气缸内氢气浓度对氢内燃机中润滑油与表面之间的相互作用以及摩擦膜形成的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：In-cylinder hydrogen concentration effects on lubricant-surface interactions and tribofilm formation in hydrogen internal combustion engines

氢浓度对内燃机活塞环-缸套界面摩擦磨损及边界膜形成的影响机制研究。通过定制氢浓度可控摩擦测试系统，结合SEM和XPS分析，系统评估了0%-100%氢浓度下润滑性能变化规律。结果表明10%-30%氢浓度显著降低摩擦系数（降幅达40%）和磨损率（降低60%-80%），表面Zn/S/P元素浓度随氢浓度增加呈指数上升，证实氢促进边界膜形成。但100%氢浓度时摩擦系数反弹至基线水平，揭示氢环境存在临界浓度窗口。研究首次建立氢浓度梯度下动态摩擦系数三维图谱，为氢能发动机专用润滑油开发提供理论依据。

　　
随着全球能源结构向低碳化转型，氢能技术因其零碳排放特性成为替代传统能源的关键方向。在内燃机领域，氢燃料内燃机（HICE）的推广面临润滑系统适配性这一核心挑战。本研究针对氢浓度梯度对活塞环-缸套界面摩擦磨损的影响机制展开系统性研究，通过自主研发的氢浓度可调摩擦测试平台，结合表面形貌与化学成分的多尺度分析方法，揭示了氢环境下润滑性能的动态演变规律。

研究团队首先构建了具备行业领先精度的实验系统，攻克了氢浓度精准控制这一技术难点。该平台采用动态闭环控制系统，能够实时调节氢气流量，实现0%-100%浓度连续梯度调节，其控制精度达到±0.5%。通过将光学显微镜与显微SEM/XPS联用技术，建立了从宏观摩擦系数到微观表面化学的多维度评价体系。实验过程中同步监测了摩擦系数的三维动态变化特征，通过云图可视化技术直观呈现了不同氢浓度下摩擦性能随时间演变的非线性规律。

实验数据表明，氢浓度在10%-30%区间时，摩擦系数较基准值降低达37%，磨损深度减少58%。表面元素分析显示，锌、硫、磷三种关键元素在氢浓度30%时表面浓度峰值较无氢环境提升2.3-4.1倍。这种显著增强的表面元素富集效应源于氢气环境对边界膜形成的特殊催化作用：在氢气氛围中，润滑油添加剂（如含锌的抗磨剂）与缸套表面铁元素发生快速化学反应，生成厚度约5-8μm的纳米级金属皂膜。这种动态边界膜不仅显著降低摩擦系数，还能有效截留高温燃气颗粒，使润滑性能在边界润滑与混合润滑状态下保持稳定。

值得注意的是，当氢浓度超过50%时，摩擦性能出现异常波动。XPS深度剖析显示，此时边界膜中硫含量超过临界阈值（0.15at%），导致膜层脆性增加，在往复运动中产生微裂纹。这种"过度润滑"现象与氢脆效应密切相关——氢分子在微裂纹中扩散形成氢气富集区，造成局部应力集中，最终引发边界膜剥落。实验中观察到，当氢浓度达到100%时，摩擦系数较30%浓度时反而上升12%，磨损速率增加2.8倍，证实了氢脆效应的存在。

在润滑油配方优化方面，研究团队创新性地引入III/VI族元素协同效应。实验对比了四种基础油配方：40%III+60%IV、60%III+40%IV、80%III+20%IV和100%III油品。结果显示，40%III+60%IV配方在氢浓度20%-30%区间时，摩擦系数达到最低值0.08，磨损体积率降至0.12mm3。这种优势源于III族元素（如钼、钨）与IV族元素（如硅、磷）的协同作用——III族元素形成纳米级金属皂膜，而IV族元素则增强膜层抗氧化能力。当氢浓度超过40%时，IV族元素的抗氧性能优势凸显，使膜层稳定性提升至无氢环境的1.8倍。

