压缩冲程后期充碳式碳粉发动的制造方法
【专利摘要】一种压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，分为点燃式和压燃式两种，所属内燃机的机械领域。石油资源日渐枯竭，利用可再生资源代替石油作为新的能源势在必行。利用碳粉解决该问题是一个可行设想。可惜在内燃机方面碳粉发动机仍存在诸多缺点：燃烧率低、动力输出不稳定、碳粉阻碍活塞运动等等，这些问题亟需解决。本发明通过改变碳粉发动机的充碳方式、燃烧室、起燃方式等以解决碳粉发动机的各种问题。本发明可作为将碳的化学能转化为机械能的装置，可用于碳粉内燃机发电、汽车用碳粉发动机等。
【专利说明】压缩冲程后期充碳式碳粉发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固-气内燃机，一种将碳粉与氧气的化学能转化为机械能的机械
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【背景技术】
[0002]目前的主流发动机为汽油发动机和柴油发动机，这两种发动机性能优越，确实是人类历史上伟大的发明。但由于柴油、汽油的来源为石油，而石油资源日渐减少，导致燃油价格上涨，使得该两种内燃机运行成本升高。同时，石油资源最终枯竭是必然事实，就目前探明的石油仅可供人类开采40年。由此可见，汽油、柴油发动机在不久的将来必然会退出历史舞台。
[0003]另一种可行的发动机，使用乙醇作为燃料。但是目前脱离石油或石油副产品来大量生产乙醇的方法仅为发酵，而发酵的转化率低、所需时间长。举个例子来说，巴西拟将其国内汽车发动机全部改为乙醇发动机，而真要这么干的话，为满足巴西汽车所需，巴西境内一半的耕地要用来种甘蔗用以发酵酒精。由此可见那是不现实的。
[0004]作为对比，王长锋先生在2008年5月提出专利申请的发明:一种汽车用碳粉发动机(专利号:200810011341)。其发明主要提供了一种发动机供碳系统。不过该发动机存在如下缺陷:
[0005]1、因其碳粉随空气一起充入气缸，在活塞高速压缩过程中，碳粉会与活塞发生完全非弹性碰撞，粘附在活塞上。这样就使碳粉在混合气中的浓度降低了，从而降低了点火成功率。同时，由于碳粉粘附在活塞上，被点燃后放出的大部分热量会直接传给活塞，致使活塞温度过高，更容易损坏。同时由于粘附在活塞上的碳粉燃烧后只有少部分能量传给空气，致使空气加热不足，造成发动机输出力矩下降。
[0006]2、在活塞压缩碳-空混合气过程中，由于缸壁处有润滑油，致使部分碳粉粘附在缸壁上，其导致的结果与上一缺陷所述的差不多:降低了点火成功率，使发动机输出力矩下降。而且，在缸壁燃烧的碳粉会消耗掉大量的润滑油；在缸壁不燃烧的碳粉则严重阻碍活塞的往复运动。
[0007]3、点火成功率不高导致发动机输出力矩不稳定，甚至可能死火。固体粉尘的点火成功率是做不到100%的，即使成功率为99.99%，那么对于转速为1000r/min的该种发动机，平均每20每种就会出现一次点火失败。失败的点火意味着碳粉未燃烧，这些未燃烧的碳粉即使在排气冲程结束后也不会完全排出气缸，甚至可能留下大部分。这些遗留下来的碳粉可能会使下一循环的碳粉严重过量，这样的话就使碳粉浓度超出了爆炸极限范围，于是这次点火同样会失败。如此反复，发动机最终会死火。即使下一循环过程点火成功了，但由于碳粉过量会促使了反应C+C02 = 2C0的发生，该反应是吸热反应，它降低了气体温度，进而降低了发动机的输出力矩，或者说，使输出力矩难以控制。
[0008]4、该种发动机排出的废气含有一氧化碳,其为有毒气体。
【发明内容】
[0009]本发明使用碳作为燃料。碳为可再生资源，制碳工艺的成熟为本发明提供了优良的能源来源。
[0010]要使碳在内燃机燃烧室急剧燃烧，则要把碳制成足够小的碳粉才行。但毕竟碳粉是固体，因此不能将碳-空混合气替换掉汽-空混合气直接充入内燃机进行燃烧。
[0011]为解决碳粉发动机的各种问题，本发明所采取的技术方案是:在压缩冲程最后的时候把碳粉充入燃烧室，从而避免了碳粉与活塞的完全非弹性碰撞，避免了碳粉粘附在涂有润滑油的气缸内壁上。
[0012]本发明采用上述技术方案的第一种发动机为火花塞点燃式的。碳粉经过电热式烘干器、滤网，再被抽粉机抽至发动机主体顶部以供燃烧使用。在这里，有两种充碳装置可供选择。第一种为耐高温高压喷粉装置，第二种为低压贮粉器。(在本说明书后面部分会对这两种充碳装置的工作原理作出详细说明。)燃烧室顶部装有压力传感器，用以检测缸内碳粉是否被点燃。如果点火失败，计算机系统会控制火花塞进行多次点火，或者适当调整下一次的进碳量以防止下一循环过程碳粉过量。气缸上止点处置有一圈疏润滑油的耐高温高压物质，用以避免润滑油向燃烧室润进，从而避免了碳粉会粘附在燃烧室壁上。
[0013]本发明采用上述技术方案的第二种发动机为压燃式的。碳粉经过电热式烘干器、滤网，再被抽粉机抽至发动机主体顶部以供燃烧使用。在这里，有两种充碳装置可供选择。第一种为耐高温高压喷粉装置，第二种为低压贮粉器。(在本说明书后面部分会对这两种充碳装置的工作原理作出详细说明。)气缸上止点处置有一圈疏润滑油的耐高温高压物质，用以避免润滑油向燃烧室润进，从而避免了碳粉会粘附在燃烧室壁上。
[0014]本发明有如下优点:
[0015]1、缓解石油危机。
[0016]本发明使用碳作为燃料，而碳为可再生资源，且生产周期短。大范围推广本发明后，石油资源的枯竭速度可有效降低。
[0017]2、对比于汽油发动机，本发明输出动力更强大。
[0018]碳与汽油和等量的氧气燃烧所释放的热量之比接近1:1，那么对于排量相同的本发明和汽油发动机，每次燃烧所释放的化学能一样。但是，由于汽油燃烧产物含有大量水蒸汽，水蒸汽容易液化，这使得气缸内气体分子的量在燃烧后减少了，从而降低了发动机输出力矩。而碳粉燃烧方程为C+02 = CO2，这表明Imol氧气燃烧就会产生Imol 二氧化碳，从而气缸内气体分子的量在燃烧前后保持不变，因而本发明可输出更大的力矩。
[0019]3、充碳量得到精确控制。
[0020]采用可控的充碳装置，可精确控制配碳量，从而使发动机输出力矩得到更好的控制。而且，由于对碳量的精确控制，避免了吸热反应C+C02 = 2C0的发生。
[0021]4、燃烧废气几乎没有污染气体和有毒气体。
[0022]基于成熟的制碳技术，及对进碳量的精确控制，使得燃烧废气仅为氮气、氧气、二氧化碳。
[0023]5、碳粉不粘附在活塞和缸壁上。
[0024]由于选择在压缩冲程最后才充入碳粉，从而避免了碳粉与活塞的完全非弹性碰撞，以及避免了碳粉粘附在涂有润滑油的缸壁上，这样使动力输出更稳定、使活塞和气缸不至于温度过高而受到破坏。
[0025]6、点火失败的防护做得更充分。
[0026]本发明的第一种发动机的燃烧室顶部装有压力传感器，其能有效检测点火是否成功。如果点火失败，计算机系统会控制火花塞进行多次点火，或者适当调整下一次的进碳量以防止下一循环过程碳粉过量。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为压缩冲程后期充碳式碳粉发动机的结构图。其中压力传感器(9)、火花塞
(11)根据是点燃式还是压燃式而确定存不存在。
[0028]图2为耐高温高压喷粉器结构图。
[0029]图3为低压室贮粉器结构图。其中火花塞(23)根据是点燃式还是压燃式而确定存不存在。
【具体实施方式】
[0030]下面通过实施例来说明本发明得【具体实施方式】。
[0031]第一种为点燃式压缩冲程后期充碳式碳粉发动机。碳粉从储粉罐(I)下漏至电热式烘干器(3)，再下落至滤网(5)，其中(4)为抽风机+空气滤清器，负责吸气进来辅助碳粉过滤。抽粉机(6)把碳粉抽至发动机主体顶部。之后碳粉进入充碳装置。
[0032]本发动机为四冲程发动机，当压缩冲程结束后，活塞运动到上止点时，充碳装置充入碳粉，然后经火花塞点燃，碳-空混合气剧烈燃烧，高压膨胀推动活塞做功。其中气缸上止点处有一圈耐高温高压的疏润滑油物质，用以防止润滑油向上浸润，避免润滑油与碳粉的接触。发动机进气门、排气门由凸轮轴控制。燃烧室顶部装有压力传感器(9)，用以检测缸内气压的变化从而确定燃烧室内碳粉是否被点燃。如果没有点燃，计算机系统会控制火花塞进行多次点火，或者适当调整下一次的进碳量以防止下一循环过程碳粉过量。
[0033]为了避免吸热反应C+C02 = 2C0的发生，应对配碳量进行精确控制:充入的碳的物质的量要略小于吸入的氧气的物质的量。
[0034]本发动机有两种充碳装置可供选择。第一种为耐高温高压喷粉器，在压缩冲程最后，喷粉器的推粉活塞(20)在可调高度的凸轮轴(22)的驱动下向下推动，当推粉活塞遮住进碳口(18)的时候，喷粉气门(16)被凸轮轴推开。推粉活塞(20)继续向下推动，把碳粉推出至燃烧室。在出粉口处有旋转扇叶(17)，由齿轮(21)驱动，其中齿轮(21)由凸轮轴间接驱动。旋转扇叶用以打散碳粉使其在燃烧室内充得更均匀。有计算机系统控制凸轮轴的高度，从而控制了推粉活塞可推进的最大位移，亦即控制了进碳量。当推粉进行完全后，喷粉气门在弹簧弹力的作用下先复位，推粉活塞随后复位。在喷粉气门关闭后，火花塞开始点火。当推粉活塞复位后，碳粉在震荡器的振动下落入喷粉器内，等待下一次喷粉使用。喷粉器内不使用润滑油，并且，推粉活塞等用低摩擦密封条密封。喷粉器的气门、推粉活塞也可以改为由计算机控制，这样在高转速的要求下仍能确保优良的性能。
[0035]第二种充粉机构为低压室贮粉器。在压缩冲程最后，燃烧室内气压极高，低压室贮粉器内气压接近于大气压，此时低压室内贮有适量碳粉，小孔气门(25)呈关闭状态。低压室气门(24)打开，高压气体涌入低压室，致使碳粉被扬起，低压室内的火花塞(23)点火，于是低压室内部分碳粉被点燃放热使低压室气体膨胀，多余的碳粉随膨胀气体涌出至燃烧室与燃烧室的氧气燃烧，这样，全部碳粉完全燃烧使空气加热膨胀推动活塞做功。在做功冲程中，低压室气门保持开启。当做功冲程结束后，发动机排气门打开时，低压室气门才可以关闭。低压室气门关闭后，小孔气门打开，推粉活塞(28)把碳粉推至低压室，然后小孔气门关闭，推粉活塞复位。外界碳粉随振荡器的振动滚入小孔，以备下次被推入低压室。以上为低压室贮粉器的工作循环详细说明，其中，只有低压室气门(24)可由凸轮轴控制，小孔气门、推粉活塞、火花塞皆由计算机系统控制。计算机系统通过控制推粉活塞的位移量来控制加入碳粉的量。
[0036]点燃式压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，压缩比在8:1以上，碳粉半径小于0.003毫米(压缩比越高，碳粉半径上限越大)。
[0037]第二种为压燃式压缩冲程后期充碳式碳粉发动机。碳粉从储粉罐(I)下漏至电热式烘干器(3)，再下落至滤网(5)，其中(4)为抽风机+空气滤清器，负责吸气进来辅助碳粉过滤。抽粉机(6)把碳粉抽至发动机主体顶部。之后碳粉进入充碳装置。
