本文站在现代设计方法论的高度，从设计自身的发展历史入题，全面地介绍和分析了虚拟设计在工程设计中的应用状况及发展前景。全文以“建模-运动学分析-优化设计-动力学分析”逐层深入的顺序，介绍了虚拟设计各个技术内涵在内燃机设计领域中的应用。 创造性地，提出“特征解决方案”的概念；预见到“模板设计是虚拟设计今后的发展方向”；引伸出“基于虚拟设计技术的优化设计方法”；完善了现有的“配气机构弹性动力学模型”；总结归纳更为完整的“虚拟样机”的定义。 首先，提出“特征解决方案”概念，旨在完善一套高效的设计模式以指导复杂拓扑结构的虚拟化研发过程。并以内燃机可变涡流比进气系统为例，制定气道3D 建模的特征解决方案，使得气道研发以一种虚拟的方式在计算机中进行。为评估新模式的优越性，本文介绍了该进气系统研发期间涉及到的CFD分析过程。 其次，论述了虚拟设计在推广过程中遇到的社会问题，提出了“模板设计是虚拟设计今后的发展方向”的论点。并以此为出发点，结合“基于虚拟设计技术的优化设计方法”，将“模板设计”的思想融入特征参数化技术和行为建模技术，开发了凸轮型线优化设计模板。运用该模板，对双顶置凸轮轴的凸轮型线进行了优化计算；并对优化计算结果，进行了详细的弹性动力学分析，在动力学分析过程中还对以往的顶置凸轮配气机构的动力学模型进行了较大程度的改进。 次之，本文在相应章节介绍了“基于虚拟设计技术的优化设计方法”的相关概念、技术构成和较传统模式的优越性；以“凸轮型线优化设计模板”为例，在软件平台中实现了这一新模式；将曲轴动、静平衡和轻量化设计理论引入了行为建模技术和特征参数化技术平台，优化设计曲轴平衡重，取得了十分显著的效果。 再次，继承优化计算得到的结论，建立了某一实例机型气门机构和配气机构的“虚拟样机”，通过与物理样机获得的试验数据比较发现：本章所提到的虚拟样机确实在很大程度上提高了内燃机配气机构的动力学计算的仿真程度，大大提高了内燃机配气机构虚拟设计的可信度和产品实际性能的预测能力。 此外，本文以一章篇幅介绍了基于虚拟设计技术的运动学仿真分析方法的概念、任务及意义，并以柴油机顶置双凸轮轴配气机构和曲柄连杆机构为例，进行了装配过程仿真设计和面向壳体类零件设计的机构运动学仿真分析的实践。