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【摘 要】 资源的逐步枯竭，世界能源危机将成为人类生存最大问题之一，环境污染同样是人类生存一大问题，为此人类在寻找替代能源和清洁能源投入了巨大的人力和物力。在大的国际背景下，国家也推出了相应的再生能源和生物质能的鼓励政策，以沼气为燃料的热功机也就应运而生了，沼气发动机不仅可以取得较好的环境效益，而且还可以带来相应的经济效益。
依托柴油机设计开发沼气发动机的燃气系统，从燃料角度和燃烧过程两个方面分析，从动力性指标、经济性指标和强化指标等多个指标分析，证明采用沼气发动机能够达到更高效的燃料利用率和更清洁的排放。
【关键词】 能源；沼气机；燃点；压缩比；燃烧过程
根據国家“十一五”规划纲要提出的发展目标，未来将建设生物质发电550万千瓦装机容量，已公布的《可再生能源中长期发展规划》也确定了到2020年生物质发电装机3000万千瓦的发展目标。此外，国家已经决定，将安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景。
同时国家也推出了相应的再生能源和生物质能的鼓励政策，那么沼气发动机便有了更好的发展前景。
一、从柴油机改燃气机燃料角度分析
1、燃料特性
2：低热值一立方米燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的能量。
燃料的辛烷值是判断燃料抗爆性和压缩比的一个重要指标，在与汽油抗爆性相同的情况下，辛烷含量越高的燃料抗爆性越差。所以辛烷值越高抗爆性越好。燃气机采用压缩比低于柴油机。柴油机的燃料为柴油主要成分十六烷，燃气机的燃料主要成分为甲烷（天然气甲烷含量在90%左右）。
2、燃点
柴油燃点220℃，而天然气燃点650℃。柴油的燃点低，不易蒸发，用明火也难以点着，在喷射后不易形成可燃混合气，但是柴油在高温的空气下能自燃，且在高压下自燃点会降低，因此普遍采用压燃方式。
由于燃气的燃点明显高于柴油机，当达到余隙容积时，形成的高温高压环境并没有使燃气达到其自燃点，另外燃气本身为气态，可燃混合气能够形成良好的混合态。所以燃气机采用点燃的点火方式。
主要由于燃点的不同，柴油机经改造燃气机后采用点燃式点火。
二、从柴油机改为燃气机燃烧过程分析
1、燃烧过程
燃烧过程一般有三个阶段分别是着火延迟期、燃烧期和补燃期。
着火延迟期：燃油/燃气进行预氧化反应，放热率为负值。
燃烧期：压力明显升高点到缸内温度达到最高点或压力开始急剧下降点。
补燃期：缸内温度达到最高点或压力开始急剧下降点到燃料基本燃烧完毕。
补燃期对燃烧过程没有好处，补燃期太长，热量不能有效利用，排温高，热负荷大，经济动力下降，所以尽可能缩短补燃期。
进气冲程：活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力逐渐降低，汽缸内形成一定的真空度，燃料通过进气门被吸入汽缸。
压缩冲程：进、排气门同时关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力温度都明显升高。
做功冲程：当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气（压燃式没有火花塞，当达到终然混合气燃点，便会自发燃烧），混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降。在做功冲程，进气门、排气门均关闭。
排气冲程：排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。
以上为内燃机的四冲程工作过程。
气门叠开角的概念：排气门的延迟关闭和进气门的提前打开，使得在上止点附近一定的曲轴转角范围内，存在进排气门同时打开的现象。
扫气过程：由于气门叠开角的存在，部分新鲜工质吸入气缸后被直接排出，这部分被直接排出的工质叫做扫气。
2、爆震现象和原因
柴油机与沼气机工作原理都是进气——压缩——做功——排气这四个冲程的作用，实现发动机周而复始的运转。当发动机在缸内形成可燃混合物后，在压缩行程还未到达设计的点火位置、种种控制之外的因素导致燃气混合物自行点火燃烧、此时，燃烧所产生的巨大冲击力与活塞运动的方向相反、引起发动机震动，这种现象称为爆震。爆震强烈通常会引起发动机抖动、甚至车身也明显地发生抖动，爆震一般都会使发动机噪音加大[2]。
造成爆震的原因有：1、点火角过于提前
2、发动机燃烧室过度积碳
3、发动机温度过高
4、空燃比不正确
5、燃料辛烷值过低
6、燃料清洁度不够
以上爆震原因，点火提前角，发动机温度过高，空燃比不正确，燃料清洁度等问题。柴油机与沼气机解决方法原理相同，本论文不做具体分析，只从柴油机与沼气机不同点来分析解决。
采用较低的压缩比可以有效避免爆震，较高的压缩比会在压缩终点时产生较高的温度，提前使终燃混合气的燃烧，导致爆震。所以在柴油机改造沼气机后降低了压缩比，能够更好地避免爆震。
