煤粉發動機特性研究

伍賽特，王培培，祁東輝

（長安大學汽車學院，陜西西安710064）

煤粉發動機特性研究

伍賽特，王培培，祁東輝

（長安大學汽車學院，陜西西安710064）

我國的能源結構中，煤是最主要構成部分之一，其應用占有重要的地位。目前來看，不僅傳統的煤炭消費部門大力推進燃煤技術革新，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燃機燃燒中的具體應用，闡述其相關的特性、缸內磨損問題并簡要介紹其發展前景。

內燃機；煤粉；燃燒特性；磨損

0 引言

由于經濟的快速發展，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、煤在內燃機中燃燒的相關特性以及缸內磨損問題將有助于發揮其長處，拓展可能的應用領域。

1 煤的燃燒過程

煤的燃燒需要經歷干燥、揮發、析出、著火燃燒以及焦炭著火等步驟，并且其中的揮發分的燃燒與焦炭的燃燒過程，從時間上看有相當的重疊。

當煤受熱時，其表面上的水分首先會蒸發出來，使其自身愈發干燥。當繼續升溫時，將會發生熱分解反應，使煤中所含的易于分解的碳氫化合物與少量無法參與燃燒的化合物 （如二氧化碳等）以氣相形態析出。這些氣相析出物即為通常所稱的揮發分。但是要揮發分完全析出的話，需經歷較長時間。揮發分析出后所剩余者即為焦炭，由固定碳與一些礦物雜質所組成［1］。

揮發分相比焦炭，更易于著火。因此當達到較高溫度、又有足夠的空氣時，揮發分將會首先著火。當揮發分著火燃燒后，一方面會對焦炭進行加熱，同時又會與焦炭爭奪燃燒所需要的氧氣。在大部分揮發分燃燒后，焦炭才會著火燃燒，但會與揮發分幾乎同時燃燒殆盡。

焦炭中所含的礦物雜質于燃燒后會形成灰分。由于在燃燒過程中會形成妨礙氧氣擴散至焦炭表面的灰殼，對燃盡時間將會有一定的影響。因此，灰分于燃燒是不利的。

由于焦炭在煤的質量中所占的比重最大［2］，著火延遲情況最為嚴重，燃盡時間最長，燃燒發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 煤粉發動機歷史發展

迪塞爾 （Rudaef Diesel）于1884年提出了以煤粉作為燃料的壓燃式發動機的構想，后來因實驗失敗而告終，從而否定了采用煤粉作為發動機燃料的可能性以及必要性。但之后，迪塞爾的合作研發者波里克斯基 （R Pawlikowski）堅持進行煤粉機的研究，卻獲得了相當顯著的成功。他于1916年成功研制了一臺實用的煤粉內燃機，持續運轉了近萬小時之久。但是，由于當時煤粉發動機的技術不成熟，壽命與可靠性方面仍有相當多的弊病，外加在此后的數十年間，廉價石油的大量開發與供應，導致燃用煤粉的內燃機技術在相當長一段時間內仍未得到進一步的發展［3］。

20世紀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，進一步對燃煤柴油機進行了相關的技術研發［3］。在美國，相關大學和科研單位由于受到了能源危機的威脅，也對燃煤發動機的研發日益重視起來［4］。

20世紀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，合作進行了船用柴油機上煤粉燃料燃燒的實驗研究。至20世紀80年代初期，在臺架上對含有32%煤粉的煤－油混合燃料的燃燒實驗取得了成功。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，燃用煤粉的內燃機燃燒技術正處于有待突破之時，并且將會在低速船舶柴油機上得到首先的應用［5］。

3 煤粉發動機的工作特點

從柴油機缸內燃燒的研究情況來看，煤粉與柴油有著本質的區別。對于煤粉發動機而言，有些傳統的燃燒概念 （例如十六烷值、滯燃期、噴油規律等）并不完全適用，而有些則完全不適用。但是從目前來看，人們對于煤粉發動機缸內燃燒情況及其細節尚未完全明了，但是從解決能源危機的緊迫形勢來看，對該問題的技術攻關是具有深遠研究意義的。

煤粉在內燃機缸內燃燒通常可以分為3個階段：第1個階段是煤粉的預熱與揮發以及揮發物點燃方式；第2個階段是揮發物的燃燒過程；第3個階段是殘炭的燃燒過程。3個階段中，第1階段主要影響著滯燃期；第3階段主要影響著燃燒時間［6］。下面介紹煤粉發動機中與燃燒相關的概念。

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，但是受煤種類的影響更大。燃點較低、揮發成分更高的煤粉，著火溫度較低。解決劣質燃煤著火溫度較高的一項簡單措施，是在煤粉中摻更易燃燒的高揮發性煤 （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。當顆粒較細、燃點較低、揮發成分較高、空氣溫度和密度較高之時，會使滯燃期縮短。定容彈試驗表明：除了過量空氣系數與滯燃期無關之外，其余各因素的影響可使滯燃期相差達幾十倍之多。

較長的滯燃期主要影響著缸內煤粉燃燒的結束時間，而并不會影響發動機工作粗暴性以及改變燃燒可控時間。畢竟煤粉的揮發性有限，其顆粒度分布范圍亦十分寬廣，因此初始燃燒量不會很大。即使在壓縮沖程之前已將全部煤粉噴入燃燒室，發動機亦不會有異常的工作粗暴現象出現［8］。

