專利名稱:煤粉塵作為內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的燃料的制作方法
本發(fā)明是一種根據(jù)可燃爆粉塵的燃燒爆炸原理，依靠在氣缸中燃燒可燃爆粉塵，特別是燃燒煤粉塵，直接推動活塞而做功的新方法。
眾所周知，目前一般的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，均是采用汽油、柴油等燃料和空氣的混合物，直接在氣缸里燃燒，所產(chǎn)生的高壓氣體推動活塞來做功。它的工作過程分如下四步，也稱為“四沖程內(nèi)燃機(jī)”，現(xiàn)以汽油內(nèi)燃發(fā)動機(jī)為例介紹。
1.進(jìn)氣沖程。當(dāng)進(jìn)氣沖程開始時，曲軸通過連桿帶動活塞從上止點(diǎn)向下移動，這時進(jìn)氣閥開啟，排氣閥關(guān)閉，在活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動的過程中，由于氣缸內(nèi)活塞上方的容積逐漸變大，氣體也隨之變得稀薄，壓力降到低于大氣壓，造成真空度，產(chǎn)生吸力。當(dāng)吸入的空氣經(jīng)氣化器喉管時，與一定量的汽油混合成適當(dāng)濃度的可燃混合氣，經(jīng)進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，可燃混合氣進(jìn)入氣缸后，由于與氣缸壁和活塞頂?shù)雀邷貦C(jī)件接觸，并與前一工作循環(huán)中排氣沖程殘留的高溫廢氣混合，使其溫度提高到100～125℃。當(dāng)活塞運(yùn)動到下止點(diǎn)時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，進(jìn)氣沖程終了。
2.壓縮沖程，曲軸在飛輪慣性力的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動。這時進(jìn)、排氣閥關(guān)閉，氣缸內(nèi)的可燃混合氣被壓縮到燃燒室內(nèi)，體積縮小，密度增大，溫度和壓力升高。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)，壓縮沖程結(jié)束時，可燃混合氣的壓力達(dá)到7～12公斤/cm2，溫度約為300℃左右。
3.做功沖程。又稱燃燒-膨脹沖程。在壓縮沖程終了時，進(jìn)氣閥仍然關(guān)閉，被壓縮在燃燒室內(nèi)的可燃混合氣立刻被火花塞產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃迅猛燃燒，壓力急劇上升到30～45公斤/cm2，溫度驟增2000～2700℃?；钊诟邷馗邏簹怏w的推動下由上止點(diǎn)向下運(yùn)動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)作功，直至活塞到達(dá)下止點(diǎn)時，做功沖程終結(jié)。
4.排氣沖程。活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動，這時進(jìn)氣閥仍關(guān)閉，排氣閥開啟，可燃混合氣燃燒后變成的廢氣，經(jīng)排氣閥排出氣缸，直至活塞到達(dá)上止點(diǎn)時，排氣沖程結(jié)束。
活塞經(jīng)歷上述四個沖程后，發(fā)動機(jī)完成了一個工作循環(huán)。當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動，排氣閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥開啟時，發(fā)動機(jī)又進(jìn)入第二個工作循環(huán)。如此周而復(fù)始，循環(huán)不息，活塞不斷地往復(fù)運(yùn)動，曲軸不停地旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)也就能不斷地產(chǎn)生動力。
汽油的主要化學(xué)成份是碳和氫，其中碳約占85%，氫約占15%，即一公斤汽油中含碳約0.85公斤，含氫約0.15公斤。汽油燃燒是一種氧化反應(yīng)，其主要化學(xué)變化可用下列方程式表示C(氣)+O2(氣)
CO2(氣)+94050卡H2(氣)+ (＊)/2 O2(氣)
H2O(氣)+57800卡從上列化學(xué)方程式計算而知，完全燃燒12公斤碳需要32公斤氧，完全燃燒2公斤氫需要16公斤氧，也就是說，完全燃燒一公斤碳需要32/12公斤氧，完全燃燒一公斤氫需8公斤氧，因此完全燃燒一公斤汽油所需要的氧氣應(yīng)為0.85× 32/12 +0.15×8＝3.4667(公斤)而空氣的含氧量約占23.2%，即一公斤空氣中只含氧0.232公斤，所以，一公斤汽油完全燃燒時，需要的空氣量應(yīng)為3.4667÷0.232＝14.94(公斤)上述計算說明，汽油燃燒完全最適當(dāng)?shù)挠蜌獗壤?∶15。
本發(fā)明的目的，是為了利用煤粉塵作燃料，在氣缸中燃爆，直接推動活塞運(yùn)動來做功。
