本发明公开了一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统,所述系统是以CO2为工质,以柴油机高温烟气的余热为热源,以柴油机冷却系统热水的余热驱动吸收式制冷产物为冷源的特殊二氧化碳朗肯循环系统。主要由烟气余热交换器、CO2透平、动力设备、回热器、冷凝器、高压泵、烟气热水器和吸收式制冷机组成,巧妙利用CO2工质在临界点附近凝结焓降小的特点,利用高、低品位余热构成特殊的串级联合循环,取得了比ORC或其它循环更高的热功转换效率,使柴油机的燃油利用率提高18%~25%以上。本发明可实现余热发电/驱动、供热和制冷多联产,具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。