《火花点火发动机中氢气混合物的性能、排放和润滑分析》
作者为来自哥伦比亚的 Carlos Pardo García、Sofia Orjuela Abril 和 Jhon Pabon Leon，发表于《Heliyon》2022 年第 8 期。
研究背景：
化石燃料的使用导致资源储备加速消耗、油价上涨以及污染排放增加，因此需要寻找减少汽油等化石燃料消耗的新策略和替代燃料。
基于电气化的推进系统技术虽有环境优势，但在电池重量、经济成本、锂需求和采矿相关环境问题等方面仍面临挑战，因此内燃机在工业和运输领域仍有很长的生命周期。
汽油发动机中的替代燃料研究侧重于使用绿色燃料减少碳足迹，目前常用的替代燃料有压缩天然气、乙醇和液化石油气等，但使用这类燃料会导致功率性能下降。
氢气被认为是最有前途的替代燃料之一，能够减少废气排放且不影响汽油发动机的性能，还能改善燃油经济性、减少污染气体排放以及提高发动机使用寿命，但关于氢气对汽油发动机中润滑油状况影响的分析很少被提及。
表1.汽油机的特性
实验设置：
实验设备：使用压缩比为 8.5:1、排量为 171 cm³、自然吸气的火花点火发动机，配备化油器和空气 - 氢气混合器，通过电阻负载库控制负载条件和转速，使用压电传感器测量燃烧室内压力，使用热线式质量空气流量传感器测量进气流量，使用精密天平与秒表计算燃料消耗，使用 K 型热电偶传感器测量排气气体和燃烧室内的温度，使用电容式 TDC 传感器同步压力数据，使用气体分析仪分析燃烧气体的污染排放，使用不透光度计测量烟雾排放的不透明度。
氢气生成装置：在发动机进气系统中安装氢气生成装置，通过水电解过程产生氢气，反应在电解槽中进行，电解槽由不锈钢板制成，使用 KOH 作为催化剂，生成的氢气存储在参考 ASME 规范设计的储罐中，并安装了硅胶过滤器和两个阻火器以确保安全。
测量仪器：气体分析仪用于分析燃烧气体的污染排放，不透光度计用于测量烟雾排放的不透明度，压电传感器用于测量气缸压力，精密天平用于测量燃料，空气质量传感器用于测量气流，曲轴角度传感器用于测量角度，温度传感器用于测量温度，流量计用于测量氢气的体积流量。
图1。发动机试验台(a)图和(b)试验台。1.重量级燃油计，2。燃油进气阀，3。燃油过滤器，4。喷射泵，5。空气流量计，6。BrainBee AGS-688, 7.BrainBee OPA-100, 8.汽缸内压力，9。编码器，第10个。装载组，11。交流-直流转换器，12个。干细胞，13岁。电解罐，14。泡泡，15岁。储物罐，16个。氢气流量计，17。火焰避雷器，18岁。硅凝胶过滤器。
实验步骤：
运行条件：发动机以 1500 rpm 的恒定转速运行，选择四个负载水平（25%、50%、75% 和 100%），对应于 2 bar（25%）、4 bar（50%）、6 bar（75%）和 8 bar（100%）的制动平均有效压力，发动机进气流量从 30:1 变化到 45:1，点火角度保持恒定，对于每个发动机负载条件，评估三个水平的氢气质量浓度（3%、6% 和 9%），氢气通过文丘里喷射器注入发动机进气系统，压力恒定为 4 bar。
润滑油研究：发动机运行 150 小时以研究润滑油的特性和劣化，每 25 小时收集一次样品，测试后更换新鲜润滑油，根据文献建议确定用于确定润滑油粘度、闪点、TAN 和 TBN 特性的标准，使用粘度计测量运动粘度，使用多元素 ICP - MS 分析仪测量金属浓度。
表2.废气分析仪的特性。
表3.发动机台式测量仪表
表4.氢气的性质。
表5.汽油的理化性质
表6.润滑油的理化性质
燃烧模型：
使用理想气体状态公式计算燃烧室内相对于曲轴角度的瞬时温度。
考虑燃烧室变形和间隙引起的瞬时气缸体积变化，用于计算瞬时温度。
根据热力学第一定律、瞬时体积数据和燃烧室内压力计算热释放率。
使用改进的 Woschni 关联计算热传递系数，考虑氢气添加的影响。
使用 Rassweiler 和 Withrow 提出的方法计算质量分数燃烧（MFB）。
结果与讨论：
燃烧特性：随着发动机负载增加，压力曲线增长，氢气的注入使燃烧室内的最大压力增加，在所有压力曲线中观察到两个峰值，与压缩阶段和膨胀阶段相关；氢气的添加使发动机的热释放率增加，热释放率曲线也有两个峰值，分别对应预混合燃烧阶段和扩散阶段。
性能特性：氢气的高热值使发动机的制动比燃料消耗（BSFC）降低，表明燃料消耗减少，同时氢气的高可燃性有助于改善燃烧过程，使发动机能够使用稀薄混合物运行；发动机的制动热效率（BTE）随着汽油和氢气混合物的使用而增加，在 25% 负载下，发动机使用氢气混合物时 BTE 的改善更为明显，最高 BTE 值在最大发动机负载下获得。
排放特性：一氧化碳（CO）排放因氢气的存在而减少，这主要归因于氢气火焰的高速和高温促进了 CO 氧化为 CO₂分子；二氧化碳（CO₂）排放随着发动机负载增加而增加，但氢气的加入会使 CO₂排放减少，这是因为氢气中没有碳原子；氮氧化物（NOx）排放随着氢气的添加而增加，与绝热火焰温度的升高和燃烧开始的延迟有关，导致燃料积累增加；氢气的添加有利于减少碳氢化合物（HC）排放，因为氢气不含碳分子且其高绝热速度和高温改善了燃烧；氢气的加入减少了汽油发动机尾气的烟雾不透明度，这是由于更好的燃烧过程促进了烟尘颗粒的氧化，以及氢气中不存在碳分子。
润滑油特性：随着氢气的加入，润滑油的运动粘度降低，这与燃烧室内温度升高有关；总碱值（TBN）降低，意味着润滑剂中和腐蚀性酸的能力下降，抗腐蚀添加剂耗尽，润滑油污染增加；总酸值（TAN）增加，这是由于氮氧化物的形成增加和高燃烧温度导致的润滑油氧化和污染加剧；润滑油中 Fe 和 Cu 的磨损碎屑浓度增加，这是由于润滑油粘度降低导致气缸衬套和环之间以及发动机轴承中的润滑剂膜减少，从而加速了发动机内部部件的磨损。
图2：(a) 25%、(b) 50%、(c) 75%和100% (d).负荷下燃烧室中的压力曲线
图3.(a)25%、(b) 50%、(c) 75%和(d) 100%负荷下的热释放速率
图4.100%负荷下的平均燃烧温度
图6.不同负荷条件下发动机的制动热效率
结论：
氢气的注入增加了汽油发动机的最大燃烧压力和热释放率，改善了燃烧过程。
氢气提高了发动机的性能参数，如制动比燃料消耗降低，制动热效率提高。
氢气减少了发动机的 CO、CO₂、HC 和烟雾不透明度排放，但促进了 NOx 的形成。
汽油 - 氢气混合物降低了润滑油的运动粘度和总碱值，增加了总酸值和磨损碎屑的浓度，如 Fe 和 Cu，这意味着发动机内部部件的磨损风险增加。
未来研究方向：将扩大对发动机使用汽油 - 氢气气体混合物时金属浓度和润滑油中添加剂效果的研究。
