伍賽特，王培培，祁東輝

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064）

煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)特性研究

伍賽特，王培培，祁東輝

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064）

我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤是最主要構(gòu)成部分之一，其應(yīng)用占有重要的地位。目前來看，不僅傳統(tǒng)的煤炭消費(fèi)部門大力推進(jìn)燃煤技術(shù)革新，甚至過去未曾使用過煤的某些能源部門，亦積極研究該問題。介紹煤的燃燒過程及其在內(nèi)燃機(jī)燃燒中的具體應(yīng)用，闡述其相關(guān)的特性、缸內(nèi)磨損問題并簡要介紹其發(fā)展前景。

內(nèi)燃機(jī)；煤粉；燃燒特性；磨損

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求越來越大。在我國，煤是最主要的能源之一。了解煤的燃燒過程、煤在內(nèi)燃機(jī)中燃燒的相關(guān)特性以及缸內(nèi)磨損問題將有助于發(fā)揮其長處，拓展可能的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 煤的燃燒過程

煤的燃燒需要經(jīng)歷干燥、揮發(fā)、析出、著火燃燒以及焦炭著火等步驟，并且其中的揮發(fā)分的燃燒與焦炭的燃燒過程，從時(shí)間上看有相當(dāng)?shù)闹丿B。

當(dāng)煤受熱時(shí)，其表面上的水分首先會(huì)蒸發(fā)出來，使其自身愈發(fā)干燥。當(dāng)繼續(xù)升溫時(shí)，將會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，使煤中所含的易于分解的碳?xì)浠衔锱c少量無法參與燃燒的化合物 （如二氧化碳等）以氣相形態(tài)析出。這些氣相析出物即為通常所稱的揮發(fā)分。但是要揮發(fā)分完全析出的話，需經(jīng)歷較長時(shí)間。揮發(fā)分析出后所剩余者即為焦炭，由固定碳與一些礦物雜質(zhì)所組成［1］。

揮發(fā)分相比焦炭，更易于著火。因此當(dāng)達(dá)到較高溫度、又有足夠的空氣時(shí)，揮發(fā)分將會(huì)首先著火。當(dāng)揮發(fā)分著火燃燒后，一方面會(huì)對(duì)焦炭進(jìn)行加熱，同時(shí)又會(huì)與焦炭爭奪燃燒所需要的氧氣。在大部分揮發(fā)分燃燒后，焦炭才會(huì)著火燃燒，但會(huì)與揮發(fā)分幾乎同時(shí)燃燒殆盡。

焦炭中所含的礦物雜質(zhì)于燃燒后會(huì)形成灰分。由于在燃燒過程中會(huì)形成妨礙氧氣擴(kuò)散至焦炭表面的灰殼，對(duì)燃盡時(shí)間將會(huì)有一定的影響。因此，灰分于燃燒是不利的。

由于焦炭在煤的質(zhì)量中所占的比重最大［2］，著火延遲情況最為嚴(yán)重，燃盡時(shí)間最長，燃燒發(fā)熱量又占煤燃燒放熱的大部分，因此可見，焦炭的燃燒很大程度上決定了煤整體的燃燒狀況。

2 煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)歷史發(fā)展

迪塞爾 （Rudaef Diesel）于1884年提出了以煤粉作為燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)想，后來因?qū)嶒?yàn)失敗而告終，從而否定了采用煤粉作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的可能性以及必要性。但之后，迪塞爾的合作研發(fā)者波里克斯基 （R Pawlikowski）堅(jiān)持進(jìn)行煤粉機(jī)的研究，卻獲得了相當(dāng)顯著的成功。他于1916年成功研制了一臺(tái)實(shí)用的煤粉內(nèi)燃機(jī)，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了近萬小時(shí)之久。但是，由于當(dāng)時(shí)煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)不成熟，壽命與可靠性方面仍有相當(dāng)多的弊病，外加在此后的數(shù)十年間，廉價(jià)石油的大量開發(fā)與供應(yīng)，導(dǎo)致燃用煤粉的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍未得到進(jìn)一步的發(fā)展［3］。

20世紀(jì)30年代開始，英、德兩國政府從本國缺乏原油資源的情況出發(fā)，進(jìn)一步對(duì)燃煤柴油機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)研發(fā)［3］。在美國，相關(guān)大學(xué)和科研單位由于受到了能源危機(jī)的威脅，也對(duì)燃煤發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)日益重視起來［4］。

