伍赛特，王培培，祁东辉

（长安大学汽车学院，陕西西安710064）

煤粉发动机特性研究

伍赛特，王培培，祁东辉

（长安大学汽车学院，陕西西安710064）

我国的能源结构中，煤是最主要构成部分之一，其应用占有重要的地位。目前来看，不仅传统的煤炭消费部门大力推进燃煤技术革新，甚至过去未曾使用过煤的某些能源部门，亦积极研究该问题。介绍煤的燃烧过程及其在内燃机燃烧中的具体应用，阐述其相关的特性、缸内磨损问题并简要介绍其发展前景。

内燃机；煤粉；燃烧特性；磨损

0 引言

由于经济的快速发展，能源需求越来越大。在我国，煤是最主要的能源之一。了解煤的燃烧过程、煤在内燃机中燃烧的相关特性以及缸内磨损问题将有助于发挥其长处，拓展可能的应用领域。

1 煤的燃烧过程

煤的燃烧需要经历干燥、挥发、析出、着火燃烧以及焦炭着火等步骤，并且其中的挥发分的燃烧与焦炭的燃烧过程，从时间上看有相当的重叠。

当煤受热时，其表面上的水分首先会蒸发出来，使其自身愈发干燥。当继续升温时，将会发生热分解反应，使煤中所含的易于分解的碳氢化合物与少量无法参与燃烧的化合物 （如二氧化碳等）以气相形态析出。这些气相析出物即为通常所称的挥发分。但是要挥发分完全析出的话，需经历较长时间。挥发分析出后所剩余者即为焦炭，由固定碳与一些矿物杂质所组成［1］。

挥发分相比焦炭，更易于着火。因此当达到较高温度、又有足够的空气时，挥发分将会首先着火。当挥发分着火燃烧后，一方面会对焦炭进行加热，同时又会与焦炭争夺燃烧所需要的氧气。在大部分挥发分燃烧后，焦炭才会着火燃烧，但会与挥发分几乎同时燃烧殆尽。

焦炭中所含的矿物杂质于燃烧后会形成灰分。由于在燃烧过程中会形成妨碍氧气扩散至焦炭表面的灰壳，对燃尽时间将会有一定的影响。因此，灰分于燃烧是不利的。

由于焦炭在煤的质量中所占的比重最大［2］，着火延迟情况最为严重，燃尽时间最长，燃烧发热量又占煤燃烧放热的大部分，因此可见，焦炭的燃烧很大程度上决定了煤整体的燃烧状况。

2 煤粉发动机历史发展

迪塞尔 （Rudaef Diesel）于1884年提出了以煤粉作为燃料的压燃式发动机的构想，后来因实验失败而告终，从而否定了采用煤粉作为发动机燃料的可能性以及必要性。但之后，迪塞尔的合作研发者波里克斯基 （R Pawlikowski）坚持进行煤粉机的研究，却获得了相当显著的成功。他于1916年成功研制了一台实用的煤粉内燃机，持续运转了近万小时之久。但是，由于当时煤粉发动机的技术不成熟，寿命与可靠性方面仍有相当多的弊病，外加在此后的数十年间，廉价石油的大量开发与供应，导致燃用煤粉的内燃机技术在相当长一段时间内仍未得到进一步的发展［3］。

20世纪30年代开始，英、德两国政府从本国缺乏原油资源的情况出发，进一步对燃煤柴油机进行了相关的技术研发［3］。在美国，相关大学和科研单位由于受到了能源危机的威胁，也对燃煤发动机的研发日益重视起来［4］。

20世纪70年代末，美国能源部门依托苏尔寿公司和美国热电子公司的研究，合作进行了船用柴油机上煤粉燃料燃烧的实验研究。至20世纪80年代初期，在台架上对含有32%煤粉的煤－油混合燃料的燃烧实验取得了成功。但是仍有一系列问题尚待解决之中，如混合燃料的制取与储备以及缸套的磨损。由此看来，在缺乏能源的前提条件下，燃用煤粉的内燃机燃烧技术正处于有待突破之时，并且将会在低速船舶柴油机上得到首先的应用［5］。

