文 | 咸鱼永不放盐
编辑 | 咸鱼永不放盐
«——【·前言·】——»
近几十年来，化石燃料及其对污染的影响，已经促使研究人员寻找清洁燃料资源。氢是唯一不含碳的可再生燃料。显然，通过减少燃料中的碳可以减少发动机的排放。
氢作为一种清洁、环保的燃料，是一种可获取的、无尽的燃料来源。根据国际能源署（IEA）的《氢气的全球趋势和前景》报告，2022年氢气的商业价值预计超过1540亿美元。
氢气可以通过电化学、生物和热化学方法生成。图中展示了不同的氢气生产方法。制备氢气最理想的方法是使用可再生能源，如太阳能和风能等开展水电解；太阳能和水几乎在全球都可利用。
必须将制备氢气的成本降低到可以使用水电解的程度。同时必须提高系统的耐久性、可靠性和安全性。
在水电解过程中，氢气和氧气一起产生，生成的气体称为氢氧气体（HHO），使用湿式电池发生器可以从电极的所有表面产生HHO。
但这些发生器的主要问题是会产生热量并降低产量，在干式电池类型的发生器中，水在电极之间流动并且产生的热量较少，这种类型的发生器是更高效的类型，它们通常使用NaOH或KOH作为电解质来使水离子化。
氢氧气体含有1摩尔的氢和2摩尔的氧，使用天然气、沼气或氢等气态燃料与柴油混合燃烧的柴油发动机称为“双燃料柴油发动机”。
研究表明，HHO气体比柴油更容易燃烧，因此HHO气体可以改善柴油发动机的燃烧过程，使用氢可以增加燃料的H/C比，并减少基于碳的废气排放。
氢气在空气中的扩散速率极高，所以可以减少柴油喷射的不均匀性，创造更均匀的燃料——空气混合物。
此外，生物柴油燃料还可以改善柴油发动机的性能和排放，与氢气一样，生物柴油是一种可再生和清洁燃料。使用生物柴油可以显著减少温室气体。
在生物柴油燃烧领域的研究中表明，生物柴油燃料可以减少颗粒物（PM）、未燃烧碳氢化合物（UHC）和一氧化碳（CO）的排放。由于生物柴油的低低位发热值（LHV），它产生的制动功率（BP）较柴油燃料低。
研究人员正在寻找解决这个问题的方法，一种方法是使用高能量含量的添加剂，如氢气。
最近各种研究表明在柴油机中使用氢氧气体和生物柴油燃料的混合物。几乎所有研究人员都认为，在柴油发动机中使用氢氧气体可以增加制动功率（BP）、制动扭矩（BT）和制动热效率（BTE），同时降低制动比燃油消耗（BSFC）。
大多数研究人员还发现，在柴油发动机中使用氢氧气体可以减少一氧化碳（CO）、未燃烧碳氢化合物（UHC）和颗粒物（PM）的排放，并增加氮氧化物（NOx）和二氧化碳（CO2）的排放。
综合各篇文章内容可以发现，在柴油发动机中使用氢氧气体可以改善发动机性能并减少排放，氢氧气体是一种新颖且可持续的能源来源，可以在当前和未来提供能源安全保障。
据了解，低水平氢氧气体作为添加剂，以及氢氧气体与生物柴油的相互作用效应尚未报告。
本研究设计，并制造了一个干式电解氢氧气体发生器，然后研究了在双燃料柴油发动机中使用氢氧气体和柴油-生物柴油混合物（B5和B20）的效果。
柴油发动机连接到一个电力发生器，产生氢氧气体所需的电力来自柴油发动机，因此净制动功率（BP）是评估该系统的标准。
«——【·HHO发电机的设计、制造和评估·】——»
本研究设计并制造了一种干式电解氢氧发生器，38块尺寸为20×20×1毫米的电极板，由不锈钢316L制成。
在电极之间有2毫米厚的防腐橡胶垫片，垫片由耐腐蚀橡胶（环氧丙烯橡胶）制成，可以避免相邻板之间的接触。一个电极板连接到负极（阴极），两个电极板连接到正极（阳极），其余电极板为中性。
顶部和底部的电极板上有直径为5毫米的孔，电解液在所有电池之间自由流动。产生的氢氧气体通过上部电极板上的孔被收集在发生器的顶部。
