高功率密度（high power density,HPD）柴油机因升功率高、可靠性好、质量轻等优点,被广泛用于军用动力源。但是HPD柴油机转速高、喷油量大、以曲轴转角计量的喷油持续期长,油气混合困难限制了功率密度的进一步提升。针对该问题,本文基于三维数值模拟,系统地研究了喷油角度、燃烧室结构参数对油气混合及燃烧过程的影响,并提出了改善策略。主要研究结果如下:研究发现适当的喷油角度（153°）有助于充分利用燃烧室凹坑和挤流区的空气,改善油气混合及燃烧过程。燃烧室结构参数对缸内流场、油气混合、燃烧过程有显著影响:唇口半径（Di）主要影响燃油油束撞击燃烧室壁面的位置和时刻,唇口深度（h）主要影响燃油油束撞击壁面后的分流比例,凹弧半径（R）与凹弧位置（X）主要影响油束撞壁后沿壁面的发展过程。在此基础上,基于遗传算法与神经网络优化了燃烧结构参数,当Di为36.5 mm、h为6.0 mm、R为3.7 mm、X为34.0 mm时,喷雾与燃烧室良好匹配,有效功率提高了3.71 k W。为进一步优化高功率密度柴油机的油气混合与燃烧过程,本文提出了油束分离装置（fuel split device,FSD）,燃油油束撞击圆环后被分为两部分并在圆环背后形成一个负压区,上部分油束继续发展与燃烧室壁面接触后二次分流,在挤流区与负压区附近各形成一个涡团,下部分油束在圆环的作用下向凹坑内扩散,并在凹坑内形成一个涡团。在FSD的作用下,缸内形成了多涡结构,促进了燃油与空气的混合。在发动机工作过程中,圆环与喷油器的相对位置保持不变,多涡结构可持续到喷油结束后,整个喷油持续期内圆环可持续引导燃油,这将大幅提高燃烧室内的空气利用率并改善油气混合。数值计算结果表明FSD可大幅改善油气混合与燃烧过程,有效功率提高了6 k W,碳烟、HC、CO等排放物最终生成质量分别降低了73%、90%、54%。FSD在优化HPD柴油机油气混合及燃烧过程等方面有巨大潜力。