氢气的点火能量低、可燃范围广，导致氢内燃机容易发生回火和早燃，回火后进气管内的高温废气进入气缸，在整个循环中向燃烧室壁面大量散热，提高了缸内元件的温度，使得局部出现热点而引发表面点火爆震。而持续的爆燃同样会使缸内出现热点，而引起失控的早燃，继而进一步增加热负荷，早燃出现越来越提前，最终引起回火。三种不正常燃烧现象相互影响，增大了氢内燃机的控制难度。为了控制氢内燃机的异常燃烧，提出了使用配气相位优化、射流点火、多次喷射等多技术组合的方式来控制异常燃烧，保证氢内燃机在全工况下稳定运转。

直喷氢内燃机中，喷氢相位直接影响缸内氢气混合，但喷氢相位受转速、浓度、喷射压力等因素的影响，在不同工况下对性能的影响规律各不相同。本文通过仿真和试验得到，高速氢气提前喷射会导致缸内湍动能增加，湍流聚集区燃烧温度和NOx排放相应增大，而推迟喷射后，泵气和传热损失减少，功率和效率增加，但缸内相对局部过浓区域会有大量NOx排放生成，因此存在实现超低NOx排放下的最优喷氢相位。进一步以常用参数“喷氢开启角（SOI）”为变量开展全工况下超低NOx试验研究发现，不同转速下动力性和经济性随SOI变化呈现无规律分布，无法提出一个普适的优化策略。因此，提出调整控制变量为“喷氢结束角（EOI）”，并发现性能曲线呈现具有明显的规律性。试验得到全工况下调整喷射结束角为80°CA BTDC左右为最优喷射相位，在实现超低NOx排放时，相比于其他喷氢相位，此相位的功率和效率显著提升，对简化超低NOx排放直喷氢内燃机的标定开发具有重要意义。

氢气具有燃烧速度快，淬熄距离短的特点，使得其冷却系统和排气能量的分布规律不同于传统内燃机，而涡轮增压器的介入，也改变了系统的能量分配规律。基于增压试验平台，探索不同工况参数对功率、排气能量、冷却系统带走的能量和其他能量损失及其比例的影响规律。结果表明，增压氢内燃机的最高有效热效率达到36.3%，且对负荷更加敏感；冷却系统带走的能量峰值出现在低速小负荷区域；排气带走的能量受到转速和负荷的共同作用；混合气浓度能够提升增压之后低速工况下增压氢内燃机的动力性和经济性。基于热力学第二定律，分析排气能量和冷却系统带走的能量中的㶲含量。结果表明排气中的㶲含量最大值超过23%，冷却系统带走的能量中㶲含量不超过5%，系统的总㶲含量超过59%。这些研究结果，从 “量”和“质”两个方面为增压氢内燃机避免能量损失、提升整机热效率指明了方向。

控制氢内燃机NOx的技术手段有稀薄燃烧、推迟点火、优化喷射、废气再循环等，但不同技术手段能否实现超低NOx排放，且是否会影响动力性和经济性尚未明确。本文基于直喷氢内燃机试验平台，对过量空气系数、点火角、涡轮增压、废气再循环等参数开展了详细的研究，发现稀薄燃烧是大幅降低NOx排放至超低的有效措施，但稀燃后发动机动力大幅下降，需要通过增压恢复其动力性。总结试验结果后，提出了稀薄燃烧、涡轮增压、提高压缩比和喷射优化是在拓展功率、效率目标下实现缸内超低NOx排放的重要技术路径，对指导超低NOx排放直喷氢内燃机开发具有重要意义。