通过一个水陷阱来确保系统的安全性，并将产生的气体从中通入。以下图中展示了HHO发生器的原理图。
碱性电解液是通过向蒸馏水中加入NaOH而制备的，HHO发生器的电解液容量为1.5升，电解过程使用柴油发动机产生的（～220伏）交流电进行，使用AC/DC转换器（A30和V12型号12-360-5中国）将交流电源转换为直流电源。
KYORITSU KEW MATE 2000万用表测量电压和电流强度，通过使用排放的水（使用分级圆柱和秒表）计算产生的HHO气体量。
该发生器的效率是产生的HHO气体能量与消耗的电能之比。HHO气体含有2摩尔的氢和1摩尔的氧，其中氢和氧的摩尔分数分别为0.66和0.33。氢占HHO气体体积的66%（VH2=0.66×VHHO）。
由于只有H2气体可燃，因此HHO发生器的效率根据公式：ηHHO=（VH2×ρH2×LHVH2）/（V×I×t）其中VH2是水合气中氢气的体积（m3），LHVH2是氢气的低位热值，等于119.93×106 J/kg，ρH2是常规条件下氢气的密度，等于0.0838kg/m3。
V为电压（伏），I为电流（安培），t为时间（秒），这些参数均在实验中得以测量。
由于电解液浓度直接影响HHO的产量，因此本实验在蒸馏水中分别加入了2、4、6、8和10克/升的NaOH。
图中显示了不同催化剂浓度下HHO气体发生器的效率。观察到随着催化剂浓度的增加，HHO气体发生器的效率最初增加，然后下降。催化剂浓度为6 g/L时，HHO发生器的最高效率为39.12％。
«——【·燃料性质与反应·】——»
本研究使用废弃食用油（WCO）、甲醇酒精（酒精与油的比例为6：1）和NaOH催化剂（占油重量的1％）通过65°C的温度，600rpm的搅拌强度，在30分钟内进行酯交换反应来生产生物柴油。
最终在洗涤和中和过程后，得到纯度为98.5％的生物柴油。图中显示了生物柴油生产的步骤。根据ASTM标准测量了生物柴油和柴油燃料的热化学性质。表2列出了所制备燃料的性质。
生物柴油和柴油燃料按5％和20％体积比混合，分别称为B5和B20。在每个燃料样本中，HHO气体以3、4和5 cc/s（0.18、0.24和0.3 L/min）的速率添加。B5、B20和纯柴油（D）被用作对照燃料。表3显示了柴油、生物柴油和HHO燃料的用量。
发动机测试是通过Kirloskar DA10单缸柴油发动机进行的。发动机规格在表中详细描述，发动机轴连接到jb/t-200电发生器上。
发电被传输到加热器中，通过可变电阻（型号：TDGC2-5KVA）。通过改变可变电阻的状态，发动机承受负载。
通过称重传感器（F）测量力，计算出了制动扭矩的关系式BT=0.3×F。
通过使用磁性传感器和Autonics MP5W-4N脉冲计测量发动机的转速，计算出了公式（2）的制动功率：BP=（2π×0.3）/（60×103）×F×N，其中F为力量（N），N为发动机的转速（rpm），BP指的是制动功率（kW）。
通过校准的气缸法测量液体燃料的消耗流量（m˙f），再测量4cc的燃油消耗时间，以此计算出燃料消耗流量，GS-84-04C G4流量计测量氢氧气体（HHO）的容积流速。
使用KIGAZ 210便携式气体分析仪（Kimo nstruments“ Chevry-Cossigny“ France）测量排放气体，气体分析仪分别以0.1 vol.%、1和1 ppm的精度测量CO2、CO和NOX排放值。
在发动机测试中，柴油、B5和B20是能源来源。产生HHO气体所需的电力由连接到发动机上的电发生器提供。如果我们将柴油-发电机组视为一个热力学系统，则产生HHO气体所需的电力将是内能。图7显示了柴油发电机组作为热力学系统的模型。
