近年来，我国汽车工业发展速度极快，已连续多年产销量位居世界第一。然而，受开发模式和技术实力的影响，大部分企业在发动机正向开发的流程和能力上与国际先进水平差距仍然较大。虽然在国外专业咨询公司帮助下，很多车企建立了发动机开发所需的硬件条件，也积累了一定的开发能力，能够完成一部分正向开发工作。但是，对于直接决定发动机动力性、经济性、排放和 NVH等开发目标能否实现的概念设计和布置设计这两个正向开发流程中最重要的环节，仍然存在很多关键疑难问题，包括概念方案如何形成、形成的概念方案如何参数化，以及在布置设计阶段如何对概念设计得到的初步结果进行详细优化等。这些疑难问题是很多企业目前常用的开发方法所忽视或不能解决的。本文在多个实际发动机研发项目中，针对发动机正向开发流程概念设计和布置设计阶段若干疑难问题，总结出了一系列基于CAE的解决方法。　　概念方案形成是在抽象方式下对发动机技术方案进行选择和产品定义，对发动机开发成败起决定作用。受开发方法和技术实力限制，很多企业没有真正主导过概念方案形成，急需一种适合当前现状的概念形成方法。本文将研究基于多机对比Benchmark的概念形成方法，并结合相关CAE仿真优化，论证概念方案可行性。结果表明，通过多台竞品的对比分析，为一台2.0L涡轮增压发动机提出的原创升级概念方案可以将其性能提升到目前最先进水平，同时使用该方法成功地将一台上世纪七十年代技术水平的2.0L发动机升级为2011年国内同类发动机最先进水平。　　一维热力学性能仿真优化是发动机正向开发流程概念设计阶段对所形成的概念方案进行参数化时最重要的工作，需要确定满足性能开发目标的详细设计参数，同时还要为下一步详细三维CAE分析提供边界条件。这其中存在诸多难点，包括仿真模型的准确性、现有软件物理模型是否可沿用、以及针对先进发动机的多参数优化流程。大部分企业在性能仿真过程中，模型校准不充分、现有软件物理模型可用性考察不足、并且缺乏一套系统化的多参数优化方法。本文将以一维性能仿真模型校准、先进发动机个性化物理模型开发和多变量多目标多约束优化方法为研究目标，探讨发动机性能仿真建模、校准、物理模型二次开发和专用优化方法集成的系统化流程。研究结果表明，进排气管路一维离散方法需要以进排气道瞬态压力波为目标进行校准，经过标定的可预测燃烧模型可以在外特性和部分负荷对带有可变技术的发动机性能进行准确预测，开发的现象学着火延迟期积分法爆震预测模型能在较宽空燃比和EGR范围内对爆震进行预测，提出的多变量敏感性分析方法能从众多变量中挑选出关键设计变量、基于人工神经网络元模型的间接优化法适用于以外特性为目标的折中式优化、基于遗传算法的直接优化法适用于部分负荷优化。　　缸内直喷发动机燃烧系统开发是布置设计阶段的重要难点，需要对喷油系统、进气系统和燃烧室进行同步优化，CFD是直喷发动机燃烧系统优化设计的唯一有效方法，而CFD模型精度对CFD仿真优化结果可靠性起决定性影响。很多企业在 CFD模型校准方面才刚起步，流程和方法还不完善，并且缺乏系统化的直喷发动机燃烧系统CFD优化设计方法。本文将探讨CFD仿真模型的校准方法和直喷发动机燃烧系统开发过程中常见疑难问题的CAE优化设计方法。研究结果表明，基于喷雾形态、贯穿距、喷雾锥角、燃油落点分布、液滴 SMD和喷雾速度场等物理量的激光测试结果，可以对喷雾CFD仿真模型进行校准；在可视化发动机的缸内流场PIV测试基础上，可以对缸内流动CFD仿真模型进行验证；提出的直喷发动机燃烧系统CFD优化设计流程可以进行气道方案选型、燃油碰壁优化、失火问题优化、爆震诊断和排放优化。　　多缸发动机受进排气方式和燃烧模式的影响而存在缸间均匀性差异，是布置设计阶段的另一关键难题。在布置设计阶段进行进气系统设计和CAE热负荷优化时，需要考虑缸间均匀性的影响。目前，大部分企业的设计方法在边界条件设定上都采用人为假设或一维近似，很少会考虑多缸均匀性的影响。本文将探讨进气均匀性CAE优化设计方法，以及考虑多缸燃烧不均匀性影响的水套、活塞和排气歧管等关键受热部件热负荷CAE分析方法。研究结果表明，使用一维三维耦合的CAE方法，可以从进气均匀性角度对进气歧管设计方案进行评估和优化；基于多缸燃烧CFD得到的燃气热边界，能反应各缸燃烧不均匀性对水套流体区、缸体、缸盖、活塞和排气歧管等固体区温度分布的影响，得到的热点位置和高温区分布比传统方法更接近实际。