CN86104451A

CN86104451A - 煤粉尘作为内燃发动机的燃料

Info

Publication number: CN86104451A
Application number: CN198686104451A
Authority: CN
Inventors: 曹进才; 张小波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-06-28
Filing date: 1986-06-28
Publication date: 1988-01-27

Abstract

本发明公开了煤粉尘作为燃料在内燃发动机气缸中燃烧爆炸直接推动活塞运动做功的新方法。本发明的特点是，当含有煤粉尘的空气进入内燃发动机气缸内，被活塞压缩后，其浓度达到每立方米含尘量18～2000克时，经点燃、爆炸，产生高温高压气体直接推动活塞运动做功。产生的灰分和废气经气缸中部的排污口排出，残留部分由排气阀排出气缸外，从而用煤粉尘作为燃料在内燃发动机中完成了做功过程。

Description

本发明是一种根据可燃爆粉尘的燃烧爆炸原理，依靠在气缸中燃烧可燃爆粉尘，特别是燃烧煤粉尘，直接推动活塞而做功的新方法。

众所周知，目前一般的内燃发动机，均是采用汽油、柴油等燃料和空气的混合物，直接在气缸里燃烧，所产生的高压气体推动活塞来做功。它的工作过程分如下四步，也称为“四冲程内燃机”，现以汽油内燃发动机为例介绍。

1.进气冲程。当进气冲程开始时，曲轴通过连杆带动活塞从上止点向下移动，这时进气阀开启，排气阀关闭，在活塞向下止点运动的过程中，由于气缸内活塞上方的容积逐渐变大，气体也随之变得稀薄，压力降到低于大气压，造成真空度，产生吸力。当吸入的空气经气化器喉管时，与一定量的汽油混合成适当浓度的可燃混合气，经进气阀进入气缸，可燃混合气进入气缸后，由于与气缸壁和活塞顶等高温机件接触，并与前一工作循环中排气冲程残留的高温废气混合，使其温度提高到100～125℃。当活塞运动到下止点时，进气阀关闭，进气冲程终了。

2.压缩冲程，曲轴在飞轮惯性力的作用下继续旋转，活塞由下止点向上运动。这时进、排气阀关闭，气缸内的可燃混合气被压缩到燃烧室内，体积缩小，密度增大，温度和压力升高。当活塞到达上止点，压缩冲程结束时，可燃混合气的压力达到7～12公斤/cm²，温度约为300℃左右。

3.做功冲程。又称燃烧-膨胀冲程。在压缩冲程终了时，进气阀仍然关闭，被压缩在燃烧室内的可燃混合气立刻被火花塞产生的电火花点燃迅猛燃烧，压力急剧上升到30～45公斤/cm²，温度骤增2000～2700℃。活塞在高温高压气体的推动下由上止点向下运动，通过连杆使曲轴旋转作功，直至活塞到达下止点时，做功冲程终结。

4.排气冲程。活塞由下止点向上运动，这时进气阀仍关闭，排气阀开启，可燃混合气燃烧后变成的废气，经排气阀排出气缸，直至活塞到达上止点时，排气冲程结束。

活塞经历上述四个冲程后，发动机完成了一个工作循环。当活塞由上止点向下运动，排气阀关闭，进气阀开启时，发动机又进入第二个工作循环。如此周而复始，循环不息，活塞不断地往复运动，曲轴不停地旋转，发动机也就能不断地产生动力。

汽油的主要化学成份是碳和氢，其中碳约占85%，氢约占15%，即一公斤汽油中含碳约0.85公斤，含氢约0.15公斤。汽油燃烧是一种氧化反应，其主要化学变化可用下列方程式表示：

C（气）+O₂（气） CO₂（气）+94050卡

H₂（气）+ (＊)/2 O₂（气）

H₂O（气）+57800卡

从上列化学方程式计算而知，完全燃烧12公斤碳需要32公斤氧，完全燃烧2公斤氢需要16公斤氧，也就是说，完全燃烧一公斤碳需要32/12公斤氧，完全燃烧一公斤氢需8公斤氧，因此完全燃烧一公斤汽油所需要的氧气应为：