特定制动燃油消耗率（g/kWh）通过公式计算得出：BSFC=3.6×（ρf.V˙f）/BP
其中实验测量得到燃料消耗的体积流量V˙f（cc/s），柴油、B5和B20燃料的密度分别为0.840、0.8423和0.8491 kg/m3。
通过公式计算出制动热效率（%）：BTE=（BP×10−3）/（ρf.V˙f.LHVf），其中柴油、B5和B20燃料的低位发热值LHVf分别为42.49、42.43和40.01 MJ/kg。
计算了方程中HHO/生物柴油/柴油优势的λ：λ=（m˙a）/【m˙ff】+【m˙HHOHHO】其中m˙a、m˙f和m˙HHO分别是空气流量、液体燃料流量和HHO质量流量（g/s）。
HHO是HHO气体与空气的化学计量比（=0）。根据化学式计算，f是空气与燃料（D、B5和B20）的化学计量比，分别为14.3、14.19和13.91。
鉴于m˙a=ρa.V˙a和m˙f=ρf.V˙f，化学当量比（∅）等于倒数的λ（∅=λ−1）。因此公式（6）的化学当量比被计算为：∅=f×（ρfV˙f）/（ρaV˙a）
而V˙a和V˙f则分别进气空气流量和进气燃料流量（cc/s），由实验测量得到，ρa和ρf是空气和燃料的密度（kg/m3）。
在所有实验测试中，所测数据的准确性都得到了验证。由于设备测量误差，据此根据公式计算了数据的不确定性：δR=[²+²+…+²]0.5
δR是不确定性量，R是响应函数，x1、x2 … 和x2是自变量，δ1、δ2 … 和δn是每个自变量的不确定性符号。
电机负载、电机转速和体积燃料消耗的准确性分别为±1 N、±5rpm和±0.1 cc/s。因此，BP、BSFC和BTE的不确定度分别计算为1.014％、1.033％和1.275％。
发动机测试在满负荷和恒速1500 rpm下进行，HHO气体用作柴油、B5和B20燃料的补充，共使用三个级别，分别为3、4和5 cc/s。HHO气体通过进气歧管进入发动机的燃烧室。
通过改变电解系统的电压并使用校准表，可以测量和控制HHO气体的流量。
«——【·结论·】——»
本研究主要目的是采用HHO和生物柴油/柴油混合物作为导火索燃料，调查双燃料柴油发动机的性能和排放情况。
使用3cc/s流量的HHO气体对BP没有显著影响，但使用4和5cc/s的HHO气体会增加BP，与柴油和B5燃料相比，DHHO5和B5HHO5燃料的BP增加最高，分别增加了2.61%和3.16%。
添加5cc/s的HHO气体可以显著降低BSFC，DHHO5、B5HHO5和B20HHO5燃料的最低BSFC值分别为218、227和224g/kWh，使用3cc/s的HHO气体对BTE没有显著影响，但使用4和5cc/s的HHO气体可以显著提高发动机的BTE。
4和5cc/s的HHO气体还显著降低了CO2排放，同时使用HHO气体和生物柴油加强了燃烧室中氧气增加的效应，并显著降低了CO排放。
B20HHO5燃料的CO减少最多，在双燃料柴油发动机中使用HHO和生物柴油气体会增加NOx排放，B20HHO4燃料的最高NOX为2.039 g/kWh，明显高于B20和柴油燃料。
根据所得结果，在双燃料柴油发动机中同时使用HHO气体和生物柴油燃料可以增强燃料燃烧，提高发动机的性能和排放情况，对于BSFC降低和排放情况的显著影响，所需最小的HHO气体量为5cc/s。
因此在不改变柴油发动机结构的情况下，使用HHO气体可以被认为是一种有前途的技术，HHO气体用于增加双燃料柴油发动机的性能并降低排放。
