与传统PFI汽油发动机相比,缸内直喷(Gasoline Direct Injection,GDI)汽油发动机在节能减排方面具有更突出的优势,国内外研究表明缸内直喷技术将成为车用汽油发动机未来发展的主要趋势。GDI喷油器是影响缸内混合气形成质量进而影响发动机燃烧排放的关键部件,因此,如何依据日益严格的汽车经济性和排放法规的要求,不断提高GDI喷油器性能成为目前燃油喷射领域研究的热点问题。GDI喷油器的工作过程受到结构、电磁、温度、流动等多场参数的共同作用,而且各物理场之间存在交叉作用、强弱不同的复杂耦合关系,使得进一步提升GDI喷油器的性能成为该领域的一个难点问题。本文以GDI多孔喷油器为研究对象,围绕多场参数耦合机理和结构参数优化方法开展了研究工作。在建立GDI多孔喷油器各子系统模型并分析各物理场耦合形式及参数传递关系的基础上,通过多场参数耦合仿真分析了不同参数对电磁性能及喷雾性能的影响规律,并对其磁路及喷孔结构进行了多目标分步优化。本文的研究工作主要包括以下几个方面:借鉴国外GDI喷油器的典型结构,建立了GDI多孔喷油器的基本结构模型,依据电磁学、机械动力学、流体动力学以及热力学基本原理分别建立了其工作过程所涉及的电路、磁路、机械运动、电磁损耗、流动及喷雾各个子系统模型,并分析了各物理场之间的耦合特点及参数传递关系,为开展多物理场耦合分析及多目标参数优化奠定了基础。系统地分析了多物理场耦合形式和求解方法,并利用背包问题对四种多目标智能优化算法的收敛性、分布性和运算效率进行了评价,确定了多目标模拟退火算法(Multi Objective Simulated Annealing,MOSA)为磁路结构最佳优化算法。依据GDI多孔喷油器多场参数耦合特点和有限元求解方法,利用ANSYS Workbench作为主平台,建立了链接Simplore、Ansoft Maxwell、Thermal、Fluent等仿真软件的数据接口,实现了多物理场参数之间的数据交互。采用有限元仿真方法,详细地分析了GDI喷油器的电-磁-热耦合过程以及电流、磁感应强度、温度及动态响应的变化规律以及本体温升对动态响应特性的影响规律;以本体温升为热源,分析了GDI喷油器内部热量的传热特征,并建立了热-流耦合的边界条件,利用时间步长迭代法对热-流瞬态耦合过程进行了计算仿真,详细研究了燃油流动对本体温升以及本体温升对喷孔内部流动和外部喷雾特性的影响规律;通过试验,从动态响应特性、温度分布特性、内部流动及喷雾特性等方面对多物理耦合仿真方法的可行性和有效性进行了验证。针对磁路参数与喷孔结构参数之间所表现出的间接、弱耦合特点,设计了分步优化策略分别对磁路参数和喷孔结构参数进行优化。在磁路参数优化过程中,以提高动态响应特性和结构紧凑性,降低能耗为优化目标,采用MOSA算法对GDI喷油器的磁路结构进行了仿真优化,结果表明,优化后GDI喷油器的结构尺寸减小,电磁损耗下降,动态响应响应特性提高。根据喷孔的设计原则,在磁路结构优化完成的基础上,采用正交实验法对喷孔结构参数进行了匹配分析,利用统计学原理,揭示了喷孔结构参数对喷孔内部流动及外部喷雾的影响程度,结果表明,优化后在保证喷雾形态和贯穿距离基本不变的条件下,喷雾颗粒直径明显减小。最后对GDI喷油器的加工制造技术进行了深入研究,完成了材料选型、工艺设计和装配方案制定,根据优化前后的GDI喷油器结构试制了一批样品。利用GDI喷油器综合性能测试系统,对优化前后GDI喷油器的温度变化规律、动态响应特性、喷雾特性和流量特性等进行了试验对比研究,结果表明,优化后的GDI喷油器综合性能显著提高,同时证明本文的研究方法能为其综合性能的预测和评估提供可靠的理论依据,为其结构参数优化设计提供指导。