0.85× 32/12 +0.15×8＝3.4667（公斤）

而空气的含氧量约占23.2%，即一公斤空气中只含氧0.232公斤，所以，一公斤汽油完全燃烧时，需要的空气量应为：

3.4667÷0.232＝14.94（公斤）

上述计算说明，汽油燃烧完全最适当的油气比例是1∶15。

本发明的目的，是为了利用煤粉尘作燃料，在气缸中燃爆，直接推动活塞运动来做功。

漂浮在空气中的可燃爆粉尘，只要达到一定的浓度，遇到火源就会燃烧爆炸。可燃爆粉尘品种很多，有硫化矿物、金属铝、面粉、木粉、煤炭等等的粉尘，例如煤粉尘，当每立方米空气中含量达到18～2000克范围内时，遇火源即被点燃而发生燃烧或爆炸，并产生高温高压。根据理论计算，爆炸力最强时的空气含量（指纯碳）为每立方米112克，同时发生900千卡的热量。爆炸的温度可达2300～2500℃（在不变的容积下），但根据试验认为，最大爆炸力的空气含尘量为每立方米300～400克。煤粉尘从最细微的到直径为0.75～1毫米的煤粉尘都能参加爆炸，但爆炸的主体是通过80号筛孔（每平方厘米筛面上有6400个孔），即是直径小于0.075毫米的煤粒。煤尘受热时，能放出可燃性气体，一公斤煤粉尘能放出200～300升可燃性气体。这些气体遇高温时，容易燃烧或爆炸。煤粉尘的引火温度为700～800℃。煤粉尘燃烧和爆炸时的反应式如下：

1.完全燃烧时：C+O₂→CO₂+8140千卡/公斤（碳）

2.不完全燃烧时：2C+O₂→2CO+2440千卡/公斤（碳）

引起煤粉尘燃烧和爆炸的火源有：明火、电火花等等。煤粉尘爆炸时的空气含氧量不低于17%，空气的含氧量是23.2%，所以煤粉尘可在空气中遇火产生爆炸。

煤粉尘是由固体碳、挥发份和微量的灰份组成的综合体，它的主要化学成份是固体碳。燃烧一公斤碳需要 32/12 ＝2.667公斤氧，空气的含氧量约占23.2%，即一公斤空气中含氧量0.232公斤，所以，一公斤煤粉尘燃烧完全时约需要的空气量应为：

2.667÷0.232＝11.5（公斤）

上述计算说明，煤粉尘燃烧完全最适当的粉气比例是1∶11.5。

根据煤粉尘爆炸的条件和目前内燃发动机的工作原理，使含有一定浓度的煤粉尘空气进入气缸，燃烧爆炸产生的高压气体来直接推动活塞运动做功，也是能够实现的。

本发明就是涉及到内燃发动机和可燃爆粉尘两个领域有机结合的产物，特别是煤粉尘作为燃料在内燃发动机中应用的新方法。

含有一定浓度的煤粉尘空气，进入发动机气缸中燃烧爆炸的工作过程如下：

图1是进气冲程的纵向剖面示意图。

图2是压缩冲程的纵向剖面示意图。

图3是做功冲程的初阶段纵向剖面示意图。

图4是做功冲程的末阶段纵向剖面示意图。

图5是排气冲程的纵向剖面示意图。

图6是以煤粉尘作燃料在内燃发动机中应用的工作流程示意图。

其中：1-进气口 8-连杆

2-排气口 9-曲轴

3-进气阀 10-火花塞

4-排气阀 11-排污管

5-气缸 12-气粉混合器

6-排污口 13-过滤器

7-活塞

参照图1：当进气冲程开始时，曲轴（9）通过连杆（8）带动活塞（7）从上止点向下移动，这时进气阀（3）开启，排气阀（4）关闭，在活塞向下止点运动的过程中，由于气缸（5）内活塞上方的容积逐渐变大，气体也随之变得稀薄，压力降到低于大气压，造成真空度，产生吸力。含有一定煤粉尘浓度的空气，经进气阀进入气缸。当活塞运动到下止点时，进气阀关闭，进气冲程终了。

