与传统进气道喷射式汽油机相比，直喷汽油机具有燃油经济性好、瞬态响应好等优点。但是，当直喷汽油机在小负荷工况下采用分层燃烧模式时，会导致NOx、未燃HC以及碳烟等有害产物的增加。此时，汽油机传统三效催化器的催化效率大大降低。因此，使用理论空燃比混合气仍然是当前直喷汽油机满足严格排放法规的必然选择。本文以直喷汽油机小负荷时缸内混合气形成为研究对象，在三维计算流体力学软件Star-CD的框架基础之上，针对多孔汽油喷油器的特点，创新性地建立了Huh-Gosman-KH-RT复合雾化破碎模型。在分裂长度以内，采用Huh-Gosman破碎机理与KH破碎机理相互竞争模拟初始燃油破碎，在油束到达分裂长度之后，将RT破碎机理加入与前两者一同竞争。经过定容弹内喷油实验的验证，复合雾化破碎模型可以较准确预测油束的贯穿度。利用该模型对不同喷射压力和背景气体压力下的燃油喷射过程进行了研究。结果表明，背压越高，燃油破碎程度越低，而油束尾部破碎程度相对增强。提高喷油压力对于破碎的增强作用在高背压条件下更为显著。建立了单缸GDI发动机的三维模拟平台。模拟研究了在固定喷油量，理论燃空比混合气燃烧模式下，进气门升程和喷油时刻对缸内混合气浓度不均匀性的控制作用。结果表明，进气门升程对混合气形成过程的影响大于喷油定时。小进气门升程和在进气门关闭之前喷油策略可以使缸内混合气浓度不均匀度最低。为了解决平顶型活塞燃烧室在稀燃模式下不易在火花塞附近形成可燃混合气的问题，创新性地提出了具有主、副两个凹坑相连的直喷汽油机燃烧室。其中利用主凹坑对油束进行引导，利用副凹坑将晚喷燃油控制在主凹坑内。与原燃烧室相比，所设计的燃烧室可以在不同晚喷喷油定时下实现分层稀燃。针对直喷汽油机分层稀燃模式下缸内存在局部混合气浓区而造成的排放较高问题，提出了采用二次喷射和提高二次喷油压力的喷油策略。模拟结果表明，采用这种喷油策略在保证火花塞附近形成可燃混合气的同时，降低了缸内混合气浓度的不均匀度，大大提高了燃烧速度，缩短了燃烧持续期，同时降低了缸内的NOx、未燃HC和碳烟生成量。