氢气作为一种可再生清洁能源,具有单位质量热值高、点火能量低、着火界限宽、火焰传播速度快、排放物少等优点。氢气缸内直喷的方式不仅可以避免回火和早燃等不正常燃烧现象,还能弥补气道喷射充量系数小的缺点。但是,氢气的抗爆性能差,在发动机中燃烧容易引发爆震。爆震会造成发动机零部件损坏、热效率下降等问题,因此需要对爆震进行研究以避免发动机发生强烈爆震。本文通过三维数值模拟的方法研究了一台缸内直喷氢气发动机的燃烧性能。首先,研究了喷氢时刻对混合气分布、火焰传播和爆震的影响规律。结果表明喷氢时刻越早,缸内混合气分布越均匀,火焰传播速度越快。对单次喷射而言,爆震强度随着喷氢时刻的推迟先减小后增大,爆震始点随喷氢时刻的推迟有延后的趋势。通过对自燃过程进行分析,发现当压力波和自燃火焰面相互耦合时,会造成强烈的压力振荡。爆震强度随着自燃发生时的未燃混合气质量分数增加而增大,燃烧中间产物HO2的快速上升预示着爆震现象的发生,OH是燃烧过程中占比最大的中间产物。其次,探讨了当量比和点火时刻对氢气发动机爆震的影响规律。结果表明爆震强度随着当量比的增加呈增大的趋势,自燃开始时刻随着当量比的增加而提前,并且变化规律近似呈线性。在高当量比下,自燃点的个数会增多,产生的压力波相互叠加使压力差增大,同时加速缸内未燃混合气的消耗过程,从而导致爆震强度上升。此外,稳定的燃烧有利于获得高IMEP,发动机的强烈爆震会使IMEP降低。随着点火时刻提前,爆震强度增大,自燃开始时刻提前。点火时刻提前对自燃点的出现时刻和空间位置影响不大,其爆震强度随点火时刻提前而增大的现象主要与缸内工质的压力、温度等热物性参数有关。自燃火焰传播速度随着点火时刻的提前而增加。最后,本文采用缸内喷水的措施以抑制氢气发动机的爆震,并且对比了不同喷水量和喷水时刻对减轻爆震强度的效果。对于喷水量,爆震强度随着喷水量的增加而减小,自燃开始时刻随着喷水量的增加而推迟。缸内高温区域的体积随着喷水量的增多而减小,因此NOx的排放下降。缸内喷水可以使指示热效率从未喷水时的33.1%提升到40.6%。对于喷水时刻,爆震强度随着喷水时刻的推迟而增大,自燃开始时刻随着喷水时刻的推迟先延迟后提前。随着喷水时刻提前,NOx排放先减少后增加。