柴油机具有热效率高、动力性与耐久性好等优点,在国民经济各领域得到广泛的应用,但是其噪声大、氮氧化物和颗粒较高的缺点也制约了它的进一步发展和应用。因此,如何有效地控制柴油机有害排放使其满足日益严格的排放限制法规,同时保证柴油机良好的燃油经济性,是目前柴油机研究领域的核心问题。车用柴油机满足国Ⅳ以上排放法规必须采用高压共轨电控喷油系统,因此开发适用于车用柴油机的高压共轨电控喷油系统,不仅可以提高汽车行业在国际汽车市场中的竞争力,还可以为中国的环境污染治理做出重要的贡献。本文在相关理论研究的基础上,提出了一个简化的相态分段喷雾混合模型,并以此为基础建立了一个实时性较高的柴油机工作过程准维模型。同时,作者基于硬件在环仿真技术,将柴油机工作过程准维模型、高压共轨电控喷油系统仿真模型与共轨喷油系统相结合组成柴油机共轨喷油系统硬件在环仿真系统,引用正交试验设计原理对柴油机动力性、经济性和排放性能进行了优化。论文主要进行了以下几个方面的研究工作：(1)为了了解仿真对象非增压单缸柴油机的工作特性,在对其工作过程进行详细分析的基础上,使用MATLAB/Simulink软件并根据充排法建立了柴油机工作过程零维模型,确定了柴油机工作过程仿真模型的相关参数和边界条件。仿真结果表明：柴油机工作过程零维模型对其动力性和经济性有较好的预测效果,仿真结果与实验数据相对误差均小于3.3%；对于非增压柴油机,可以忽略进气门处倒流对进气管内工质状态参数的影响,这样简化了仿真模型,提高了仿真系统运行的实时性。同时,通过柴油机工作过程零维模型的建模与仿真,为柴油机工作过程准维模型的模拟研究奠定了基础。(2)为了建立一个适用于硬件在环仿真系统的柴油机工作过程仿真模型,在对柴油机燃烧过程进行详细分析的基础上,通过深入研究前人有代表性的喷雾混合模型及其相关试验,提出了一个新的相态分段喷雾混合模型,并以此为基础建立了一个简化的柴油机工作过程准维模型。仿真结果表明：相态分段喷雾混合模型使燃油喷雾混合的计算过程大为简化,以相态分段喷雾混合模型为基础建立的柴油机工作过程准维模型对其动力性、经济性和排放性能都有较好的预测效果,仿真结果与实验数据相对误差均小于12.3%；采用小区内燃油燃烧结束后终止卷入空气的计算方法使仿真模型具有更好的预测效果,仿真结果与实验数据相对误差均小于5.9%,同时提高了仿真系统运行的实时性；对于模型中的主要参数要选择适宜的参数值,从而保证模型的预测精度。同时,比较柴油机工作过程准维模型和零维模型对柴油机缸内压力、放热率和柴油机性能参数的仿真结果可知,准维模型比零维模型有更好的预测精度,而且准维模型还可以预测柴油机的NOx和碳烟排放。(3)为了研究柴油机高压共轨电控喷油系统的喷油特性,在对柴油机高压共轨电控喷油系统组成和工作原理详细分析的基础上,结合一定的假设前提,对柴油机高压共轨电控喷油系统进行了抽象,并以此为基础建立了柴油机高压共轨电控喷油系统的数学仿真模型。模型将高压共轨电控喷油系统分为高压油泵子系统、共轨子系统和喷油器子系统,每个子系统根据各自的工作过程建立了相应的子模型。仿真结果表明：建立的仿真模型可以较好地模拟柴油机高压共轨电控喷油系统的喷油特性,通过该模型可以了解喷油系统电磁阀驱动电压、驱动电流、电磁力和电磁阀升程的变化过程；在相同的控制信号脉宽下,喷油量随共轨压力的增大而增多；为实现带预喷射的喷油规律,在控制喷油器电磁阀时必须考虑电磁阀电磁效应和机械部件运动的延迟,避免出现针阀尚未落座而又被抬起的现象发生。(4)为了研究共轨喷油系统对柴油机性能的影响,找出优化柴油机性能的共轨喷油系统参数组合,将柴油机工作过程准维模型、高压共轨电控喷油系统仿真模型和共轨喷油系统实物相结合建立柴油机共轨喷油系统硬件在环仿真系统,通过仿真计算研究共轨喷油系统的主要参数对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响,同时将正交试验设计原理应用到柴油机性能优化模拟研究中,达到优化柴油机动力性、经济性和排放性能的目的。仿真结果表明：对于高压共轨电控喷油系统在无预喷射的喷油规律时,其喷油系统主要参数对柴油机综合性能的影响程度依次为喷油压力、喷孔参数和喷油提前角；对于高压共轨电控喷油系统在带预喷射的喷油规律时,在选定较优的喷油压力和喷孔参数条件下,其喷油系统主要参数对柴油机综合性能的影响程度依次为预喷射喷油量、主喷射起始角和预喷射与主喷射的间隔。通过采用正交试验表设计仿真计算方案,用有代表性的、较少试验次数的仿真计算方案,可以找出共轨喷油系统参数与性能指标之间的内在规律,从而快速地选择共轨喷油系统参数的匹配方案,从而优化柴油机的性能指标。