[发明专利]高压气化器和狄塞尔循环内燃发动机系统

说明书

本发明一般涉及直接注入气体燃料的内燃发动机，尤其涉及将煤等矿物燃料气化后作燃料的这种发动机。

目前人们对可以以干净、有效的方法燃烧煤的发动机的研制极感兴趣。煤现在的价格每百万英热量单位（BTU′S）约为＄1.70，而柴油每百万英热量单位约为＄4.00;而且在许多国家煤仍然是丰富的天然资源，因此在今后的几百年中可以有助于解决（满足）燃料的供应问题。由于煤相当低的价格，而且可以多少摆脱依靠进口石油的局面，因此煤很有吸引力。对煤的使用感兴趣的另一原因，尤其是用在机车的发动机中，是由于铁路公司拥有大量的煤资源。

基于上述原因，美国政府在近几年投入了大量资金用于发展可以用煤作燃料的燃气轮机和往复式发动机。可惜，由于严重的发动机磨损问题和/或通常的燃煤发动机系统的体积庞大和复杂性，到目前为至在该方面的努力都不是很成功的。

概括说来，用煤产生能量有三种方法：1）将煤输送给一般以兰金循环工作的外燃发动机;2）将煤粉或煤浆注入燃气轮机或狄塞尔内燃发动机，或者另外将煤粉吸入狄塞尔循环发动机的进入空气中;和3）将煤气化然后用煤气作为经过改造的狄塞尔循环发动机、气体发动机或燃气轮机发动机的燃料。

在以兰金循环工作的外燃发动机中使用煤一事可以追溯到18世纪末工业革命开始的时候，这种动力装置，即用煤燃烧产生蒸汽而使往复式发动机工作的装置，广泛用于活动和固定的应用领域。可惜，虽然这种蒸汽动力装置可用于机动车辆，但它的最大效率只有约15%。具有蒸汽涡轮机的很大的兰金循环动力装置今天广泛用于发电，虽然这些动力装置用于发电有较好的效率，但它们不适于移动式即机动车辆等的应用领域。

狄塞尔循环发动机用煤浆作为燃料例如在1985年12月17日公开的、罗本（Robben）的美国专利第4558664号和1988年11月8日公开的、许（Hsu）等的美国专利第4782794号中有所揭示，狄塞尔循环发动机用烟煤粉作为燃料例如在1977年11月1日的、鲁兹（Rutz）等的美国专利第4056080号中有所揭示，但这些方法都不太成功。虽然发动机用这些燃料工作具有较高的效率，尤其是在低速，但煤粒和煤灰造成的燃烧气缸的磨损比用柴油燃料大50至100倍。另外，磨损和与燃料系统有关的其他问题似乎很难克服。因此，似乎这些方法的前景都不太理想。

煤气化器与往复式四冲程发动机或燃气轮机发动机结合的动力装置已知之多年。在使用燃气轮机发动机的动力装置情况下，煤在大约20大气压下气化，煤气排出气化器后，用种种方法加以净化例如用过滤器除去颗粒物质和用铁酸锌颗粒床除去硫等，而煤气温度仍接近排出气化器时的温度。炽热的净化气体，仍处于大约20大气压下，然后注入燃气轮机发动机的燃烧器中。在20大气压的高压下气化器的工作确保当注入时煤气的压力比燃气轮机发动机的燃烧器里的压力为高。由于这种方法提供了更高密度的空气，以及从气化器排出的炽热煤气包含的很多能量可以通过燃气轮机发动的膨胀而回收，因此也减小了气化器的尺寸。另外，注入仍处于高温下的煤气可以防止煤气中焦油的凝聚（冷凝），焦油的凝聚将严重污染动力装置的各种工作部件。

虽然制造产生的煤气可以有效地用于燃气轮机发动机，但这种发动机有局限性，尤其在用于相当小尺寸时。在这些问题中最主要的是效率比期望的低，用于（车用、船用等）活动应用领域的大部分动力装置降低其功率输出时尤其是这样。因此，对于（车用、船用等）活动应用领域，人们还是把发生炉气体作为往复式发动机的燃料。

使用气化器产生低英热量单位（BTU）煤气供应往复式发动机具有可接受的效率。虽然产生的煤气所含的能量每立方英尺只有大约100至200英热量单位（而天然气所含能量每立方英尺达1000英热量单位左右），但如果在气化器中产生的煤气立刻被使用，这就不被认为是一个严重的问题。另外，通过除去煤中必然存在的颗粒物质和硫，煤气得以净化，这样保证从发动机排出的废气可以符合使用寿命和环境的要求。

目前，这种动力装置是在约1个大气压这种相当低的压力下气化煤的。煤气排出气化器后，冷却到近环境温度，以凝聚（冷凝）和除去焦油;煤气中的颗粒和硫然后通过过滤和化学反应来除去。冷却和净化的煤气然后导入火花点火的四冲程或双燃料（即由用引火的柴油燃料点燃）的气体发动机的空气进入系流。