[0038]本发动机为四冲程发动机，当压缩冲程结束后，活塞运动到上止点时，燃烧室内气体温度已高于碳的燃点。充碳装置充入碳粉，碳-空混合气剧烈燃烧，高压膨胀推动活塞做功。其中气缸上止点处有一圈耐高温高压的疏润滑油物质，用以防止润滑油向上浸润，避免润滑油与碳粉的接触。发动机进气门、排气门由凸轮轴控制。
[0039]为了避免吸热反应C+C02 = 2C0的发生，应对配碳量进行精确控制:充入的碳的物质的量要略小于吸入的氧气的物质的量。
[0040]本发动机有两种充碳装置可供选择。第一种为耐高温高压喷粉器，在压缩冲程最后，喷粉器的推粉活塞(20)在可调高度的凸轮轴(22)的驱动下向下推动，当推粉活塞遮住进碳口(18)的时候，喷粉气门(16)被凸轮轴推开。推粉活塞(20)继续向下推动，把碳粉推出至燃烧室。在出粉口处有旋转扇叶(17)，由齿轮(21)驱动，其中齿轮(21)由凸轮轴间接驱动。旋转扇叶用以打散碳粉使其在燃烧室内充得更均匀。有计算机系统控制凸轮轴的高度，从而控制了推粉活塞可推进的最大位移，亦即控制了进碳量。当推粉进行完全后，喷粉气门在弹簧弹力的作用下先复位，推粉活塞随后复位。当推粉活塞复位后，碳粉在震荡器的振动下落入喷粉器内，等待下一次喷粉使用。喷粉器内不使用润滑油，并且，推粉活塞等用低摩擦密封条密封。喷粉器的气门、推粉活塞也可以改为由计算机控制，这样在高转速的要求下仍能确保优良的性能。
[0041]第二种充粉机构为低压室贮粉器。在压缩冲程最后，燃烧室内气压极高，低压室贮粉器内气压接近于大气压，此时低压室内贮有适量碳粉，小孔气门(25)呈关闭状态。低压室气门(24)打开，高压气体涌入低压室，致使碳粉被扬起，由于进气所需的时间远小于碳粉燃烧完的时间，于是低压室与燃烧室气压平衡后一段时间碳粉才燃烧完，而且这个时间内只有低压室内有碳粉在燃烧，于是低压室内部分碳粉燃烧放热使低压室气体膨胀，多余的碳粉随膨胀气体涌出至燃烧室与燃烧室的氧气燃烧，这样，全部碳粉完全燃烧使空气加热膨胀推动活塞做功。在做功冲程中，低压室气门保持开启。当做功冲程结束后，发动机排气门打开时，低压室气门才可以关闭。低压室气门关闭后，小孔气门打开，推粉活塞(28)把碳粉推至低压室，然后小孔气门关闭，推粉活塞复位。外界碳粉随振荡器的振动滚入小孔，以备下次被推入低压室。以上为低压室贮粉器的工作循环详细说明，其中，只有低压室气门(24)可由凸轮轴控制，小孔气门、推粉活塞、火花塞皆由计算机系统控制。计算机系统通过控制推粉活塞的位移量来控制加入碳粉的量。
[0042]压燃式压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，压缩比在18:1以上，碳粉半径应小于
0.01毫米，这样就确保了碳粉在足够短的时间内燃烧尽。
【权利要求】
1.一种点燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其特征在于:由碳粉配送机构、充碳机构、发动机主体三部分组成，其中碳粉配送机构具有烘干碳粉、滤掉粗颗粒功能，发动机主体采用往复活塞式发动机主体，在压缩冲程后期由充粉机构充入碳粉，经火花塞点燃释放热量推动活塞做功。
2.如权利要求1所述的点燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其碳粉配送机构的特征在于:碳粉由储粉罐的小口处下漏，其小口处设有挡门，用以控制碳粉的进出，碳粉从储粉罐下落后经过电热式烘干器、滤网，再由抽粉机抽至发动机主体顶部以备燃烧使用，整过碳粉配送过程的通道皆装有振荡器，使通道持续震荡方便碳粉传送。
