内燃机排气中蕴含着可观的能量，但因其能量密度低、品质不高，高效回收利用的难度大。目前，复合涡轮技术是主流的发动机排气余热回收技术，也是发动机节能减排的主要研究发展方向之一。复合涡轮技术是使发动机排气在增压涡轮与动力涡轮中连续膨胀做功，将排气中的可用能转化为有效功输出，提高发动机的热效率与燃油经济性。复合涡轮中两涡轮的匹配问题与变截面复合涡轮系统内部流动规律及对发动机系统及其部件的性能影响都是目前研究的重点与难点之一。
　　本文在分析增压涡轮与动力涡轮内部流动过程的基础上，从柴油机进气量需求的角度，建立了柴油机性能参数与增压涡轮匹配参数之间的关系，寻找适合目标发动机的增压涡轮。从径流式动力涡轮的几何参数入手，分析了动力涡轮主要设计几何参数与动力涡轮输出功率、轮周效率之间的关系，找出了匹配目标增压发动机的最佳几何参数值。计算结果显示，在轮径比、喷嘴出口气流角、叶轮出口气流角的计算范围内对动力涡轮轮周效率与输出功率有较大影响。匹配优化后，在发动机高转速时的动力涡轮输出功率最多提升了6KW左右。
　　在完成增压涡轮与动力涡轮的选配之后，通过仿真软件GT-POWER建立了发动机、增压系统、变截面动力涡轮在内的一维仿真模型，并通过试验数据对该模型进行了标定。
　　在搭建的仿真模型基础上，研究了变截面动力涡轮面积比对复合涡轮系统中的动力涡轮、增压涡轮及发动机性能的影响，并通过分析全发动机转速工况下的动力涡轮面积比对动力涡轮输出功率及发动机输出功率、节油率的影响，进而得出了变截面动力涡轮面积比的调控方案。仿真计算结果表明，随着发动机转速的增加，动力涡轮输出功率与变截面复合涡轮发动机节油率的峰值逐渐向面积比增大的方向移动。选择适合的动力涡轮面积比能够在尽量减少发动机动力性能损失的情况下明显提高发动机的节油率。
　　最后通过比较单增压涡轮系统、固定截面积复合涡轮系统与变截面复合涡轮系统，三者对发动机系统性能的影响，探讨了变截面复合涡轮发动机系统的优缺点。分析结果表明，串联安装复合涡轮系统不可避免的会影响发动机的动力性能。相比固体截面复合涡轮系统，安装变截面复合涡轮系统能使发动机的燃油消耗率在全工况下都有所下降，其发动机节油率最多可增至5.58%，能够达到有效回收发动机排气余热的目的。