CN1916381A - 可燃粉末内燃机 - Google Patents

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Abstract

可燃粉末内燃机，涉及一种以可燃固体粉末为能源的新的内燃发动机的技术方法。包括气化式粉末内燃机、直接喷射式粉末内燃机和可燃固体粉末燃料。其特征是内燃发动机由燃料预处理器、混合器、燃料喷供器和排放处理器等组成；可燃固体粉末燃料是植物残体、煤炭或可燃废弃物和添加剂加工而成。具有取之不尽，洁净环保，价格低廉的特点。适合于农村发电，水利排灌，轮船汽车等动力装置，有广阔的市场前景。

Description

可燃粉末内燃机
技术领域
可燃粉末内燃机，涉及一种以可燃固体粉末为能源的新的内燃发动机的技术方法。
背景技术
内燃机是燃料在发动机气缸内燃烧产生热能，转化为机械能的动力机械。它包括曲轴连杆机构、配气机构、燃料系、润滑系、冷却系、控制系等。通常内燃机的燃料来自于石油，以柴油为燃料的称为柴油机，以汽油为燃料的称为汽油机。
海湾战争以来，石油价格不断攀升。内燃机能源问题是摆在我们面前的棘手的课题。由于地球上的石油资源是有限的，据最新资料，迄今为止发现的油田，独联体的石油储藏量是93.8亿吨，美国40.2亿吨，沙特阿拉伯893.3亿吨，中国29.3亿吨，墨西哥77.3亿吨，伊拉克159亿吨，伊朗147.6亿吨，英国8.3亿吨。按现在的开采量计算，石油能开采的年数已不多了：独联体是每年6.24亿吨，不到13年就完了；美国4.10亿吨，不到8年；沙特阿拉伯2.55亿吨，113年；中国1.37亿吨，19年；墨西哥1.31亿吨，52.5年；伊拉克1.31亿吨，130.7年；伊朗1.31亿吨，108.6年；英国1.11亿吨，5.8年。以整个世界经济发展和对能源不断增长的需求看，形势逼人。世界各国目前在太阳能、地热能、风能、潮汛能、原子能、核能的利用，正受到越来越严重的关切。在石油资源尚未枯竭之前，我们寻找代替能源的步伐必须加快。
各国的科学家们正在寻找内燃机燃油的代用品的新能源中，有5种选择：1.天然气：早在19世纪60年代，法国人就用过以煤气作燃料的发动机。天然气的辛烷值高，对空气的污染程度小，而且在冬季发动机启动好。1980年，世界上已有40万辆汽车改用天然气作动力燃料。但是天然气不能再生，还是会用完，而且天然气加气站的设备比普通的加油站的设备要大和贵。2.氢气：液态氢是一种很好的燃料。现在已经出现了用氢作燃料的汽车。液态氢的缺点是密度太小，沸点太低。3.酒精：酒精中的甲醇和乙醇是汽油最现实的竞争者。困难在于提炼酒精的原料不十分丰富。日本研究用海藻作原料，挪威研究用针叶树的木材提炼酒精，墨西哥已成功地从仙人掌中提炼出酒精，新西兰采用桔子皮提炼汽车燃料，并初见成效。
据测算，1平方米植物能提炼出1千克的燃料，是目前汽油成本的3倍。4.水：人们发现，在燃油中掺水效果良好。实验证明，一般加水10％最理想。但是水只能是在燃油中少量掺人，不能完全取代。5.萘苯混合燃料：人们早已知道用萘作燃料。20世纪20年代，有人作过用15％的萘和85％的苯混合作燃料的试验，使用中发动机运转良好。萘的辛烷值可与质量最好的苯相比。只要加入一定量的萘，其效果就很显著。但萘的价格比汽油贵得多。上述燃油的代用品各有利弊，在推广应用中还有一定的问题。
太阳，是一个取之不尽，用之不竭的能源宝库，它每秒投递到地面上的能量高达80万亿千瓦，相当于550万吨煤的能量。绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学能是固定利用太阳能的最佳手段。开发植物能是一种充分利用自然力的最经得起岁月考验的战略决择。根据估计，地球上的植物，每年通过捕获和储存太阳能，制造出1000多亿吨的纤维素和难以计数的糖分子和木质素。植物能是最洁净最廉价的能源。我国是农业大国，每年农作物秸杆等废弃物达10亿吨以上，但是大量的农作物秸杆没有很好利用，很多在田头就地焚烧，浓烟滚滚，遮天盖地，不但造成环境污染，还会影响飞机的正常飞行。秸杆气化技术和沼气技术应用以来，已有很大的改善。但现有技术对植物能的利用率还是很低。