3.如权利要求1所述的点燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其充碳机构有两种装置可供选择，第一种为耐高温高压喷粉器，其特征在于:喷粉器与燃烧室相连，碳粉器内部为装碳粉用的圆柱形中空部分，其与入碳小口相连，中空部分下面是喷粉气门，用以适时隔绝或打开中空部分与燃烧室的连通，中空部分上面是小型推粉活塞，当喷粉气门打开时推粉活塞把碳粉推出至燃烧室，喷粉器出口处有旋转扇叶，用以打散碳粉；第二种为低压室贮粉器，其特征在于:一个独立于燃烧室的小型柱状气室，顶部装有火花塞，由低压室气门适时隔绝或打开低压室与燃烧室的连通，低压室侧边连有小孔，小孔出口有小气门，小孔中有推粉活塞，负责将碳粉推入低压室，当低压室气门打开时，高压气体涌入低压室同时扬起碳粉，火花塞点火引燃碳粉放热至使低压室气体膨胀涌入燃烧室，剩余碳粉在燃烧室继续燃烧。
4.如权利要求3所述的两种充碳机构，其特征在于:两种充碳机构皆通过控制推粉活塞的位移量来精确控制发动机的配碳量，两种充碳机构皆不使用润滑油。
5.如权利要求1所述的点燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其特征在于:发动机的燃烧室顶部装有压力传感器或压强传感器，气缸上止点处有一圈疏润滑油的耐高温高压的物质。
6.一种压燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其特征在于:由碳粉配送机构、充碳机构、发动机主体三部分组成，其中碳粉配送机构具有烘干碳粉、滤掉粗颗粒功能，发动机主体采用往复活塞式发动机主体，在压缩冲程后期由充粉机构充入碳粉，高温高压气体引燃碳粉释放热量推动活塞做功，发动机气缸上止点处有一圈疏润滑油的耐高温高压的物质。
7.如权利要求6所述的压燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其碳粉配送机构的特征在于:碳粉由储粉罐的小口处下漏，其小口处设有挡门，用以控制碳粉的进出，碳粉从储粉罐下落后经过电热式烘干器、滤网，再由抽粉机抽至发动机主体顶部以备燃烧使用，整过碳粉配送过程的通道皆装有振荡器，使通道持续震荡方便碳粉传送。
8.如权利要求6所述的压燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其充碳机构有两种装置可供选择，第一种为耐高温高压喷粉器，其特征在于:喷粉器与燃烧室相连，碳粉器内部为装碳粉用的圆柱形中空部分，其与入碳小口相连，中空部分下面是喷粉气门，用以适时隔绝或打开中空部分与燃烧室的连通，中空部分上面是小型推粉活塞，当喷粉气门打开时推粉活塞把碳粉推出至燃烧室，喷粉器出口处有旋转扇叶，用以打散碳粉；第二种为低压室贮粉器，其特征在于:一个独立于燃烧室的小型柱状气室，由低压室气门适时隔绝或打开低压室与燃烧室的连通，低压室侧边连有小孔，小孔出口有小气门，小孔中有推粉活塞，负责将碳粉推入低压室，当低压室气门打开时，高温高压气体涌入低压室同时扬起并点燃碳粉，碳粉燃烧放热至使低压室气体膨胀涌入燃烧室，剩余碳粉在燃烧室继续燃烧。
9.如权利要求8所述的两种充碳机构，其特征在于:两种充碳机构皆通过控制推粉活塞的位移量来精确控制发动机的配碳量，两种充碳机构皆不使用润滑油。
10.如权利要求6所述的压燃式的压缩冲程后期充碳式碳粉发动机，其特征在于:压缩比大于或等于18:1，碳粉半径r < 0.01mm。
【文档编号】F02B45/02GK104196619SQ201310540778
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年11月3日 优先权日:2013年11月3日
【发明者】李松 申请人:李松