漂浮在空氣中的可燃爆粉塵，只要達(dá)到一定的濃度，遇到火源就會燃燒爆炸。可燃爆粉塵品種很多，有硫化礦物、金屬鋁、面粉、木粉、煤炭等等的粉塵，例如煤粉塵，當(dāng)每立方米空氣中含量達(dá)到18～2000克范圍內(nèi)時，遇火源即被點(diǎn)燃而發(fā)生燃燒或爆炸，并產(chǎn)生高溫高壓。根據(jù)理論計算，爆炸力最強(qiáng)時的空氣含量(指純碳)為每立方米112克，同時發(fā)生900千卡的熱量。爆炸的溫度可達(dá)2300～2500℃(在不變的容積下)，但根據(jù)試驗認(rèn)為，最大爆炸力的空氣含塵量為每立方米300～400克。煤粉塵從最細(xì)微的到直徑為0.75～1毫米的煤粉塵都能參加爆炸，但爆炸的主體是通過80號篩孔(每平方厘米篩面上有6400個孔)，即是直徑小于0.075毫米的煤粒。煤塵受熱時，能放出可燃性氣體，一公斤煤粉塵能放出200～300升可燃性氣體。這些氣體遇高溫時，容易燃燒或爆炸。煤粉塵的引火溫度為700～800℃。煤粉塵燃燒和爆炸時的反應(yīng)式如下1.完全燃燒時C+O2→CO2+8140千卡/公斤(碳)2.不完全燃燒時2C+O2→2CO+2440千卡/公斤(碳)引起煤粉塵燃燒和爆炸的火源有明火、電火花等等。煤粉塵爆炸時的空氣含氧量不低于17%，空氣的含氧量是23.2%，所以煤粉塵可在空氣中遇火產(chǎn)生爆炸。
煤粉塵是由固體碳、揮發(fā)份和微量的灰份組成的綜合體，它的主要化學(xué)成份是固體碳。燃燒一公斤碳需要 32/12 ＝2.667公斤氧，空氣的含氧量約占23.2%，即一公斤空氣中含氧量0.232公斤，所以，一公斤煤粉塵燃燒完全時約需要的空氣量應(yīng)為2.667÷0.232＝11.5(公斤)上述計算說明，煤粉塵燃燒完全最適當(dāng)?shù)姆蹥獗壤?∶11.5。
根據(jù)煤粉塵爆炸的條件和目前內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的工作原理，使含有一定濃度的煤粉塵空氣進(jìn)入氣缸，燃燒爆炸產(chǎn)生的高壓氣體來直接推動活塞運(yùn)動做功，也是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
本發(fā)明就是涉及到內(nèi)燃發(fā)動機(jī)和可燃爆粉塵兩個領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，特別是煤粉塵作為燃料在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中應(yīng)用的新方法。
含有一定濃度的煤粉塵空氣，進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸中燃燒爆炸的工作過程如下圖1是進(jìn)氣沖程的縱向剖面示意圖。
圖2是壓縮沖程的縱向剖面示意圖。
圖3是做功沖程的初階段縱向剖面示意圖。
圖4是做功沖程的末階段縱向剖面示意圖。
圖5是排氣沖程的縱向剖面示意圖。
圖6是以煤粉塵作燃料在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中應(yīng)用的工作流程示意圖。
其中1-進(jìn)氣口 8-連桿2-排氣口 9-曲軸3-進(jìn)氣閥 10-火花塞4-排氣閥 11-排污管5-氣缸 12-氣粉混合器6-排污口 13-過濾器7-活塞參照圖1當(dāng)進(jìn)氣沖程開始時，曲軸(9)通過連桿(8)帶動活塞(7)從上止點(diǎn)向下移動，這時進(jìn)氣閥(3)開啟，排氣閥(4)關(guān)閉，在活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動的過程中，由于氣缸(5)內(nèi)活塞上方的容積逐漸變大，氣體也隨之變得稀薄，壓力降到低于大氣壓，造成真空度，產(chǎn)生吸力。含有一定煤粉塵濃度的空氣，經(jīng)進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸。當(dāng)活塞運(yùn)動到下止點(diǎn)時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，進(jìn)氣沖程終了。
參照圖2曲軸(9)在飛輪慣性力的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動。這時進(jìn)氣閥(3)、排氣閥(4)均關(guān)閉，氣缸(5)內(nèi)的含有煤粉塵的空氣被壓縮，溫度和壓力升高。壓縮后的煤粉塵空氣達(dá)到可燃爆濃度，即含有煤粉塵的空氣被壓縮后其濃度在每立方米18～2000克之間，活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)，壓縮沖程結(jié)束。
參照圖3在壓縮沖程終了時，進(jìn)氣閥(3)仍然關(guān)閉，被壓縮在氣缸內(nèi)的達(dá)到可燃爆濃度的煤粉塵空氣，立刻被火花塞(10)產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃迅猛燃燒，壓力急劇上升，可達(dá)到壓縮后的壓力的5～7倍，溫度驟增2300～2500℃，活塞在高溫高壓氣體的推動下由上止點(diǎn)向下運(yùn)動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)做功，直到活塞到達(dá)下止點(diǎn)時，做功沖程結(jié)束。