3 煤粉发动机的工作特点

从柴油机缸内燃烧的研究情况来看，煤粉与柴油有着本质的区别。对于煤粉发动机而言，有些传统的燃烧概念 （例如十六烷值、滞燃期、喷油规律等）并不完全适用，而有些则完全不适用。但是从目前来看，人们对于煤粉发动机缸内燃烧情况及其细节尚未完全明了，但是从解决能源危机的紧迫形势来看，对该问题的技术攻关是具有深远研究意义的。

煤粉在内燃机缸内燃烧通常可以分为3个阶段：第1个阶段是煤粉的预热与挥发以及挥发物点燃方式；第2个阶段是挥发物的燃烧过程；第3个阶段是残炭的燃烧过程。3个阶段中，第1阶段主要影响着滞燃期；第3阶段主要影响着燃烧时间［6］。下面介绍煤粉发动机中与燃烧相关的概念。

3.1 着火温度

煤粉－空气混合物的燃烧着火温度通常比柴油更高。煤粉着火温度与周围空气的密度以及煤粉颗粒度密切相关，但是受煤种类的影响更大。燃点较低、挥发成分更高的煤粉，着火温度较低。解决劣质燃煤着火温度较高的一项简单措施，是在煤粉中掺更易燃烧的高挥发性煤 （例如褐煤）［7］。

3.2 滞燃期

相比于柴油，煤粉的滞燃期更长，除了受煤的品种以及颗粒度的影响之外，还受空气密度与温度的影响。当颗粒较细、燃点较低、挥发成分较高、空气温度和密度较高之时，会使滞燃期缩短。定容弹试验表明：除了过量空气系数与滞燃期无关之外，其余各因素的影响可使滞燃期相差达几十倍之多。

较长的滞燃期主要影响着缸内煤粉燃烧的结束时间，而并不会影响发动机工作粗暴性以及改变燃烧可控时间。毕竟煤粉的挥发性有限，其颗粒度分布范围亦十分宽广，因此初始燃烧量不会很大。即使在压缩冲程之前已将全部煤粉喷入燃烧室，发动机亦不会有异常的工作粗暴现象出现［8］。

为了克服煤粉燃烧发动机滞燃期较长的缺点，可以在进气冲程之前就将全部煤粉喷入预燃室，在压缩行程中对煤粉进行预热，使其于上止点附近自燃。

3.3 煤粉的燃烧持续时间

煤粉燃烧持续时间很大程度为固体残炭的燃烧时间，相比柴油而言时间更长。这是煤粉发动机组织缸内燃烧异常困难的一个主要原因。不考虑缸内气流速度的影响，要缩短缸内煤粉的燃烧持续时间，可以通过提高过量空气系数以及细化煤粉来实现。前者通常将使得整机功率下降，而后者虽然于技术层面无较大困难，但是往往受投资与能耗的约束［9］。

3.4 煤粉燃料的喷射

在对煤粉燃料喷射的组织中，通常只要解决缸内煤粉能否与空气混合均匀的问题，而不需要像柴油那样通过喷油嘴喷射的方式来进行雾化。这是煤粉相比于柴油在组织缸内燃烧方向的唯一优势。但是在燃料供给的稳定性、燃料供给的自动调节、煤粉结块以及预防、燃料输送阀的密封、燃料喷嘴的磨耗、防爆与回火等一系列的问题上，比起柴油来要困难得多［10－11］。

4 煤粉发动机的磨损问题

煤粉发动机的磨损具有典型磨粒磨损的症状，因为煤中所含有的灰分为柴油的数百倍之多。因此即使煤粉可于缸内完全燃烧，亦存在着过度磨损等不利因素。由于煤中灰分所具有的含硫量以及含铁量都比柴油中的灰分更大，于减小磨损极为不利。灰分中的含铁量高则会使其熔点下降，在气缸中熔化之后，凝固于冷缸壁之上，将会引起缸体腐蚀，加剧其磨损。而煤灰如若渗入润滑油，则会使得润滑油黏度增大，亦会导致活塞环咬死，并且加剧其磨损［12］。