从燃料柴油和沼气混合气来分析。柴油机燃烧时由于柴油雾化不良，会导致气门积碳，会稀释空燃比使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高会造成发动机温度提升，空燃比不正确容易爆震。沼气机进气为气态，不存在雾化不良现象，可以避免积碳，从而更好避免爆震。 3、压缩比
压缩比表示气体的压缩程度，气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室总容积之比。
为提高燃气机的抗爆性，应将柴油机压缩比进行调整，以能够满足沼气机的要求。依然采用柴油机的缸体，则需要对活塞燃烧室进行改造设计。
四、热负荷
热负荷是燃料在燃烧器中燃烧时单位时间内所释放的热量。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。为能够更好地进行下一次工作循环，应当尽可能地将残余废弃排除气缸。所以会增大进气提前角，使更多的新鲜工质（对于柴油机新鲜工质为空气，而对于沼气机新鲜工质为沼气和空气的预混气体）进入，挤出气缸内的残余廢气。由于介质不同，沼气的燃点高于柴油，所以沼气机热负荷明显升高，故需要对相关受热件进行重新设计开发，相关高热负荷零部件包括活塞、气门和气门座圈等。
五、燃料供给方式
目前燃气机燃料供给方式可分为两大类：缸内供气和缸外供气方式。前者主要包括进气道混合器预混合供气和缸外进气门处喷射供气；后者主要包括缸内低压喷射供气和高压喷射供气。燃气燃料的供给方式经历了从混合器、单点喷射、多点喷射和缸内喷射的发展过程。
柴油机改沼气机从燃料辛烷值、燃点不同进行理论分析，从燃烧过程中分析关键影响因素压缩比，燃烧导致的爆震、热负荷问题，从而对柴油机原部分零部件应进行改造设计，如活塞（由于压缩比变化需要重新设计）、气门和气门座圈（由于热负荷需要重新设计）等。
沼气是一种资源丰富而又价廉的生物质能源，利用沼气发电不但能解决边远山区人民用电难的问题，而且也为缓解商品电能供应不足的紧张局面提供了一条有效的途径。随着可再生能源越来越受到人们的重视，沼气发电系统必将会有一个良好的发展前景。
参考文献：
[1]蒋晶，金明，蒋正忠.现代沼气发动机发展研究概述[J].广西轻工业，2010，（12）：36
[2]倪计民.汽车内燃机原理[M].同济大学出版社，1999，82
[3]尤秋菊，张来斌，王朝辉，段礼祥，刘巍巍，南洋，王福善.天然气发动机供气系统的研究现状[J].内燃机，2006（5）：1
[4]周冬.柴油机改天然气发动机的意义和技术措施.[J].山东内燃机，2005（1）：10
[5]曾建谋.康明斯车用柴油机构造与检修[M].广东科技出版社.1998，83
[6]李海玲.进气预混甲醇双燃料发动机控制策略及实验研究[D].江苏：江苏大学2013，8
依托柴油机设计开发沼气发动机的燃气系统，从燃料角度和燃烧过程两个方面分析，从动力性指标、经济性指标和强化指标等多个指标分析，证明采用沼气发动机能够达到更高效的燃料利用率和更清洁的排放。
【关键词】 能源；沼气机；燃点；压缩比；燃烧过程
根據国家“十一五”规划纲要提出的发展目标，未来将建设生物质发电550万千瓦装机容量，已公布的《可再生能源中长期发展规划》也确定了到2020年生物质发电装机3000万千瓦的发展目标。此外，国家已经决定，将安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景。
同时国家也推出了相应的再生能源和生物质能的鼓励政策，那么沼气发动机便有了更好的发展前景。
一、从柴油机改燃气机燃料角度分析
1、燃料特性
2：低热值一立方米燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的能量。
燃料的辛烷值是判断燃料抗爆性和压缩比的一个重要指标，在与汽油抗爆性相同的情况下，辛烷含量越高的燃料抗爆性越差。所以辛烷值越高抗爆性越好。燃气机采用压缩比低于柴油机。柴油机的燃料为柴油主要成分十六烷，燃气机的燃料主要成分为甲烷（天然气甲烷含量在90%左右）。
2、燃点
柴油燃点220℃，而天然气燃点650℃。柴油的燃点低，不易蒸发，用明火也难以点着，在喷射后不易形成可燃混合气，但是柴油在高温的空气下能自燃，且在高压下自燃点会降低，因此普遍采用压燃方式。
由于燃气的燃点明显高于柴油机，当达到余隙容积时，形成的高温高压环境并没有使燃气达到其自燃点，另外燃气本身为气态，可燃混合气能够形成良好的混合态。所以燃气机采用点燃的点火方式。
主要由于燃点的不同，柴油机经改造燃气机后采用点燃式点火。
二、从柴油机改为燃气机燃烧过程分析
1、燃烧过程
燃烧过程一般有三个阶段分别是着火延迟期、燃烧期和补燃期。
着火延迟期：燃油/燃气进行预氧化反应，放热率为负值。
燃烧期：压力明显升高点到缸内温度达到最高点或压力开始急剧下降点。
补燃期：缸内温度达到最高点或压力开始急剧下降点到燃料基本燃烧完毕。
补燃期对燃烧过程没有好处，补燃期太长，热量不能有效利用，排温高，热负荷大，经济动力下降，所以尽可能缩短补燃期。