參照圖4當(dāng)活塞運(yùn)動到下止點(diǎn)時，排污口(6)自然開放，因氣缸內(nèi)燃燒后的氣體還有一定的壓力，連同煤粉塵燃燒后形成的灰份一同經(jīng)排污口(6)，排出氣缸外。
參照圖5活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動，這時進(jìn)氣閥仍關(guān)閉，排氣閥開啟，氣缸內(nèi)殘留的廢氣和灰份經(jīng)排氣閥排出氣缸外。直至活塞達(dá)到上止點(diǎn)，排氣沖程結(jié)束。從而發(fā)動機(jī)完成了一個工作循環(huán)。如此周而復(fù)始，循環(huán)不息，活塞不斷地往復(fù)運(yùn)動，曲軸不停地旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)也就不斷地產(chǎn)生動力。
參照圖6氣粉混合器(12)，它的作用是向內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸(5)提供含有一定濃度的煤粉塵空氣，并做為煤粉塵的儲存箱，它可以利用風(fēng)扇將煤粉塵吹浮與空氣混合。過濾器(13)，它的作用是把排污管(11)和排氣口(2)排出的灰份和廢氣，通過水進(jìn)行吸收過濾，以減少對環(huán)境的污染。
目前，對于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的制造技術(shù)和工藝，已非常完善。本發(fā)明涉及的以煤粉塵為燃料所需用的發(fā)動機(jī)，其結(jié)構(gòu)和工藝與目前使用的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)基本一樣，只是在氣缸(5)的頂部設(shè)有進(jìn)氣閥(3)和排氣閥(4)，同時在氣缸(5)的中部，活塞(7)下止點(diǎn)位置又開有排污口(6)。對于汽油、柴油等燃料的化學(xué)成份，與煤粉塵相比較，有很多相同之處，只是煤粉塵燃燒后有較多的灰份是不利的因素，但是可通過排污口(6)排出。
綜上所述，本發(fā)明的實施是不難做到的。從而利用煤粉塵作為燃料代替目前內(nèi)燃發(fā)動機(jī)使用的液體動力燃料也是可行的。
我國的煤炭資源極為豐富，易于開采，煤炭產(chǎn)量在世界上名列前茅。而煤粉塵的原料就是煤炭，可以通過干式錘磨、干式球磨等方法獲得。所以煤粉塵的來源是毫無問題的。而且加工工藝比較簡單，因此成本十分低廉。與目前使用的油類燃料相比，有非常明顯的優(yōu)越性。如果煤粉塵作為燃料在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中應(yīng)用實施，將會為我國的國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的效益，同時，對于可燃爆粉塵作為新能源的利用，開辟了廣闊的前景，有著十分深遠(yuǎn)的意義。
權(quán)利要求
1.一種以可燃爆粉塵，特別是煤粉塵作為燃料在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中使用的新方法，其特征是進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸(5)的煤粉塵燃料是小于0.075毫米的煤粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1.所敘述的方法，以煤粉塵作燃料的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，其特征是(1)氣缸(5)的頂部設(shè)有進(jìn)氣閥(3)和排氣閥(4)，同時氣缸(5)的中部，活塞(7)的下止點(diǎn)位置又開有排污口(6)。(2)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸(5)內(nèi)含有煤粉塵的空氣，被壓縮后其濃度在每立方米18～2000克之間。
專利摘要
本發(fā)明公開了煤粉塵作為燃料在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸中燃燒爆炸直接推動活塞運(yùn)動做功的新方法。本發(fā)明的特點(diǎn)是，當(dāng)含有煤粉塵的空氣進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，被活塞壓縮后，其濃度達(dá)到每立方米含塵量18～2000克時，經(jīng)點(diǎn)燃、爆炸，產(chǎn)生高溫高壓氣體直接推動活塞運(yùn)動做功。產(chǎn)生的灰分和廢氣經(jīng)氣缸中部的排污口排出，殘留部分由排氣閥排出氣缸外，從而用煤粉塵作為燃料在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中完成了做功過程。
文檔編號F02B45/02GK86104451SQ86104451
公開日1988年1月27日 申請日期1986年6月28日
發(fā)明者曹進(jìn)才, 張小波 申請人:曹進(jìn)才, 張小波導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan