今年,全国人大通过的“中华人民共和国可再生能源法”,把生物质能的开发列入了可再生能源开发之中。十届全国人大三次会议上温总理在政府工作报告中再次提出:积极开发新能源和可再生能源。粉尘燃料属于一种可再生能源和新能源。我经过较长时间的研究,发明了“粉尘燃料内燃机”。在2004年4月7日向中国知识产权局申请专利(专利号:200420034259X),现已授权。
一、研制和开发粉尘燃机的紧迫性
内燃机是重要的工业动力之一,现有的内燃机均采用汽油、柴油作燃料,不仅尾气排放污染了环境,而且其资源日益枯竭。专家估计,世界上已探明的石油储量最多够人类使用50年。为解决世界石油危机,人们积极探索以煤代油、天然气代油、电代油、酒精代油、核能代油及生物柴油等等多种途径。但时至今日,在替代石油的再生能源的开发上,人类没有根本的进展。
粉尘燃料内燃机是一种全新的往复式内燃机。它跟传统的汽油、柴油往复式内燃机截然不同,它利用“粉尘爆炸原理”,既可以直接燃烧精制的木炭粉、竹炭粉、淀粉等再生燃料产生工业动力,也可以直接燃烧精制的焦炭粉、煤炭粉等一次性燃料产生工业动力。
二、粉尘燃料内燃机的理论依据
100多年前人们从多次的面粉(爆炸事故中发现了一个重要的物理学原理——粉尘爆炸原理。科学家发现,粉尘爆炸的发生必须具备三个条件:(1)粉尘燃料能充分地与空气混合;(2)粉尘燃料与空气混合后达到了一定的浓度;(3)粉尘燃料与空气达到了一定的温度。
粉尘爆炸能量之大,爆速之高,引起了军火炸弹专家和发动机专家的极大兴趣,他们对该原理的应用进行了长期的探索和研究。在国家利益和大量资金的驱动下炸弹专家获得了成功:上世纪50年代美国和前苏联研究出了利用粉尘爆炸原理的高爆炸弹——燃料空气炸弹。该种炸弹又称“云爆弹”、“环氧乙炔炸弹”、“小原子弹”。美国在伊拉克战争中使用的“炸弹之母”MOAB炸弹,即是这种炸弹,内有8.16吨装药,其威力仅次于原子弹。燃料空气炸弹研制的成功,关键在于解决了二次引爆技术,满足了粉尘爆炸的条件。该炸弹达到目标位置时第一次引爆,将弹体内的环氧乙炔燃料均匀地撒布空气中形成气溶胶云雾。这时再进行第二次引爆,向这些气溶胶云雾提供活化能(即一定的热能),使这些气溶胶云雾猛烈燃烧爆炸起来。该种炸弹爆炸时不仅爆炸能大,冲击波强,而且能夺取目标区域内的氧气,使人缺氧窒息而死。
百多年来,包括柴油机发明人鲁道夫·狄塞尔在内的许多发动机专家一直进行粉尘爆炸和传统往复式内燃机燃用煤粉的研究。虽然至今还没有成功的煤炭粉尘往复式内燃机问世,但发动机专家通过大量试验和研究,证明了煤粉可以当作内燃机的燃料来烧。尤其是上世纪80年代初期,由美国能源部能源技术中心赞助的“煤粉绝热传统往复式发动机燃烧特性”试验,证实了平均尺寸为5μm的雾状煤粉燃料性能极好;燃100%煤粉时,绝热发动机的表观指示循环效率较烧柴油时的为高。然而,在试验中遇到了煤粉供应、粉尘点火、活塞环磨损、润滑油污染等等问题;这些问题是传统的往复式内燃机无法解决的。
三、粉尘燃料内燃机的独特发明、关键设计和重要措施
粉尘燃料内燃机由三室汽缸、送料预热系统、阀门正时机构、活塞连杆机构等四大部分组成。该机型构思巧妙、设计新颖,精制过的木炭粉、竹炭粉、淀粉以及焦炭粉、煤炭粉等粉尘燃料进入该内燃机后,不仅能充分形成粉尘爆炸的三个条件,会产生激烈的燃烧爆炸,而且能克服燃料供应、粉尘点火、活塞润滑、废气排放等等问题。因此该机型能连续运行,向外输出动力。