為了克服煤粉燃燒發動機滯燃期較長的缺點，可以在進氣沖程之前就將全部煤粉噴入預燃室，在壓縮行程中對煤粉進行預熱，使其于上止點附近自燃。

3.3 煤粉的燃燒持續時間

煤粉燃燒持續時間很大程度為固體殘炭的燃燒時間，相比柴油而言時間更長。這是煤粉發動機組織缸內燃燒異常困難的一個主要原因。不考慮缸內氣流速度的影響，要縮短缸內煤粉的燃燒持續時間，可以通過提高過量空氣系數以及細化煤粉來實現。前者通常將使得整機功率下降，而后者雖然于技術層面無較大困難，但是往往受投資與能耗的約束［9］。

3.4 煤粉燃料的噴射

在對煤粉燃料噴射的組織中，通常只要解決缸內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行霧化。這是煤粉相比于柴油在組織缸內燃燒方向的唯一優勢。但是在燃料供給的穩定性、燃料供給的自動調節、煤粉結塊以及預防、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 煤粉發動機的磨損問題

煤粉發動機的磨損具有典型磨粒磨損的癥狀，因為煤中所含有的灰分為柴油的數百倍之多。因此即使煤粉可于缸內完全燃燒，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使其熔點下降，在氣缸中熔化之后，凝固于冷缸壁之上，將會引起缸體腐蝕，加劇其磨損。而煤灰如若滲入潤滑油，則會使得潤滑油黏度增大，亦會導致活塞環咬死，并且加劇其磨損［12］。

為了克服煤粉發動機的過度磨損，曾有科研人員于結構和材料方向進行過大量試驗研究。研究表明：普通鑄鐵并不適用于煤粉發動機，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］。

英國燃料研究所對煤中所含的灰分進行缸套磨損試驗，結果表明：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，認為氮化處理后的缸套可使得煤粉發動機的磨損小于0.18μm／h，達到與柴油機相當的水平。

在整體結構上，增加活塞環的數目對降低磨損并無特殊效果。R Pawlikowski認為采用組合式活塞環可以提高其整體抗磨性，采用十字頭結構的活塞可以保護曲軸箱內各軸承機件免受燃燒殘余物的侵入［14］。

加強活塞與氣缸套之間的潤滑以及清洗也是降低煤粉發動機磨損的一類重要手段［12］。研究亦表明：煤粉發動機的壓縮比對磨損有著很大的影響，當壓縮比較高時，磨損會劇烈增大。

5 煤粉發動機的前景

在當前能源匱乏的前提之下，重新研究煤粉發動機不能認為是技術回退，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切實解決。至于在何種程度、在何領域上發展煤氣機仍有待于技術飛躍，關鍵則在于發動機煤粉燃燒技術問題能否得到切實完善的解決［15］。

毫無疑問，技術層面上的挑戰是相當巨大的，但是通過努力仍可能得到解決，當今在金屬科學、電測技術、摩擦學以及燃料的預處理、燃燒學方面已有巨大的成就。充分利用各個領域的技術優勢，將有助于柴油機煤粉燃用的技術問題得到切實解決［16］。

【1】劉文中，孫維輝.淮海煤及其燃燒產物的成分分析［J］.礦業快報，2007（11）：26－29.

【2】方品賢.環境統計手冊［M］.成都：四川環境科學出版社，1986.

【3】謝益棠，趙玉蘭.美國開發燃煤柴油機的概況及對排放物的控制與防護［J］.煤炭綜合利用，1990（4）：11－18.

【4】Soehngen E E.Development of coal-burning diesel engines in Germany［M］.Alexandria，USA，1976.

【5】賴高惠.燃煤發動機［J］.小型內燃機，1989，5（1）：34.

【6】蘇萬華.內燃機燃燒與控制［M］.天津：天津大學出版社，2010.

【7】郭嘉.混煤著火溫度的測定及其數學模型［J］.電站系統工程，1993（6）：15－18.

【8】張靜英.煤粒著火及燃燒穩定性［J］.煤炭轉化，1997，20（3）：63－68.

【9】王春林，楊建國，翁善勇，等.我國主要動力用煤的著火特性試驗及分析［J］.鍋爐技術，2004，35（6）：49－51.

【10】周懷春，孫丹萍，方慶艷，等.煤粉穩燃技術的發展歷程和展望［J］.動力工程，2008，28（5）：657－663，681.

【11】方峰.柴油機高壓共軌燃油噴射系統初探［J］.江蘇船舶，2008，25（4）：27－31.

【12】唐榮偉，王國棟.發動機磨損原因分析［J］.包鋼科技，2007，33（4）：52－54.

【13】吳國君，陸志奇，陳燕明.發動機鑄鐵缸體的研制［J］.現代零部件，2012（4）：53－56.

【14】李兵，張培林，傅建平，等.發動機磨損模式的FGRD識別模型［J］.內燃機工程，2006，27（2）：89－92.

【15】隋建才，杜云貴，徐明厚，等.我國煤燃燒研究發展現狀與趨勢［J］.熱能動力工程，2008，23（2）：111－117.

【16】廖世勇，程前.發動機代用燃料的開發與利用［J］.上海汽車，1998，7（1）：27－29.

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，研究方向為發動機工作過程。E-mail：wusaite＠126.com。