近年来排放和能耗的法规要求越来越苛刻,因此发动机逐渐向高压缩比和高增压比方向发展。汽油机的爆震限制了汽油机压缩比和增压比提高,增压汽油机的进气经过中冷器冷却之后温度依然很高,爆震倾向依旧很大。受限于中冷器的传热介质、体积以及效率等因素影响,通过改善中冷器进一步降低进气温度的效果会受到限制。本文针对一种用于增压汽油机的空气涡轮再冷系统开展研究,通过使中冷后的空气经过空气涡轮膨胀器降低增压汽油机的进气温度,缓解汽油机的爆震倾向以提高增压器的增压比,来改善汽油机的性能。本文基于仿真软件,建立1.5L增压汽油机的原机仿真模型,并且对汽油机的外特性上的多个工况点进行了模型校核。在原机仿真模型的基础上搭建了涡轮再冷增压系统,通过改变空气涡轮的膨胀比,获得不同的进气温降,通过PID控制废气旁通阀的开启直径改变进气压力,对比分析了不同进气温度和进气压力对汽油机的动力性和经济性的影响规律。最后选择进气温降为20°C进行仿真计算,在汽油机不发生爆震的前提下,提高涡轮再冷增压系统汽油机的增压比,最终转矩和功率提高约15%,燃油消耗率较原机略有降低。根据仿真结果,通过热力计算确定基本设计参数。基于0-0截面设计方法,借助仿真软件完成压气机和蜗壳设计。通过数值计算,完成了空气涡轮增压器压气机、涡轮叶轮的初步设计。基于均匀设计实验方法,借助仿真软件对压气机和涡轮叶轮进行优化设计。通过CAD绘制加工图纸,联系工厂进行加工,完成试验样机。搭建试验台,进行空气涡轮增压器性能试验,获得了涡轮和压气机的流量和效率特性曲线。在设计工况处,涡轮膨胀比达到1.40,有效效率接近50%;压气机压比分布在1.05到1.30之间,流量范围较为宽广。在试验工况范围内,压气机效率分布在50%到60%。基于试验结果,重新建立了仿真模型,完成了涡轮再冷增压系统与发动机的联合仿真,发现空气涡轮联合仿真效率偏低,需进一步完善设计。