燃烧热化学

4.2　燃烧热化学

4.2.1　理论空气量

发动机中燃料的燃烧，是燃料中的碳、氢等元素和空气中的氧之间剧烈反应，并伴随有发光发热的现象。燃料中的碳和氢，氧化以后分别生成CO₂和H₂O，称为完全燃烧。理论空气量就是指1kg燃料完全燃烧时所必需的最低空气量。

理论空气量的计算，是根据碳、氢完全燃烧的化学反应方程式及燃料与空气的组成成分进行的。首先根据燃料的成分计算出理论氧气量，然后再根据空气成分换算出理论空气量。

燃料的组成元素除碳、氢外，还有硫、氧等元素。计算中为方便起见可以认为硫近似为0。

空气是燃料燃烧的氧化剂。它的主要组成成分是氧和氢，另外还有微量的其他气体，见表4－1。

表4－1　空气的主要组成成分

设燃料中碳、氢、氧的百分比为g C、g H、g O，即1kg燃料中含有g Ckg碳、g Hkg氢、g Okg氧。常见液体燃料的g C、g H、g O的数值见表4－3。

首先，计算理论氧气量。完全燃烧的化学反应方程式:

1kg燃料完全燃烧所需要的理论氧气量为:

因为1kg空气中含有氧气量为0.232kg，设氮气在燃烧过程中不参加化学反应，燃烧产物中只有CO₂、H₂O和N₂。则1kg燃料完全燃烧所需理论空气量为:

将汽油和柴油中含碳、氢、氧的百分数代入上式，则可以算得1kg汽油完全燃烧所需理论空气量L₀≈15kg，柴油的理论空气量L₀=14.5kg。

表4－2为燃料组成元素的详细燃烧计算。在表列残存氮量的计算中引用了空气氧和氮的比值，按质量计为:1∶3.31，按体积计为1∶3.76。由表可以查得，每1kg燃烧元素(例如C、H或S)燃烧时，其生成物、耗氧量、残存氮气量等数值单位为1kg或m³。表中还给出了燃烧时的发热量。例如，1kgC完全燃烧时，生成CO₂为3.667kg(1.8637m³)。

消耗的氧气量为= 2.667kg(1.867m³)，残存氮量为8.827kg(7.022m³)，燃气为CO₂与N₂，总质量为12.49kg(8.89m³)。

表4－2　燃料组成元素的燃烧计算

几种主要液体燃料的质量成分、热值及理论空气量等数值列于表4－3。

表4－3　常见液体燃料的成分、热值及理论空气量

4.2.2　过量空气系数与空燃比

在发动机实际过程中，根据客观要求，实际供给的空气量往往不等于理论空气量。假设在发动机工作过程中，每1kg燃料实际供给的空气量为L，1kg燃料完全燃烧需要的理论空气量为L₀，它们的比值称为过量空气系数，以a来表示，则

过量空气系数a用以评定实际供给空气的数量，是发动机工作过程的一个重要参数。当实际空气量等于理论空气量时，L= L₀，a= 1;a＜1时，表示L＜L₀，为混合气;a＞1时，表示L＞L₀，为稀混合气。

柴油机a总是大于1的，因为在柴油机内燃烧与空气很难达到均匀混合。在柴油机吸入汽缸的空气量一定的情况下，a小就意味着可以向汽缸多喷油，缸内空气的利用程度高，发出的功率大。所以a是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个重要指标，应该力求减少a。柴油机在全负荷a的一般数值为:

高速柴油机　a= 1.2～15

增压柴油机　a= 1.7～2.2

在汽油机的整个运行中，可以遇到a＞1和a≤1的所有情况。在全负荷时，汽油机a的一般数值为0.85～1.1。

除了运用a表示混合气浓度外，还可以运用空气燃料比(AF)或燃料空气比(FA)以及相对空燃比(AF)_R或相对燃空比(FA)_R来表示。它们之间的关系为:

设(AF)₀为燃料完全燃烧时的理论空燃比，则汽油的(AF)₀≈15。

设(FA)₀为燃料完全燃烧时的理论燃空比，则汽油的(FA)₀≈1∶15

应用空燃比比较直观方便，其数值即为每1kg燃料实际供给空气量的千克数。空燃比小于15的为浓混合气，空燃比大于15的为稀混合气。

实际发动机的a可由废气分析测出，对于非增压的四冲程发动机也可以由耗油量及气量按下式算出。

式中，G _h为每小时进入汽缸的空气量，kg/h;G _T为每小时耗油量，kg/h;L₀为理论空气量，kg/kg。

4.2.3　燃烧产物的数量

燃料在燃烧前后的成分和数量均发生变化，下面主要分析φ_a＞1完全燃烧时的情况。

1.燃烧前混合气的数量

对于汽油机，燃烧前新鲜混合气由空气和燃料蒸气组成，若燃料摩尔质量(1kmol燃料蒸气相当的千克数，在数值上等于燃料的相对分子质量)为M _r，则1kg燃料形成的混合气量M₁(kmol/kg)为

对于柴油机，是在压缩终点向汽缸喷入液体状态的燃料，体积不及空气体积的1/10000，可忽略不计(认为燃烧前的工质是纯空气)，即

2.燃烧后燃烧产物的数量

在φ_a＞1的情况下，完全燃烧的产物由CO₂、H₂O、剩余的O₂及未参与反应的N₂组成。

根据前面的化学反应方程式可知，燃烧后工质的数量M₂(kmol/kg)为

3.燃烧前后工质数量的变化

汽油机燃烧前后工质数量的变化量为

柴油机燃烧前后工质数量的变化量为

由于很小，所以ΔM是正值，即燃烧后分子数增多。由ΔM的计算式可知，ΔM与φ无关，仅与g _H、g _O有关。

在φ_a＜1的情况下，除上述多种完全燃烧产物外，还有CO生成，这种情况下燃烧前后工质数量的变化ΔM比完全燃烧时还大。

4.分子变化系数

为了方便地比较燃烧前后工质摩尔数的变化，引入分子变化系数的概念，以表示工质摩尔数的相对该变量。汽油机、柴油机的分子变化系数都大于1，表明燃烧后总分子数增多。这一因素对做功有利，会提高循环热效率。

(1)理论分子变化系数。燃烧后工质的摩尔数M₂与燃烧前工质的摩尔数M₁之比称为理论分子变化系数:

对于柴油机，φ_a在1.2～2.0范围内变化时，μ₀将在1.032～1.053之间变化。

对于汽油机，φ_a在0.8～1.2范围内变化时，μ₀将在1.046～1.069之间变化。

(2)实际分子变化系数。由于汽缸内燃烧后总要残留部分废气，考虑残余废气的影响时，燃烧后工质的摩尔数与燃烧前工质的摩尔数之比，称为实际分子变化系数，以μ来表示。

设1kg燃料燃烧后在汽缸中留下的残余废气为M _r，则燃烧前汽缸中的工质总量为

燃烧后汽缸中的工质总量为

实际变化系数为

式中，φ_r为残余废气系数，

4.2.4　燃料与混合气的热值

1.燃料最低热值

1kg燃料完全燃烧时所放出的热量，称为燃料的热值，以kJ/kg为单位。燃烧产物中的水，在高温时以气态存在，它的汽化潜热只有在冷却之后才能释放出来。将水的汽化潜热计算在内的燃料热值称为高热值;不包括水的汽化潜热的燃料热值称为低热值。在发动机的工作中，排气温度较高，水的汽化潜热不能利用。因此发动机上应用的是低热值。

2.可燃混合气的热值

可燃混合气的热值，即燃料的低热值H _u与单位燃料形成的可燃混合气数量之比，以H _m(kJ/kg)、H'_m(kJ/m³)表示。

可燃混合气的热值为:

空气的分子量为28.9，设燃料的分子量为m _T，1kg燃料形成的可燃混合气的容积为:

燃料的分子量较大，的数值很小，可略去不计，

则1m³可燃混合气的热值为:

由此可见，可燃混合气的热值取决于燃料的热值和过量空气系数a值。为提高发动机的升功率，各种常见液体燃料的可燃混合气热值见表2－10。