发明内容
本发明就是针对上述问题，旨在研究的可燃粉末内燃机方法，是太阳能和植物能源利用的深度研究，这对开创新能源以及保护环境都有积极的作用，具有重要的理论意义和社会经济价值。通过检索国内外专利文献及相关数据库，从寻找到的资料中未曾发现有相同的研究。
本发明的方案是以可燃固体粉末为燃料，以及包括燃料预处理器、混合器、燃料喷供器和排放处理器的内燃发动机。用粉末燃料在气缸内燃烧产生热能，转化为机械能，推动发动机转动的方法。
所述的可燃固体粉末主要是植物残体的粉末、煤炭粉末，也可以是可燃废弃物粉末。也可加上适合的添加剂制成燃料。植物残体的粉末如农作物桔杆、锯末、稻壳、树叶、柴草等。
煤炭粉末是对煤炭进行粉碎和脱硫处理，以达到使用要求和环境排污要求。可燃废弃物如塑料粉末、纸屑粉末和金属粉末等。随着超细粉体加工技术的发展，以可燃固体粉末为燃料的发动机已成为可能。可燃粉末的粒径可以根据不同的原料和不同的发动机结构而定。不同原材料对最佳粒径有一定的影响。气化式粉末内燃机，若可燃固体采用农作物秸杆，一般粒径小于10毫米。可燃固体采用煤炭粉末，一般粒径小于3毫米。直接喷射式粉末内燃机，一般可燃固体粒径小于5微米。
所述的添加剂包括流动分散剂、脱硫脱氨剂、助燃氧化剂等，以促进粉末流动，促进均匀分散，促进燃烧，减少排污，提高可控性和瞬间燃烧速度的作用。
所述的适合可燃固体粉末为燃料的内燃发动机，是对原有内燃发动机的改造。包括气缸、活塞、连杆、曲轴、进排气门、传感器、自动控制单元等。分为气化式粉末内燃机和直接喷射式粉末内燃机两种方法。一般设有燃料预处理器、混合器、电控燃料喷供器、排放处理器等。对可燃固体粉末进行预处理，然后根据发动机的不同工况，来控制燃料喷供的时间和数量，然后对燃烧后的粉尘进行过滤，以到达可吸入粉尘的排污要求。
气化式粉末内燃机，包括供料装置、气化式燃料预处理器、空燃比调节器、自动控制单元、排放处理器等。气化式燃料预处理器由气化炉、供料系统、旋风分离器、焦油处理器、风机等组成。它根据发动机的要求，对气化炉供料量和风量的控制，使气化炉内的粉末燃料在高温的作用下，生成CO、H2、CH4、CmHn等组成的可燃气体和悬浮的可燃固体微粒，经旋风分离器、焦油处理器，由空燃比调节器按合适的空燃比，与空气进行混合后供给发动机。
直接喷射式粉末内燃机，包括燃料预处理器、电控燃料喷供器和排放处理器。燃料预处理器在隔氧密封的容器中，对粉末燃料进行加热、松散、汽化等预处理，经燃料预处理器使得可燃粉末适合瞬间充分燃烧的特性，以及加有适合的添加剂，使可燃粉末变成一点即着的可燃混合气体，由电控燃料喷供器直接喷射粉末，供给发动机。电控燃料喷供器一路连接燃料预处理器，供给经预处理的粉末燃料；另一路连接压缩空气；再一路连接自动控制器供给动作指令信号，以喷口开启时间的长短来调节喷供燃料量的多少。
混合器；首先对各种可燃固体粉末的充分燃料的氧平衡值的计算，测出不同粉末最佳空燃比和每克粉末充分燃烧所释放的能量，在温度、压力等特定的条件下，不同的粉末的燃烧速度和着火点值测定，以能充分燃料的最佳空燃比，配置空气与燃料的比例。
排放处理器：为了使排放物符合环保要求，在排气管道上设置排放处理器，用来捕集和过滤燃烧后的灰烬的方法，使燃烧的灰烬得以过滤。控制CO、CH、NOX和可吸入尘埃的排放量。
为了减少缸套和活塞的磨损，设置顶部有洞口，下部弧型洞腔的活塞，使其在燃烧室产生挤压涡流，形成紊流，改善混合气形成，加速火焰传播，促进彻底排气，减少灰尘在气缸壁上停留。