1、独特发明——三室汽缸
粉尘燃料内燃机汽缸的缸盖与缸体之间安装有缸台,缸台下表面与活塞上端面形成的空腔为燃烧室,缸台上表面与缸盖内表面形成的空腔为储气室。缸台中有贯通其上下表面的调气管道和喷气管道,调气管道上端有控制调气口启闭的调气阀,喷气管道上下端分别有控制其启闭的小喷阀和大喷阀。缸台中有待料室,待料室位于喷气管道上部并与外装预热器的送料管相接通,送料管和贮料箱底部的压料管相接通。
2、关键设计——粉尘燃料的预热
以前,狄塞尔柴油内燃机成功的关键设计在于:压缩空气和油嘴喷油;依靠压缩空气的高温点燃油嘴喷出的柴油。现在,粉尘内燃机可实现的关键设计在于:隔绝空气的情况下将粉尘燃料预热到燃点,然后通过送料管和送料塞杆送入到缸体内的待料室中。爆发冲程开始时,新鲜空气从贮气室中高速喷向待料室,与高温粉尘燃料充分混合并发生激烈爆炸,推动活塞,输出动力。
3、重要措施——闭锁连杆
粉尘燃料内燃机的送料管和贮料箱底部的压料管相接通,送料管前端从缸台一侧进入待料室,送料管中有可前后移动的送料塞杆,送料塞杆后端靠铰接环与闭锁连杆一端铰接,行程轮与闭锁连杆另一端铰接。通过行程轮即可操纵闭锁连杆的开、闭及送料塞杆的前后移动输送燃料。
4、活塞润滑
由于精制的粉尘燃料粒度较小,平均尺寸在51xm以下,而且经过炭化或焦炭化处理,所以进入汽缸的粉尘燃料本身就是很好的润滑剂,对活塞及活塞环起润滑作用。
四、粉尘燃料的处理及要求
再生性粉尘燃料的来源为树木、竹子、农作物秸杆及粮食淀粉等,它们可以进行大面积人工种植,属于再生性原料。虽然它们归属于生物质能的范畴,但其热能是很可观的,例如木炭的热值就是焦炭热值的1.13倍。
焦炭、煤炭属于一次性能源,但是它们在地球上的储量远远大于石油,还可以够人类使用300多年。19世纪雷诺发明汽油机以前的所有内燃机都是燃烧煤气的。20世纪下半叶以来人们再度兴起了以煤代油的研究,走的就是煤变柴油、煤水悬乳液、超细煤粉等路子。至今为止煤水悬乳液、超细煤粉做现行内燃机燃料的路子没有成功过;煤变柴油、煤变煤气很成功,但是投资大、成本高。由于粉尘燃料内燃机直接使用精制煤粉做燃料,不必使煤变气或者使煤变油,因此可以大大降低燃料的成本。
粉尘燃料须经去除杂质、超细粉碎、炭化或焦化处理。需要除去有害金属和有害物质,比如有害重金属、苯并芘或煤焦油等有害物质。粒度一般要求平均尺寸在5μm以下。
五、粉尘燃料内燃机工作过程
粉尘燃料内燃机为四冲程往复式发动机,由吸气冲程、压缩冲程、爆发冲程、排气冲程构成一个工作循环。
六、研制和开发粉尘燃料内燃机的重要意义
粉尘燃料往复式内燃机是一种全新的内燃机,研制和开发粉尘燃料内燃机的重要意义在于:1、该内燃机通过植物燃料的再生性,实现太阳能——生物质能——机械能的生态能量循环,不仅能永远地解决人类的能源危机,减少温室效应和环境污染;而且能使占人口大多数的农民从低产值的粮食生产中解脱出来,转移到高附加值的内燃机燃料栽培产业中来。粉尘燃料内燃机不仅能产生巨大的经济效益,而且会产生巨大的社会效益。2、煤炭、焦炭虽然属于一次性化石燃料,但是在地球中的储量比石油大,够人们再用300多年。粉尘燃料内燃机可以直接使用精制煤炭粉、焦炭粉做燃料,这可以当作一种解决石油危机的过渡办法。