195的沼气发动机技术简述
武进柴油机厂 左文彬 夏来娣
一、前 言
随着我国工农业生产的发展，能源的供需矛盾日益加重，开发和利用新能源已成为当务之急。沼气是利用广大农村的作物(秸杆) 和人、畜粪便作为原料，在池内经过发酵提取出来的一种新能源，主要成份是甲烷(CH 4) ，占沼气体积比的
60％左右，是一种优质的可燃性气体。
沼气被利用于烧火、照明，在有些地区已比较普遍。如果能利用沼气作为发动机燃料，配套发电机组，则对广大农村，尤其是边远无电地区的农付加工和生活照明，将带来很大的方便。
用柴油机、汽油机改装的双燃料(油气混烧) 发动机，在四川、广东、浙江、江苏、上海等地区，均已获得成功。尽管节油率可达到50~60％，但它还总是要使用一部分供应比较紧张的液体燃料。能否利用新能源——沼气作为发动机的单一性燃料，几年来已成为我国广大能源科研工作者探索的新课题。通过近二年时间的探索和研究，我们在S195柴油机上改装了纯沼气发动机。并在有关单位的协作下，在我县建成了我国第一台八千瓦沼气发电机组试验屯站。一九八一年四月已由电力建设科研所等单位组织鉴定通过。
二、195沼气发动机的主要技术经济指标
型号 195沼气发动机
标定转速 2200/转分 标定功率 13马力
压缩比 13。7：1 沼耗比 ≤0。5米3/马力小时
热效率 ≥28% 稳定调速率 =5%
三、195沼气发动机主要改装部位与要求
用S195柴油机改装成195沼气发动机，主要是革掉供油系统(包括油箱、油泵、油嘴及高压油管等零部件) ，增加供气系统、点火系统，改变起动方法(改手摇起动为电) ，选择压缩比，设计合理的沼、空气混合器，完善调速成机构。
1．混合器的设计
195沼气发动机是用沼气作为燃料的发动机，它的燃料是通过沼、空气混合器来从应的，混合气的浓度及量对沼气发动机的动力性、经济性有很大关系。混合气太浓，火焰传播速度降低，功率减小，燃烧不完全，燃料消耗增加。反之，混合气稀则燃料分子间的距离太大，使混合气中火焰不能传播，发动机运转不稳，甚至熄火停车。
根据化学方程CH 4+202→2H 2O+CO2+热量，得知甲烷与氧气充分燃烧体积比是1：
2。若取沼气中的甲烷为60%，空气中的氧气为23„%，则沼气与空气的混合器经多次改进，现在在2200转/分满负荷的工况下，实测沼气与空气的混合比是1：5。14~5。24，与理论混合比基本相同，这时发动机的动力性最好，工作比较柔和。（见图一）我们通过实践认为在设计混合器时应注意几个问题：
①沼气与空气不宜同方向进入混合器，这样沼气、空气得不到充分混合。一般简单的混合器设计是采用交又进气或直角进气。（见图2）
②混合器流通截面要大，节气阀门或阀芯与混合器壳体壁要紧密贴合，以便在关闭后有足够的密封度。
③混合器的沼气进气截面和空气进气截面，应保证形成的混合气能在气缸中充分燃烧因此，要注意气体汉通截面比例的大小。
④195沼气发动机与发电机配套时，要求在外界负荷变化的情况下，发动机转速不变，在设计混合器时，要特别注意这一特点。
2．压缩比的选择
沼气机用的是气体燃料，气体在燃烧室外经过有比例的充分混合后进入燃烧室内，靠强制点火燃烧。所以，必须造反适用于沼气作为燃料的发动机压缩比，而压缩比的选择又必须注意几点：
①沼气是高辛烷值燃料发动机的压缩比可以选择高些。这样不仅压缩终了温度和压力增高，有利于促进混合气的燃烧，缩短燃烧时间，使燃烧的最高压力和最高温度点接近上死点，而且更重要的是增加了膨胀比，使有效功率增大，燃料消耗率降低。
②压缩比值高有利于发动机的功率提高，但压缩终了温度升高，远离火焰中心的末端混合气自然倾向增大，以致在火焰还未传播到整个燃烧室之前，便自行发火，形成燃烧使发动机工作粗暴，机械磨擦加剧，机械率下降。
③压缩比值在压缩过程的终点温度不应达到沼气的自燃点。
④另外压缩比过高，火花塞跳火有困难，若减少火花塞间隙则火花变小，这对点火不利。我们选用的压缩比是13．7，对不同机型的压缩比根据各种因素进行实测选择。（见图3）
195沼气发动机压缩比值是通过改变气缸盖涡流室与活塞顶部形状来获得的，若简单的采用增加气缸垫来选择压缩比值，则会引起由于垫片增加，缸头螺母扭紧力矩不够，使发动机产生漏气、漏水现象，严重的会引起气缸盖爆裂。
3．火花塞的选用与安装
195沼气发动机的点火系统，是由12伏电瓶高压线圈，分电盘，火花塞组成。
①火花塞选用中要特别注意它的热特性．若选用热值较低的冷型火花塞，在小负荷工况下火花塞易严重积炭而造成断火。而选用热值较高型火花塞，在大负荷工况下易产生“积热点火”。