根据发动机的外特性曲线和不同粉末燃料瞬间燃烧速度测定值，从经济性、动力性、安全性和环保性的角度，设置各种参数，选择空燃比、压缩比与点火方式。
附图说明
图1为实施例1，气化式粉末内燃发动机示意图。图2为实施例2，喷射式粉末内燃发动机示意图。图3为粉末内燃发动机凹洞活塞示意图。图4为缸内喷射式粉末内燃发动机燃烧室示意图。
具体实施方式
实施例1，气化式粉末内燃发动机，包括供料系统、气化式燃料预处理器、空燃比调节器(18)、自动控制单元(15)、排放处理器等，如图1所示。
可燃固体采用农作物秸杆，预先被加工成粒径小于10毫米，含水量低于12％的粉末。并加入2.5％的白云石粉等添加剂，作为粉末燃料(2)。
供料系统由料斗(1)、供料器(7)、供料控制器(6)、喂料口(8)等组成。供料控制器(6)根据自动控制单元(15)的指令适时的把粉末燃料(2)供气化炉(3)。
燃料预处理器由气化炉(3)、旋风分离器(4)、焦油处理器(5)、风机(13)、风量调节器(14)等组成。气化炉(3)装有点火器(9)、炉栅(10)、卸灰口(12)等。起动时，当粉末燃料(2)进入气化炉(3)时，燃料被点火器(9)点燃，在炉栅(10)的上部燃烧，燃烧后的火炭停留在炉栅(10)的上下，灰碴(11)集中于卸灰口(12)附近。由于供料量和风量的控制，气化炉(3)内的粉末燃料(2)在高温的作用下，生成CO、H2、CH4、CmHn等组成的可燃气体和悬浮的可燃固体微粒。经旋风分离器(4)，把大于5微米的粗颗粒分离出来送回气化炉(3)，再经焦油处理器(5)，随着温度的降低，进一步把大于5微米的粗颗粒和凝结成液体的成分分离出来送回气化炉(3)，这些焦油成分，在高温下能分解成小分子的永久气体供给发动机(16)，没能分解的凝结成液体再送回气化炉气化，往复循环。
空燃比调节器(18)由燃料控制器(17)、空气流量传感器(19)、节气门传感器(22)等组成。根据发动机的要求，把燃料预处理器供给的燃料和空气进行混合后供给发动机(16)。
发动机(16)的活塞(21)下行时，混合气经进气门(23)进入气缸，由火花塞(24)点火作功后从排气门(25)经排放处理器排出。
自动控制单元(15)对空气流量传感器(19)、节气门传感器(22)、温度传感器(20)、排气歧管氧传感器(26)、进气歧管压力传感器(27)的信号进行处理，对供料、风量、空燃比进行调节，以保证发动机(16)正常工作。
实施例2，可燃粉末直接喷射式内燃发动机，如图2所示，包括内燃发动机体、燃料预处理器(50)、电控燃料喷供器(32)、自动控制器(46)和排放处理器(40)等等。
可燃固体预先被加工成粒径小于5微米，含水量低于5％，并有少量添加剂的微粉末燃料。粉末燃料(2)存贮在燃料箱(53)中，输料泵(52)根据自动控制单元(15)的指令适时的供给燃料预处理器(50)。在输料泵(52)和燃料预处理器(50)之间设有单向阀，以免经预处理的燃料倒流。经预处理的燃料通向电控燃料喷供器(32)。
电控燃料喷供器(32)分为缸内喷射(如图4)和缸外喷射(如图2)两种。一般有三路接入，一路燃料进口(60)与燃料预处理器(50)连接供给经预处理的粉末燃料；另一路压缩空气接头(58)与贮气筒(42)连接供给压缩空气。为了压缩空气的纯净度，在气路上设有空气净化器(43)；再一路电接头(59)与自动控制器(46)连接供给动作指令信号。喷供燃料量的多少是以喷口开启时间的长短来调节。采用气泵(41)、贮气筒(42)的空气压力进行燃料的喷供，不但有利于燃料的分散和雾化，而且使气缸充气的增压，还有利于提高发动机动力。
自动控制器(46)对空气流量计(29)、节气门开度传感器(30)、水套的温度传感器(36)、排喷供气歧管的氧传感器(38)、进气歧管的压力传感器(31)、曲轴位置等信号进行运算处理，对喷供时间和空燃比进行调节，以保证发动机正常工作。
