甲醇燃料的燃烧特性包括其各种热值、与空气燃烧的理论空燃比、理论体积分数 最小点火能量、 最大火焰传播速度、与空气燃烧的最低与最高极限范围等一系列因素。
汽化潜热是指使物体由液态变成气态所需要的能量。由于甲醇具有极性,而且液态甲醇分子之间有强的氢键的相互作用,结合成较复杂的分子,这种分子称为缔合分子,这种作用称为缔合作用。缔合作用是可逆的,进行缔合时放热,而要减弱或者破坏这种缔合,必须给予较多的热量,因此甲醇汽化时需要较多的热量。甲醇的汽化潜热是汽油和柴油的3~4倍。
当燃料与空气混合成混合气体时,燃料汽化时吸热,对空气-燃料混合气起冷却作用。对于理论空燃比混合气在完全绝热蒸发时,汽油/空气混合气温度将下降21.6C,柴油/空气混合气温度将下降20C,而纯甲醇混合气则将下降约122.4'C.实际上由于温度较高的周围管壁传热,混合气的温度下降得没有那么多。
因此,单位质量的甲醇燃料燃烧产生的热值要低于汽油和柴油。 燃料的热值有高热值和低热值之分。 高热值是指燃料完全燃烧后发出的热量加上燃烧产物之一的水蒸气冷凝后放出热量的总和,它是燃料完全燃烧后所能发出的总热量。低热值则是指高热值减去水的汽化潜热后的热值。 发动机排气中水蒸气所含的冷凝热,实际上是难以回收的,所以燃料的热值常用低热值表示。 发动机是进行热功转换的热机,燃料所含热量是发动机输出功率的能量来源,因而燃料低热值是评价燃料性能的一个重要指标。
甲醇汽油混合燃料的质量低热值随看甲醇体积分数的增加而降低,M100甲醇燃料的质量低热值只有汽油的45%,但是甲醇汽油混合燃粗理论混合气的质量热值却与汽油的理论混合气的质量热值很接近,都在汽油混合气质量热值的94%以上。考虑到甲醇汽油的汽化潜热比较大,燃用甲醇汽油时,需要对发动机做适当改动和调整。
甲醇的理论空燃比仅为6.5,比汽油和柴油小得多,相当于汽油和柴油的44%左右,因此混合燃料中加人的燃料甲醇越多,其混合燃料的理论空燃比就下降得越多,随燃料甲醇的量增加,甲醇汽油化学当量空燃比逐渐在减小,燃烧放热量也在逐渐减小。山西省承担的国家“十五”科技攻关项目“甲醇燃料示范工程”的研究结果表明,甲醇燃料和汽油的替代比为1.5~1.7[8]。替代100万吨汽油需要150万~170万吨甲醇燃料,约消耗原煤300万~374万吨。
另外,甲醇本身含有大量的氧,而汽油和柴油儿乎不含氧,且它们的含氢量大致接近,所以甲醇的含碳量远小于柴油,这也是内燃机燃用甲醇时,CO排放少的原因。
甲醇的最大火焰速度比较高,甲醇的最大火焰速度仅次于氢和乙炔等常用燃料,而高于醚类、汽油和航空燃料等。 柴油机是压缩着火,属汽缸内多点式自发燃烧,难以用火焰传播速度的概念来描述燃烧速度。因此,甲醇燃烧的及时性和限时性较好,可以用于高速发动机,在汽油中掺人甲醇后可以提高其燃烧速度。
点火能量是衡量燃料点火性能的参数,能量越小的燃料在使用时越容易点火。甲醇的最小点火能量仅为O.140MJ,属于点火能量比较低的燃料,因此甲醇掺入汽油中有利于提高其点火性能和燃烧过程。
燃料空气混合气能立即看火的载低温度,称为自燃温度。甲醇的自燃温度为500C,汽油为456C,柴油则为200~220'C.可见甲醇的着火温度较高,这也是甲醇燃料不易压燃的原因之一。
闪点是指在燃料加热过程中,当点火源接近燃料蒸气和周围空气所形成的混会气时,可瞬间产生闪火现象的最低温度,是有关安全防火的一个重要指标。按使田开口杯(油表面暴露在大气中)或闭口杯(油表面封闭在容器内)测定,有开口闪点和闭口闪点之分,前者通常要比后者低15~25'C.闪点高低对燃油的储存和输送安全性具有重要意义,闪点愈低,着火危险性愈大。在开口容器中加热燃料时,加热温度应比该燃料闪点低10C以上,但在压力容器和管道内加热则无此限制柴油的闪点为75C,汽油的闪点是45C,而甲醇的闪点温度仅为11'C,属易燃燃料。
着火界限是指燃料混合气可以着火的最低浓度(着火下限,稀混合气)与最高浓度(着火上限,浓混合气)之间的范围。浓度是以空气中可燃气的容积比(%)表示。甲醇的着火界限在上限和下限两方面都扩大了,为6.0%~36.5%,都比柴油和汽油要宽得多。因此甲醇燃料能够在较宽的混合气浓度范围内工作,稀燃性好,适合于稀空气燃烧,选择运转工况有较大的自由度。虽然甲醇燃料闪点低,容易造成提前点火,但不会因空燃比控制的不精确而导致失火,保证发动机在更宽的混合气浓度范围内稳定工作,而且能使燃料燃烧充分,这对排气净化及降低汽油耗的优化工作有利。