20世紀(jì)70年代末，美國能源部門依托蘇爾壽公司和美國熱電子公司的研究，合作進(jìn)行了船用柴油機(jī)上煤粉燃料燃燒的實(shí)驗(yàn)研究。至20世紀(jì)80年代初期，在臺(tái)架上對(duì)含有32%煤粉的煤－油混合燃料的燃燒實(shí)驗(yàn)取得了成功。但是仍有一系列問題尚待解決之中，如混合燃料的制取與儲(chǔ)備以及缸套的磨損。由此看來，在缺乏能源的前提條件下，燃用煤粉的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)正處于有待突破之時(shí)，并且將會(huì)在低速船舶柴油機(jī)上得到首先的應(yīng)用［5］。

3 煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)

從柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的研究情況來看，煤粉與柴油有著本質(zhì)的區(qū)別。對(duì)于煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)而言，有些傳統(tǒng)的燃燒概念 （例如十六烷值、滯燃期、噴油規(guī)律等）并不完全適用，而有些則完全不適用。但是從目前來看，人們對(duì)于煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況及其細(xì)節(jié)尚未完全明了，但是從解決能源危機(jī)的緊迫形勢(shì)來看，對(duì)該問題的技術(shù)攻關(guān)是具有深遠(yuǎn)研究意義的。

煤粉在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒通常可以分為3個(gè)階段：第1個(gè)階段是煤粉的預(yù)熱與揮發(fā)以及揮發(fā)物點(diǎn)燃方式；第2個(gè)階段是揮發(fā)物的燃燒過程；第3個(gè)階段是殘?zhí)康娜紵^程。3個(gè)階段中，第1階段主要影響著滯燃期；第3階段主要影響著燃燒時(shí)間［6］。下面介紹煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)中與燃燒相關(guān)的概念。

3.1 著火溫度

煤粉－空氣混合物的燃燒著火溫度通常比柴油更高。煤粉著火溫度與周圍空氣的密度以及煤粉顆粒度密切相關(guān)，但是受煤種類的影響更大。燃點(diǎn)較低、揮發(fā)成分更高的煤粉，著火溫度較低。解決劣質(zhì)燃煤著火溫度較高的一項(xiàng)簡單措施，是在煤粉中摻更易燃燒的高揮發(fā)性煤 （例如褐煤）［7］。

3.2 滯燃期

相比于柴油，煤粉的滯燃期更長，除了受煤的品種以及顆粒度的影響之外，還受空氣密度與溫度的影響。當(dāng)顆粒較細(xì)、燃點(diǎn)較低、揮發(fā)成分較高、空氣溫度和密度較高之時(shí)，會(huì)使滯燃期縮短。定容彈試驗(yàn)表明：除了過量空氣系數(shù)與滯燃期無關(guān)之外，其余各因素的影響可使滯燃期相差達(dá)幾十倍之多。

較長的滯燃期主要影響著缸內(nèi)煤粉燃燒的結(jié)束時(shí)間，而并不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴性以及改變?nèi)紵煽貢r(shí)間。畢竟煤粉的揮發(fā)性有限，其顆粒度分布范圍亦十分寬廣，因此初始燃燒量不會(huì)很大。即使在壓縮沖程之前已將全部煤粉噴入燃燒室，發(fā)動(dòng)機(jī)亦不會(huì)有異常的工作粗暴現(xiàn)象出現(xiàn)［8］。

為了克服煤粉燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期較長的缺點(diǎn)，可以在進(jìn)氣沖程之前就將全部煤粉噴入預(yù)燃室，在壓縮行程中對(duì)煤粉進(jìn)行預(yù)熱，使其于上止點(diǎn)附近自燃。

3.3 煤粉的燃燒持續(xù)時(shí)間

煤粉燃燒持續(xù)時(shí)間很大程度為固體殘?zhí)康娜紵龝r(shí)間，相比柴油而言時(shí)間更長。這是煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)組織缸內(nèi)燃燒異常困難的一個(gè)主要原因。不考慮缸內(nèi)氣流速度的影響，要縮短缸內(nèi)煤粉的燃燒持續(xù)時(shí)間，可以通過提高過量空氣系數(shù)以及細(xì)化煤粉來實(shí)現(xiàn)。前者通常將使得整機(jī)功率下降，而后者雖然于技術(shù)層面無較大困難，但是往往受投資與能耗的約束［9］。

