柴油机作为高效率的动力设备在国内各种工程领域以及涉及国家安防的军事设备领域都有广泛的应用。但是在低温环境下,柴油机的冷起动能力、工作稳定性、燃油经济性都表现欠佳。由于我国地域广阔,冬季气温严寒的土地面积占了很大比例,一些应急设备、抢险车辆及其它特殊装备,要求柴油机在-41℃的极寒条件下要有良好的起动性能以及能够稳定高效的运行。因此,对低温条件下柴油机的工作性能进行优化在柴油机领域是研究的一个热点。本文分析了低温条件下影响柴油机工作的主要因素、柴油机性能优化以及提高柴油机冷起动能力的主要方法;针对柴油机进行了低温下性能的仿真优化分析以及冷起动耦合系统的设计,主要研究内容如下:首先对四冲程柴油机的工作过程以及原理进行了分析,根据基本假设,缸内的工质状态可用三个基本参数（p/T/m）表示,建立了四冲程柴油机工作的缸内热力过程数学模型。并利用GT-POWER仿真软件建立了柴油机性能仿真模型以及柴油机冷起动仿真模型,通过仿真结果和柴油机的出厂值的对比分析验证了模型的准确性。其次,利用建好的仿真模型对柴油机进行了冷起动仿真分析和性能优化仿真析。通过冷起动仿真分析得到了针对目标柴油机冷起动能力的改善建议;通过低温下柴油机的性能优化仿真得到了目标柴油机的最佳的喷油提前角、喷油压力、进气门开启角度和排气门开启角度。然后针对蓄电池组设计了电池保温箱并进行了保温实验,得到了合理的保温层厚度以及相应的保温时间。对于蓄电池因温度过低而不能正常使用的特殊情况,设计了用生石灰和水反应产热的应急加热装置,通过实验分析得出反应的最佳生石灰粒径和反应物浓度比,该应急装置可以对蓄电池和柴油机进行应急加热。最后,为解决柴油机在极低温度条件下冷起动困难的问题,本文搭建了以电池保温装置、应急加热装置、PTC进气预热器、冷却水加热器、柴油机控制面板为基础的柴油机冷起动耦合系统。在调试完成后对整套系统进行了预备实验,经测试发现冷起动耦合系统能正常运行,为后续的实地寒区柴油机冷起动测试奠定了基础。