提高升功率是柴油机发展的一个重要方向。二级可变增压技术能够显著提高柴油机的升功率，改善柴油机低速时的扭矩，已经被视为满足未来车用要求的较有潜力的技术之一。目前国内对二级可变增压技术的研究较少，因此对车用高速柴油机初步设计二级增压系统，并对其进行试验探索与计算研究具有一定的价值和意义。本文在查阅国内外文献的基础上，针对4100增压中冷柴油机匹配二级可变增压系统进行了研究。根据原机的结构参数和设计目标，采用顾宏中教授的JTK法对增压参数进行了估算。根据估算的结果，为4100增压中冷柴油机选配了高、低压级增压器，通过三维设计软件IDEAS 11对增压系统管道的连接及其安装进行了三维模拟。在此基础上，设计加工了二级可变增压系统并匹配柴油机进行台架试验，比较分析了二级增压前后柴油机的性能变化。通过研究柴油机性能模拟计算的理论，运用AVLBOOST软件对二级可变增压系统进行了数值模拟计算，用二级可变增压试验的结果对计算模型进行了验证，计算了不同排气能量的分配模型对二级增压柴油机性能的影响。通过以上试验探索与性能模拟计算，获得了二级增压系统设计的方法，得到了二级增压系统最佳排气能量的分配比例，为优化二级增压系统的设计提供了指导。