为了克服煤粉发动机的过度磨损，曾有科研人员于结构和材料方向进行过大量试验研究。研究表明：普通铸铁并不适用于煤粉发动机，即使是有较高性能的合金铸铁或珠光体铸铁的抗磨粒磨损性能也不佳［13］。

英国燃料研究所对煤中所含的灰分进行缸套磨损试验，结果表明：给缸套镀铬可使得磨损大为降低，为原有的1／70。R Pawlikowski通过试验，认为氮化处理后的缸套可使得煤粉发动机的磨损小于0.18μm／h，达到与柴油机相当的水平。

在整体结构上，增加活塞环的数目对降低磨损并无特殊效果。R Pawlikowski认为采用组合式活塞环可以提高其整体抗磨性，采用十字头结构的活塞可以保护曲轴箱内各轴承机件免受燃烧残余物的侵入［14］。

加强活塞与气缸套之间的润滑以及清洗也是降低煤粉发动机磨损的一类重要手段［12］。研究亦表明：煤粉发动机的压缩比对磨损有着很大的影响，当压缩比较高时，磨损会剧烈增大。

5 煤粉发动机的前景

在当前能源匮乏的前提之下，重新研究煤粉发动机不能认为是技术回退，而是要求继往开来的研究者们把以前未能解决的问题继续切实解决。至于在何种程度、在何领域上发展煤气机仍有待于技术飞跃，关键则在于发动机煤粉燃烧技术问题能否得到切实完善的解决［15］。

毫无疑问，技术层面上的挑战是相当巨大的，但是通过努力仍可能得到解决，当今在金属科学、电测技术、摩擦学以及燃料的预处理、燃烧学方面已有巨大的成就。充分利用各个领域的技术优势，将有助于柴油机煤粉燃用的技术问题得到切实解决［16］。

【1】刘文中，孙维辉.淮海煤及其燃烧产物的成分分析［J］.矿业快报，2007（11）：26－29.

【2】方品贤.环境统计手册［M］.成都：四川环境科学出版社，1986.

【3】谢益棠，赵玉兰.美国开发燃煤柴油机的概况及对排放物的控制与防护［J］.煤炭综合利用，1990（4）：11－18.

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

【5】赖高惠.燃煤发动机［J］.小型内燃机，1989，5（1）：34.

【6】苏万华.内燃机燃烧与控制［M］.天津：天津大学出版社，2010.

【7】郭嘉.混煤着火温度的测定及其数学模型［J］.电站系统工程，1993（6）：15－18.

【8】张静英.煤粒着火及燃烧稳定性［J］.煤炭转化，1997，20（3）：63－68.

【9】王春林，杨建国，翁善勇，等.我国主要动力用煤的着火特性试验及分析［J］.锅炉技术，2004，35（6）：49－51.

【10】周怀春，孙丹萍，方庆艳，等.煤粉稳燃技术的发展历程和展望［J］.动力工程，2008，28（5）：657－663，681.

【11】方峰.柴油机高压共轨燃油喷射系统初探［J］.江苏船舶，2008，25（4）：27－31.

【12】唐荣伟，王国栋.发动机磨损原因分析［J］.包钢科技，2007，33（4）：52－54.

【13】吴国君，陆志奇，陈燕明.发动机铸铁缸体的研制［J］.现代零部件，2012（4）：53－56.

【14】李兵，张培林，傅建平，等.发动机磨损模式的FGRD识别模型［J］.内燃机工程，2006，27（2）：89－92.

【15】隋建才，杜云贵，徐明厚，等.我国煤燃烧研究发展现状与趋势［J］.热能动力工程，2008，23（2）：111－117.

【16】廖世勇，程前.发动机代用燃料的开发与利用［J］.上海汽车，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

伍赛特（1990—），男，硕士研究生，研究方向为发动机工作过程。E-mail：wusaite＠126.com。