3.4 煤粉燃料的噴射

在對(duì)煤粉燃料噴射的組織中，通常只要解決缸內(nèi)煤粉能否與空氣混合均勻的問題，而不需要像柴油那樣通過噴油嘴噴射的方式來進(jìn)行霧化。這是煤粉相比于柴油在組織缸內(nèi)燃燒方向的唯一優(yōu)勢(shì)。但是在燃料供給的穩(wěn)定性、燃料供給的自動(dòng)調(diào)節(jié)、煤粉結(jié)塊以及預(yù)防、燃料輸送閥的密封、燃料噴嘴的磨耗、防爆與回火等一系列的問題上，比起柴油來要困難得多［10－11］。

4 煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損問題

煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損具有典型磨粒磨損的癥狀，因?yàn)槊褐兴械幕曳譃椴裼偷臄?shù)百倍之多。因此即使煤粉可于缸內(nèi)完全燃燒，亦存在著過度磨損等不利因素。由于煤中灰分所具有的含硫量以及含鐵量都比柴油中的灰分更大，于減小磨損極為不利。灰分中的含鐵量高則會(huì)使其熔點(diǎn)下降，在氣缸中熔化之后，凝固于冷缸壁之上，將會(huì)引起缸體腐蝕，加劇其磨損。而煤灰如若滲入潤滑油，則會(huì)使得潤滑油黏度增大，亦會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)咬死，并且加劇其磨損［12］。

為了克服煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的過度磨損，曾有科研人員于結(jié)構(gòu)和材料方向進(jìn)行過大量試驗(yàn)研究。研究表明：普通鑄鐵并不適用于煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)，即使是有較高性能的合金鑄鐵或珠光體鑄鐵的抗磨粒磨損性能也不佳［13］。

英國燃料研究所對(duì)煤中所含的灰分進(jìn)行缸套磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明：給缸套鍍鉻可使得磨損大為降低，為原有的1／70。R Pawlikowski通過試驗(yàn)，認(rèn)為氮化處理后的缸套可使得煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損小于0.18μm／h，達(dá)到與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)乃健?/p>

在整體結(jié)構(gòu)上，增加活塞環(huán)的數(shù)目對(duì)降低磨損并無特殊效果。R Pawlikowski認(rèn)為采用組合式活塞環(huán)可以提高其整體抗磨性，采用十字頭結(jié)構(gòu)的活塞可以保護(hù)曲軸箱內(nèi)各軸承機(jī)件免受燃燒殘余物的侵入［14］。

加強(qiáng)活塞與氣缸套之間的潤滑以及清洗也是降低煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的一類重要手段［12］。研究亦表明：煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比對(duì)磨損有著很大的影響，當(dāng)壓縮比較高時(shí)，磨損會(huì)劇烈增大。

5 煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)的前景

在當(dāng)前能源匱乏的前提之下，重新研究煤粉發(fā)動(dòng)機(jī)不能認(rèn)為是技術(shù)回退，而是要求繼往開來的研究者們把以前未能解決的問題繼續(xù)切實(shí)解決。至于在何種程度、在何領(lǐng)域上發(fā)展煤氣機(jī)仍有待于技術(shù)飛躍，關(guān)鍵則在于發(fā)動(dòng)機(jī)煤粉燃燒技術(shù)問題能否得到切實(shí)完善的解決［15］。

毫無疑問，技術(shù)層面上的挑戰(zhàn)是相當(dāng)巨大的，但是通過努力仍可能得到解決，當(dāng)今在金屬科學(xué)、電測(cè)技術(shù)、摩擦學(xué)以及燃料的預(yù)處理、燃燒學(xué)方面已有巨大的成就。充分利用各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將有助于柴油機(jī)煤粉燃用的技術(shù)問題得到切實(shí)解決［16］。

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Research on the Internal Combustion Engine Using Powdered Coal

WU Saite，WANG Peipei，QIDonghui
（Vehicle College，Chang’an University，Xi’an Shaanxi710064，China）

According to the energy structure of China，coal plays an important role.At present，not only the traditional departments of coal combustion vigorously promotes technological innovation of coal combustion，but also those departmentswhich have notwidely use coal energy during the pastyears，also actively start to study this issue now.The coal combustion in the internal combustion engine and its specific application were described.Its relevant characteristics and wear problem of the cylinder were introduced aswell as its development prospects.

Engine；Pulverized coal；Combustion characteristics；Wear

2014－04－16

伍賽特（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作過程。E-mail：wusaite＠126.com。