参照图2：曲轴（9）在飞轮惯性力的作用下继续旋转，活塞由下止点向上运动。这时进气阀（3）、排气阀（4）均关闭，气缸（5）内的含有煤粉尘的空气被压缩，温度和压力升高。压缩后的煤粉尘空气达到可燃爆浓度，即含有煤粉尘的空气被压缩后其浓度在每立方米18～2000克之间，活塞运动到上止点，压缩冲程结束。

参照图3：在压缩冲程终了时，进气阀（3）仍然关闭，被压缩在气缸内的达到可燃爆浓度的煤粉尘空气，立刻被火花塞（10）产生的电火花点燃迅猛燃烧，压力急剧上升，可达到压缩后的压力的5～7倍，温度骤增2300～2500℃，活塞在高温高压气体的推动下由上止点向下运动，通过连杆使曲轴旋转做功，直到活塞到达下止点时，做功冲程结束。

参照图4：当活塞运动到下止点时，排污口（6）自然开放，因气缸内燃烧后的气体还有一定的压力，连同煤粉尘燃烧后形成的灰份一同经排污口（6），排出气缸外。

参照图5：活塞由下止点向上运动，这时进气阀仍关闭，排气阀开启，气缸内残留的废气和灰份经排气阀排出气缸外。直至活塞达到上止点，排气冲程结束。从而发动机完成了一个工作循环。如此周而复始，循环不息，活塞不断地往复运动，曲轴不停地旋转，发动机也就不断地产生动力。

参照图6：气粉混合器（12），它的作用是向内燃发动机的气缸（5）提供含有一定浓度的煤粉尘空气，并做为煤粉尘的储存箱，它可以利用风扇将煤粉尘吹浮与空气混合。过滤器（13），它的作用是把排污管（11）和排气口（2）排出的灰份和废气，通过水进行吸收过滤，以减少对环境的污染。

目前，对于内燃发动机的制造技术和工艺，已非常完善。本发明涉及的以煤粉尘为燃料所需用的发动机，其结构和工艺与目前使用的内燃发动机基本一样，只是在气缸（5）的顶部设有进气阀（3）和排气阀（4），同时在气缸（5）的中部，活塞（7）下止点位置又开有排污口（6）。对于汽油、柴油等燃料的化学成份，与煤粉尘相比较，有很多相同之处，只是煤粉尘燃烧后有较多的灰份是不利的因素，但是可通过排污口（6）排出。

综上所述，本发明的实施是不难做到的。从而利用煤粉尘作为燃料代替目前内燃发动机使用的液体动力燃料也是可行的。

我国的煤炭资源极为丰富，易于开采，煤炭产量在世界上名列前茅。而煤粉尘的原料就是煤炭，可以通过干式锤磨、干式球磨等方法获得。所以煤粉尘的来源是毫无问题的。而且加工工艺比较简单，因此成本十分低廉。与目前使用的油类燃料相比，有非常明显的优越性。如果煤粉尘作为燃料在内燃发动机中应用实施，将会为我国的国民经济带来巨大的效益，同时，对于可燃爆粉尘作为新能源的利用，开辟了广阔的前景，有着十分深远的意义。

Claims

1、一种以可燃爆粉尘，特别是煤粉尘作为燃料在内燃发动机中使用的新方法，其特征是：进入内燃发动机气缸(5)的煤粉尘燃料是小于0.075毫米的煤粒。

2、根据权利要求1.所叙述的方法，以煤粉尘作燃料的内燃发动机，其特征是：

（1）气缸（5）的顶部设有进气阀（3）和排气阀（4），同时气缸（5）的中部，活塞（7）的下止点位置又开有排污口（6）。

（2）内燃发动机气缸（5）内含有煤粉尘的空气，被压缩后其浓度在每立方米18～2000克之间。