作为改善汽油机经济性、动力性和排放性等性能的重要技术手段，汽油缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）已经成为未来轿车用发动机的重要发展方向。通过与废气再循环、增压及可变气门正时等技术的结合，GDI技术有了更广阔的应用空间。精确控制气缸内的油气混合过程，保证点火时刻在火花塞附近形成稳定可靠的可燃混合气是GDI技术的关键，需要对缸内气流运动、燃烧室形状、喷油时刻、喷雾特性和点火时刻等因素进行精确控制和匹配。本文借助AVL-FIRE软件对GDI发动机在额定工况下的进气、压缩、混合气形成和燃烧等过程进行了三维数值模拟，为改善GDI发动机的燃烧和排放性能提供依据。首先利用控制变量法分析了不同喷油策略（喷油比例和喷油时刻）对GDI发动机性能的影响，数据表明，喷油比例和喷油定时均对油气混合和燃烧及排放性能有重要影响。当采用喷油比例为25-75、第二次喷油时刻为635oCA时混合气质量较好，燃烧效果较佳，且油膜产生量较少，主要污染物的排放较少，因此，将它选定为本研究的喷油方案。接着研究了活塞形状对GDI发动机工作的影响。构建了4种不同类型的活塞，模拟并分析了它们各自混合气形成的特点和对燃烧及排放性能的影响，数据表明：活塞形状对进气量影响不大；对于采用正滚流和使用多孔高压喷油器的GDI发动机，“平顶+凹坑”的活塞顶设计相比于其他形状存在明显优势，主要表现在：有利于加强缸内湍流，促进燃油的蒸发，减少活塞的燃油湿壁量，但较强的滚流可能增加气缸壁的湿壁量；有助于在点火时刻在火花塞附近形成优良的混合气分布，且具有稳定性和可复现性的优点；有利于点火后火焰的传播和快速放热，缸内温度和压力上升迅速；有利于提高燃料的利用率，累计放热量较高，温度和压力的峰值也较高，会加剧NOx的生成，但有利于碳烟的后期氧化，从而降低碳烟排放。在确定了活塞“平顶+凹坑”的方案后，又对凹坑的深度和宽度进行了优化，性能得到进一步提升。利用优化后的模型对点火时刻敏感性进行了研究，数据表明，过早和过晚的点火都对发动机的工作不利。过早的点火易造成较大的压缩负功，且过高的压力升高率增加了爆燃的趋势；过晚的点火使缸压较低，降低了发动机的动力性，且燃料燃烧效果不佳，部分主要污染物的排放较高。最后确定适合点火的范围是698~700°CA。