进气冲程：活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力逐渐降低，汽缸内形成一定的真空度，燃料通过进气门被吸入汽缸。
压缩冲程：进、排气门同时关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力温度都明显升高。
做功冲程：当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气（压燃式没有火花塞，当达到终然混合气燃点，便会自发燃烧），混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降。在做功冲程，进气门、排气门均关闭。
排气冲程：排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。
以上为内燃机的四冲程工作过程。
气门叠开角的概念：排气门的延迟关闭和进气门的提前打开，使得在上止点附近一定的曲轴转角范围内，存在进排气门同时打开的现象。
扫气过程：由于气门叠开角的存在，部分新鲜工质吸入气缸后被直接排出，这部分被直接排出的工质叫做扫气。
2、爆震现象和原因
柴油机与沼气机工作原理都是进气——压缩——做功——排气这四个冲程的作用，实现发动机周而复始的运转。当发动机在缸内形成可燃混合物后，在压缩行程还未到达设计的点火位置、种种控制之外的因素导致燃气混合物自行点火燃烧、此时，燃烧所产生的巨大冲击力与活塞运动的方向相反、引起发动机震动，这种现象称为爆震。爆震强烈通常会引起发动机抖动、甚至车身也明显地发生抖动，爆震一般都会使发动机噪音加大[2]。
造成爆震的原因有：1、点火角过于提前
2、发动机燃烧室过度积碳
3、发动机温度过高
4、空燃比不正确
5、燃料辛烷值过低
6、燃料清洁度不够
以上爆震原因，点火提前角，发动机温度过高，空燃比不正确，燃料清洁度等问题。柴油机与沼气机解决方法原理相同，本论文不做具体分析，只从柴油机与沼气机不同点来分析解决。
采用较低的压缩比可以有效避免爆震，较高的压缩比会在压缩终点时产生较高的温度，提前使终燃混合气的燃烧，导致爆震。所以在柴油机改造沼气机后降低了压缩比，能够更好地避免爆震。
从燃料柴油和沼气混合气来分析。柴油机燃烧时由于柴油雾化不良，会导致气门积碳，会稀释空燃比使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高会造成发动机温度提升，空燃比不正确容易爆震。沼气机进气为气态，不存在雾化不良现象，可以避免积碳，从而更好避免爆震。 3、压缩比
压缩比表示气体的压缩程度，气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室总容积之比。
为提高燃气机的抗爆性，应将柴油机压缩比进行调整，以能够满足沼气机的要求。依然采用柴油机的缸体，则需要对活塞燃烧室进行改造设计。
四、热负荷
热负荷是燃料在燃烧器中燃烧时单位时间内所释放的热量。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。为能够更好地进行下一次工作循环，应当尽可能地将残余废弃排除气缸。所以会增大进气提前角，使更多的新鲜工质（对于柴油机新鲜工质为空气，而对于沼气机新鲜工质为沼气和空气的预混气体）进入，挤出气缸内的残余廢气。由于介质不同，沼气的燃点高于柴油，所以沼气机热负荷明显升高，故需要对相关受热件进行重新设计开发，相关高热负荷零部件包括活塞、气门和气门座圈等。
五、燃料供给方式
目前燃气机燃料供给方式可分为两大类：缸内供气和缸外供气方式。前者主要包括进气道混合器预混合供气和缸外进气门处喷射供气；后者主要包括缸内低压喷射供气和高压喷射供气。燃气燃料的供给方式经历了从混合器、单点喷射、多点喷射和缸内喷射的发展过程。
柴油机改沼气机从燃料辛烷值、燃点不同进行理论分析，从燃烧过程中分析关键影响因素压缩比，燃烧导致的爆震、热负荷问题，从而对柴油机原部分零部件应进行改造设计，如活塞（由于压缩比变化需要重新设计）、气门和气门座圈（由于热负荷需要重新设计）等。
沼气是一种资源丰富而又价廉的生物质能源，利用沼气发电不但能解决边远山区人民用电难的问题，而且也为缓解商品电能供应不足的紧张局面提供了一条有效的途径。随着可再生能源越来越受到人们的重视，沼气发电系统必将会有一个良好的发展前景。
参考文献：
[1]蒋晶，金明，蒋正忠.现代沼气发动机发展研究概述[J].广西轻工业，2010，（12）：36
[2]倪计民.汽车内燃机原理[M].同济大学出版社，1999，82
[3]尤秋菊，张来斌，王朝辉，段礼祥，刘巍巍，南洋，王福善.天然气发动机供气系统的研究现状[J].内燃机，2006（5）：1
[4]周冬.柴油机改天然气发动机的意义和技术措施.[J].山东内燃机，2005（1）：10
[5]曾建谋.康明斯车用柴油机构造与检修[M].广东科技出版社.1998，83
[6]李海玲.进气预混甲醇双燃料发动机控制策略及实验研究[D].江苏：江苏大学2013，8