由于固体粉末作燃料进入气缸，以及燃烧后的灰尘，会加剧气缸套和活塞环槽(54)的磨损，都对燃烧室有较高的要求，本实施例采用凹洞活塞(35)方法(如图3所示)。在活塞(35)的顶部(56)开一个方型洞口(57)，下部开一个凹进的弧型洞腔(55)，弧型洞腔(55)的面积大于顶部(56)的方型洞口(57)。当电控燃料喷供器(32)向缸内喷射或活塞(35)上下运动时，产生强烈的挤压涡流，同时由于上方下圆结构的燃烧室，造成气流运动的速度差，可以形成较强的紊流，以改善混合气形成，加速火焰传播，促进排气彻底，减少灰尘在气缸壁上的停留。所以，凹洞活塞方法对可燃粉末内燃机也是十分必要的。
由于粉末燃料燃烧后，会有少量的灰尘产生，为了使排放物符合环保要求，在排气管道上，消声器(39)旁边设置排放处理器(40)，经撞击、拦截、扩散，使燃烧后的灰烬得以捕集和过滤，控制可吸入尘埃的排放量。由于随着排气管道上排放处理器(40)沉积的颗粒的增多，通量的减少，会使发动机的排气背压提高，功率下降。因此须定期清除排放处理器(40)中的颗粒。
由于粉末燃料进入气缸之前，须经燃料加热处理，因此在冷车起动时，先打开预热开关(48)，使设置预热装置对燃料进行加温。正常工作时，预热装置停止工作，排气歧管与燃料预处理器(50)相联接(如图4所示)，利用排气的高温对燃料进行预热加温。
本发明的优点
1.取之不尽：由于采用了植物残体、农作物秸秆等，原料的来源丰富。解决人类21世纪面临的能源危机问题，只要太阳还存在，就意味着有取之不尽用之不竭的燃料。
2.洁净环保：由于采用植物秸秆木竹草都是洁净燃料，对煤炭进行粉碎和脱硫处理，以达到使用要求和环境排污要求。燃烧后为CO2与H2O，无污染物排放。大量废弃物的利用，废弃物中可燃废物占很大的比重，并且设置排放处理器主要使燃烧的灰烬得以过滤，控制CO、CH、NOX和可吸入尘埃的排放量。使排放物符合环保要求，减少环境污染问题。
3.成本价格低：由于采用了可燃废弃物，取材容易，加工方便，市场广阔，可以形成产业化大规模生产，所以成本价格低廉。
本发明适合于农村发电，水利排灌，轮船汽车等动力装置，有广阔的市场前景。

Claims (10)

1.可燃粉末内燃机，涉及可燃粉末为能源的内燃机方法。包括曲轴连杆机构、配气机构、燃料系、润滑系、冷却系、控制系等，其特征是：以可燃粉末为燃料的内燃机方法。
2.如权利要求1所述的可燃粉末内燃机，其特征是：包括气化式燃料预处理器、空燃比调节器的自动控制供料和供风比例，生成的可燃气体和空气进行混合后供给发动机的气化式粉末内燃机方法。
3.如权利要求1所述的可燃粉末内燃机，其特征是：包括燃料预处理器、电控燃料喷供器和排放处理器的直接喷射式粉末内燃机方法。
4.如权利要求2所述的可燃粉末内燃机，其特征是：可燃固体采用农作物秸杆等植物残体的，粒径小于10毫米，采用煤炭粉末的，粒径小于3毫米。
5.如权利要求2所述的可燃粉末内燃机，其特征是：气化式燃料预处理器由气化炉、供料系统、旋风分离器、焦油处理器、风机等组成。
6.如权利要求3所述的可燃粉末内燃机，其特征是：可燃固体粉末燃料粒径小于5微米。
7.如权利要求3所述的可燃粉末内燃机，其特征是：一路连接燃料预处理器，另一路连接压缩空气，再一路连接自动控制器的电控燃料喷供方法。
8.如权利要求1所述的可燃粉末内燃机，其特征是：在排气管道上设置排放处理器来捕集和过滤燃烧后的灰烬的方法。
9.如权利要求1所述的可燃粉末内燃机，其特征是：顶部有洞口，下部大于顶部洞口弧型洞腔的活塞，一种在燃烧室产生挤压涡流，形成紊流，改善混合气形成，加速火焰传播，促进彻底排气，减少灰尘在气缸壁上停留的方法。
10.如权利要求1所述的可燃粉末内燃机，其特征是：添加少量流动分散剂、脱硫脱氨剂、助燃氧化剂，以促进粉末流动，均匀分散，减少排污，提高可控性和瞬间燃烧速度的方法。
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