目前在我国尚无气体燃料火花塞，根据这种情况，195沼气发动机可选用汽油机中热值4Z 4火花塞较为合适。
②火花塞的间隙
用蓄电池点火，压缩比在12到15之之间，火花塞采用0。7~0。8之间较好。火花塞的间隙也可自行调整，经过测试选择最佳间隙。
③火花塞的位置与安装
火花塞布置在进气门附近，由于高温的排气门有使末端混合气温度提高的可能，会增加爆燃的倾向。所以火花塞应尽可能布置在燃烧室的中部且靠近燃烧室的最热部分。为了提高火花塞使用寿命，使火花塞外壳直接与气缸盖接触，（见图4）火花塞的热量通过气缸盖内的冷却水带走，而得到及时的冷却。
四、主要性能特性以及转速对燃烧过程影响的简单分析
1．外特性曲线分析
图5外特性曲线的制取是将燃料调节机构保持在与最大功率相应的位置上，逐步增加负荷，降低转速，即为外特性试验。
分析N e 随n 的变化情况可知，在低转速时，气流减弱，火焰传播速度减低，
燃烧气体与缸壁担触时间较长，散热损失增加，活塞运动速度较低，气缸漏气损失增加，这些都使N e 值降低。在n 增加到2200转／分时，N e 值达最大值。此后，
当发动机转速进一步上升时，由于零件摩擦表面的线速度增加，因而活塞轴瓦等运动件的机械摩擦损失也增加，所以Ne 值也就发生转折，下降很快。
2．负荷特性曲线分析
195沼气发动机的负荷特性曲线见图6，是通过进沼气量和进空气量的同时调节，在转速一定的情况下，逐步改变负荷。通过负荷特性曲线，找出了动力指标与经济指标的最佳值是Ne ＝12～13马力，Ue ≤0．5米3／马力小时。
3．稳定功率曲线分析
图 7稳定功率曲线是在稳定负荷工况下，通过进沼量和进气量的调节，使沼气发动机在一定转速范围下工作的稳定性试验。从2200转／分，11．7马力工况时测取的示功图的最大爆发压力P zmax =78．4公斤／厘米2来看，高于汽油机
的最高爆发压力。
4． 19 5沼气发动机转速对燃烧过程的影响
当沼气发动机转速提高时，混合气体进入气缸的流速增加，同时活塞运动速度也随之提高，在压缩过程中所形成的挤压气流也得到加强，这就改善了沼气与空气的混合。而且，转速增加，压缩终了时的温度也增加，使混合气的燃烧准备加快，火焰传播速度大大提高，所以在高转速时一都不易发生爆燃。相反，转速低时，爆热倾向就加大。
5．195沼气发动机的使用工况与特性
195沼气发动机的使用工况是功率变化，但曲轴转速几乎保持不变，这类工况通常称为固定式发动机的工况。可以用图8的垂直线a 来表示：
在特殊的工作场合，例如驱动粉碎机沼气发动机的功率和转速应保持一定范围，即只在某一固定的工况下工作，如图中a 点，这时可称为点工况。
五、几点看法
1．沼气发动机的前途
195沼气发动机，经过一年多时间的负荷运转，证明沼气和其它液体燃料一样可以作为发动机的燃料。
2．转速提高的理由
考虑到沼气发电机组一般不可能长时间的连续运转，为了充分发挥其动力性和经济性，把转速从原柴油机的标定转速2000转／分提高到2200分／转，通过动力计算，其安全系数仍在许可范围之内，是安全可靠的。
3．热效率的考核
在满负荷运转中，根据实算功率与沼气耗量进行计算，热效率≥28％，计算公式如式下：
ηe =
ηe —沼气机热效率； 860—每一千瓦小时的发热量（千卡）； W—沼气发动机输出功率（换算成千瓦）；8550—每一立方米甲烷发热量（千卡）；
K—沼气中甲烷成份。
4．对硫化氢的分析
在沼气中含有硫化氢（H 2S ）的有害气体，但其含量是很少的，约占沼气的
0．03%左右。硫化氢在气缸中与氧进行反应，产生二氧化硫和水。
2H2S ＋ 302＝ 2H2O ＋ 2SO2
由于汽缸体内高温、高压的原因，水无法冷凝，不存在与二氧化硫产生酸性的条件。因而不可能对气缸盖等零件发生腐蚀。但随着温度与压力条件的改变，在排气管尾端出口处腐蚀情况就比较明显。
5． 195沼气发动机的寿命
由于转速的提高、功率增大及有害体硫化氢的作用，195沼气发动机的寿命究竟怎样？我们对195沼气发动机经500小时运转后，进行拆检，曲轴磨损是0．008毫米，气缸套磨损是0。01毫米。按照5195柴油机大修期拆算公式计算，195沼气发动机大修间限期是6250小时，与S195柴油机化等品大修期相仿。 随着研究工作的深化，195沼气发动机的机力性、经济性将有所提高，结构与可靠性将会更加完善，利用新能源的沼气机的问世，为开发和利用新能源，加快四化步伐起了一定的促进作用。