与全工况的运行，实现发动机全工况的废气能量回收，回收为电能供整车电器附件用电，由此可以带来发动机全工况的节油效果，发动机万有特性运行工作区如图8所示。
本发明低速工况时使用电动压气机单独工作，可以解决发动机低速扭矩不足的问题，在低速爬坡路况时感受到发动机动力充足。
本发明低速工况时使用电动压气机单独工作，可以解决发动机低速动态响应慢的问题，在起步加速时感受到更快的动态响应性。
本发明低速工况采用电动压气机的话不用匹配很大的电动压气机，相比大的电动压气机来说成本更低，且空间布置更容易，整机尺寸更小。
本发明中速工况时使用电动压气机和涡轮增压器联合工作，可以更大的提高发动机的最大扭矩输出，具有更好的动力性。
本发明高速工况时通过更好的匹配增压器，采用wgt甚至fgt替代vgt与电动压气机配合运行，可以解决vgt价格过高的问题，节约成本。
本发明高速工况时，通过合理匹配增压器可以使中高速全工况的涡轮增压器工作在效率更高的区域，有利于进气量的提升，在保证发动机扭矩的同时能有效改善油耗。
全工况使用复合涡轮进行废气能量的回收，回收的电能供给给整车各个电气附件工作，能够很好的改善整车的经济性。
应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。
用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。
在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。
此外，在构成部件时，尽管没有其明确的描述，但可以理解必然包括一定的误差区域。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，上文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
1.一种具有多级能量利用的涡轮复合系统，包括压气机、电动压气机，其特征在于：所述压气机、电动压气机串联，所述电动压气机出口连接中冷器进口，所述中冷器出口连接发动机进气口，所述发动机排气口连接涡轮增压器进口，所述涡轮增压器出口连接动力涡轮输入端，所述动力涡轮输出端连接电机或发电机。
2.根据权利要求1所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统，其特征在于：所述压气机进口与出口之间连接的管路上设置阀p1。
3.根据权利要求1所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统，其特征在于：所述电动压气机进口与出口之间连接的管路上设置阀p2。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统，其特征在于：所述涡轮增压器进口与出口之间连接的管路上设置旁通阀。
5.根据权利要求1所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统，其特征在于：发动机ecu实时获取由油门踏板位置传感器、发动机转速传感器输出的油门踏板位置信号、发动机转速信号来控制阀p1、阀p2和旁通阀的开启和关闭。
6.基于权利要求1-5任一项所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
空气经由压气机或电动压气机和中冷器增压冷却后通过发动机进气管进入发动机本体参与燃烧压缩、做功，然后废气经发动机排气岐管、涡轮增压器排出，排出的废气再进入动力涡轮转化为电机的电能，提供给混合动力汽车的电池充电或作为柴油机的电机给电气设备供电。
7.根据权利要求6所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：发动机ecu实时获取由油门踏板位置传感器、发动机转速传感器输出的油门踏板位置信号、发动机转速信号来控制阀p1、阀p2和旁通阀的开启和关闭。
8.根据权利要求7所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，其特征在于：上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在低速工况时，控制阀p1开启，阀p2关闭，旁通阀开启，低速直接由电动压气机进行进气增压。
9.根据权利要求7所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，其特征在于：上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在中速工况时，控制阀p1和阀p2关闭，旁通阀关闭，进气先通过涡轮增压器，再进入电动压气机再后进入发动机进气管。
10.根据权利要求7所述的一种具有多级能量利用的涡轮复合系统的控制方法，其特征在于：上述步骤中，当发动机ecu根据油门踏板位置信号和发动机转速信号确定发动机工作在高速工况时，电动压气机不工作，控制阀p1关闭，阀p2开启，旁通阀关闭。
技术总结