使用实验与响应面法研究氢气对以热解混合物供油的压燃发动机的影响

把垃圾和简单气体变成更清洁的动力

现代柴油发动机是运输和工业的主力，但其尾气仍是顽固的空气污染和增温气体来源。本研究探讨了一种富有创意的想法：用常规柴油、废塑料制得的热解油以及氢气的混合物运行一台标准柴油机。通过对这些组合进行精细试验，研究者展示了如何在每滴燃料中榨取更多有用功，同时削减有害排放。

为什么要把氢气与柴油和塑料油混合？

氢气燃烧速度快且清洁：它不含碳，因此不会直接产生二氧化碳或积炭。相比之下，热解油是通过加热废塑料使其分解成更小分子得到的一种液体燃料。把垃圾变成燃料既能减少填埋，又能降低对原油的需求，但这种油本身可能黏稠、有异味且对发动机较为苛刻。作者将少量塑料来源的油与常规柴油混合，然后加入稳定的氢气流。他们的目标是利用柴油作为点火的“引燃”燃料，利用氢气的快速火焰改善燃烧，并把塑料燃油作为部分、低成本的化石柴油替代品。

发动机试验如何进行

团队使用了一台单缸柴油机，类似于发电机和小型机械中常见的那类发动机。他们在恒定转速下运行，并改变负载程度，从空载到满载。比较了四种燃料情况：纯柴油；柴油与氢气按能量份额各占一半；含10%热解塑料油的柴油；以及同样含10%塑料油并有固定氢气流入的混合物。灵敏的压力传感器和数据系统记录了缸内压力上升和燃烧过程中的放热情况。同时，尾气分析仪测量了一氧化碳、未燃烃、二氧化碳和氮氧化物等主要污染物。

更少燃料更高功率

两种燃料配置表现突出。当将10%的柴油替换为热解油时，发动机的制动热效率约为34%，比单纯柴油提高了大约五分之一。简单来说，更多的化学能被转化为有用的轴功，而不是作为热量被浪费。在满载时的燃料消耗从约0.35降至0.22千克/千瓦时。向该塑料油混合物中加入氢气略微降低了效率，但提高了缸内的峰值压力，并使放热曲线非常陡峭且受控。这表明燃烧更快、更完全，主要由氢气的快速点燃和易于与空气混合驱动。

净化尾气

污染物读数显示混合燃料具有明显优势。柴油、10%塑料油和氢气的混合物在所有测试工况中产生了一氧化碳、未燃烃和二氧化碳的最低水平。与纯柴油相比，一氧化碳约下降了三分之一，烃类排放下降了超过10%，表明未燃尽的燃料减少。二氧化碳也有所降低，部分原因是每单位功率燃烧的化石碳减少。氮氧化物这一主要形成烟雾的污染物表现不同：最低值出现在柴油—氢气各占一半能量份额的工况，与纯柴油相比约减少了14%。统计建模证实了这些观测趋势的一致性，且数学拟合很好地追踪了实验数据。

这对日常发动机意味着什么

对非专业读者来说，结论很直接：谨慎地向柴油中添加氢气和少量塑料来源的油，可以使传统发动机更节能、更清洁。氢气加快并净化燃烧，使发动机从每单位燃料中提取出更多功，而塑料基燃油则把一部分化石柴油替换为回收材料。同时，若干关键尾气污染物下降，并且通过合适的氢气比例可控制氮氧化物排放。尽管理论应用于实际场景仍需解决氢气储存、安全与发动机长期耐久性等问题，本研究表明将一种简单气体和废弃物衍生液体掺入现有发动机，可能是朝向更绿色、更循环能源迈出的可行一步。

引用: Kumar, K.S., Surakasi, R., Kareemullah, M. et al. Investigation of hydrogen influence on compression ignition engine fuelled with pyrolysis blends using experimental and RSM methods. Sci Rep 16, 10304 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39172-5

关键词: 氢气双燃料发动机, 废塑料热解油, 柴油发动机排放, 替代燃料, 绿色交通