研究同时揭示了氢浓度与燃烧特性的耦合效应。在氢浓度20%-30%区间，润滑油膜能够有效截留超细颗粒物（≤50nm占比达65%），使氮氧化物排放降低42%。这归因于氢气燃烧的湍流特性与油膜截留作用的协同：高压氢气喷射产生的涡流效应促进油膜乳化，而局部燃烧不完全产生的还原性环境（CO、H2含量提升至18%-22%）则加速了边界膜的化学键合强度。当氢浓度达到100%时，这种协同效应被打破，燃烧室内残留的氢气分子导致油膜氧化速率提高3倍，形成不稳定的二氧化硅沉积层。

该研究建立的评估体系包含五个核心维度：动态摩擦系数稳定性（测试周期≥500次）、表面膜厚度均匀性（SEM图像分析）、元素浓度梯度分布（XPS深度 profiling）、抗氢脆性能（循环载荷下裂纹扩展速率）、以及燃烧副产物兼容性（颗粒物截留效率）。实验数据表明，在标准工况（氢浓度25%-35%，循环载荷200N-500N）下，优化后的润滑油配方可使摩擦系数波动范围控制在±0.005，磨损速率低于0.3mm3/10^6次行程。

研究还发现氢浓度对油膜破裂的临界压力产生显著影响。通过建立压力-氢浓度-膜厚的三维模型，证实当氢浓度超过25%时，油膜开始出现周期性破裂，破裂频率与氢浓度呈指数关系（R2=0.92）。这种破裂特性导致磨损机制从传统的磨粒磨损向疲劳磨损转化，在氢浓度30%时，表面疲劳纹路密度达到78个/mm2，较无氢环境增加3.2倍。

面对未来应用挑战，研究团队提出分级防护策略：在氢浓度<20%时，采用高粘度指数基础油配合含硫极压添加剂；在20%-40%氢浓度区间，推荐III/VI族元素协同配方；当氢浓度>40%时，需添加氢稳定剂（如聚烯烃胺类化合物）和抗氧化剂（含钴基配方）。这种分级策略使润滑系统在氢浓度变化时仍能保持稳定性能，磨损寿命延长至传统机油的1.5倍。

该研究成果已形成三项技术标准提案：氢浓度分级评价方法（草案号HB2024-L01）、复合边界膜形成条件标准（草案号HB2024-L02）、抗氢脆润滑油配方规范（草案号HB2024-L03）。这些标准不仅为行业提供了技术规范框架，更为关键的是建立了氢环境下润滑系统与发动机燃烧特性的协同优化模型。研究证实，当氢浓度控制在25%-35%时，润滑油膜厚度与燃烧产物生成速率达到最佳平衡点，此时摩擦系数稳定在0.08-0.12区间，磨损体积率控制在0.08-0.15mm3/10^6次行程，排放因子降低至0.015g/kWh。

长期耐久性测试表明，在连续500小时循环（氢浓度30%±2%）工况下，活塞环表面出现明显的纳米级氧化层（厚度约15nm），其硬度达到1200HV，较初始状态提升23%。XPS分析显示氧化层中Fe-O键占比达68%，表明形成了稳定的表面氧化保护层。这种氧化层在氢浓度40%时仍能保持完整性，但在100%氢浓度下，氧化层中氢含量超过5at%，导致结构崩解，磨损速率激增至0.25mm3/10^6次行程。

研究最后提出"氢润滑三元平衡"理论，强调氢浓度控制（H）、油膜化学稳定性（C）和机械性能匹配度（M）的三维协同优化。通过建立H-C-M三维评价模型，成功将摩擦系数波动范围从传统机油的±0.015压缩至±0.003，磨损体积率降低幅度达67%。该理论为开发新一代HICE专用润滑剂提供了重要指导，相关成果已应用于某氢燃料重卡动力系统的润滑系统改造，使发动机连续运行时间从800小时提升至2200小时，达到行业领先水平。

当前研究仍存在三个技术瓶颈需要突破：首先是如何在氢浓度>50%时维持边界膜完整性，这涉及到纳米自组装技术的创新应用；其次是如何量化氢脆效应对材料性能的长远影响，需要建立多尺度寿命预测模型；最后是如何实现润滑剂与氢燃料燃烧特性的实时动态匹配，这要求开发具备智能响应特性的新型润滑材料。后续研究计划将重点部署在原位摩擦监测技术开发、多组分润滑油体系优化以及全生命周期耐久性评估体系的建立等方面，以推动氢发动机润滑技术的工业化进程。