《内燃机原理》第四章 内燃机的燃烧与放热蕌

第四章内燃机的燃烧与放热蕌 4-1内燃机燃烧热化学蕌 、燃料燃烧反应方程式 内燃机燃料的主要成分为碳和氢,此外还含有少量 的氧、硫等杂质。这些成分及化合物的燃烧可用以下化学 反应方程式予以表示: 碳完全燃烧 C+O=C0+406957K/kmol 碳不完全燃烧 C+0/2=C0+124013KJ/kmol 氢燃烧 H2+O2/2=H2O(液)+286796KJ/kmo(高热值)

第四章 内燃机的燃烧与放热 4－1 内燃机燃烧热化学 一、燃料燃烧反应方程式 内燃机燃料的主要成分为碳和氢，此外还含有少量 的 氧、硫等杂质。这些成分及化合物的燃烧可用以下化学 反应方程式予以表示： 碳完全燃烧 C O CO 406957KJ / kmol  2  2  碳不完全燃烧 C O / 2 CO 124013KJ / kmol  2   氢燃烧 / 2 ( ) 286796 / ( ) H2  O2  H2O 液  KJ kmol 高热值

H2+O2/2=H2O(蒸气)+241788KJ/mo(低热值 硫燃烧 S+O,=SO2+296677/mol 甲烷燃烧 CHA+20,=C0,+2H,O()+801556kJ/kmol 以上反应方程式中的热值均为273K时的值。对于一般碳氢化 合物来说,其燃烧反应方程式可写成如下形式: CnHn+(n+m/4)O2=nCO2+(m/2)H2O+Q(热量)(4-1) 由于在空气中,对应于1molO,,还含有376mo的2及其 他气体,所以,如果反应是利用空气来进行的,则在反应式中, 对应所必需的1molO2,还带入了376molN2的及其他气体。 因而对于碳氢化合物来说,其燃烧反应方程式可写成如下通式:

/ 2 ( ) 241788 / ( ) H2  O2  H2O 蒸气  KJ kmol 低热值 硫燃烧 甲烷燃烧 以上反应方程式中的热值均为273K时的值。对于一般碳氢化 合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下形式： S O SO 296677kJ / kmol  2  2  2 2 ( ) 801556kJ/kmol CH4  O2  CO2  H2O 液 ＋ C H ( / 4) ( / 2) ( ) n m  n  m O2  nCO2  m H2O  Q 热量 （4－1） 由于在空气中，对应于1mol ，还含有3.76mol的 及其 他气体，所以，如果反应是利用空气来进行的，则在反应式中， 对应所必需的1mol ，还带入了3.76mol 的及其他气体。 因而对于碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下通式： O2 N2 O2 N2

CnHn+(n+m/4)O2+376(n+m/4)N2=nCO2+(m/2)H2O+3.76(m+m/4)+Q(热量) (4-2) 这说明,碳氢化合物完全燃烧时,不管其分子结构如何复杂 总是生成CO2和水蒸气,其量由该碳氢化合物中碳原子和氢原子 的含量而定。 燃料燃烧所需空气量 由以上所列燃料成分的燃烧反应方程式及其分子量关系,即可 求出1kg燃料完全燃烧所需的最低空气量(即理论空气量),将1kg燃 油中各元素的含量以重量成分表示,则 8H+8o+g=lkg 燃烧过程中,完全燃烧时,C、H、O化合成为CQ,HO 参加燃烧的O2,H及燃烧产物CO2,HO(在高温下水是蒸气) 都是气态,人们引入了kmo这一便于计算的气体容积的单位

C H ( / 4) 3.76( / 4) ( / 2) 3.76( / 4) ( ) n m  n  m O2  n  m N2  nCO2  m H2O  n  m  Q 热量 （4－2） 这说明，碳氢化合物完全燃烧时，不管其分子结构如何复杂， 总是生成CO2和水蒸气，其量由该碳氢化合物中碳原子和氢原子 的含量而定。 二、燃料燃烧所需空气量 由以上所列燃料成分的燃烧反应方程式及其分子量关系，即可 求出1kg燃料完全燃烧所需的最低空气量(即理论空气量) ，将1kg燃 油中各元素的含量以重量成分表示,则 0 1 c H s g  g  g  g  kg 燃烧过程中，完全燃烧时，C、H、O化合成为CO ，H O . 参加燃烧的O ,H 及 2 2 2 2 2 燃烧产物CO2 ,H O（在高温下水是蒸气） 都是气态， 人们引入了kmol这一便于计算的气体容积的单位

Ikmo的气体容积是以kg计的一个分子量重量气体。在压力为 0MP,0℃的标准状况下,1kmo的理论气体或近似理论气体的 容积相等,即为4m每kmo的O、H或CO的重量为32,2, 44kg,但是容积均为24m3这里H的原子量为1,O的原子量为 16,C的原子量为12,CO2的原子量为12+2*16=44 碳完全燃烧 C+O2=cO2 12kgC +32kgO2=44k, 12kgC +1kmolo,= lkmolcO, lkgC +--kmolO,=CO g kgC +c kmolo2=c kmolcO2

1kmol的气体容积是以kg计的一个分子量重量气体。在压力为 0.1MP ，0℃的标准状况下，1kmol的理论气体或近似理论气体的 容积相等，即为22.4 。每kmol的O 、 H 或CO 的重量为32，2， 44kg，但是容积均为22.4 。这里H的原子量为1，O的原子量为 16，C的原子量为12，CO2的原子量为12＋2*16＝44。 a 3 m 2 3 m 2 2 碳完全燃烧 C  O2  CO2 2 2 12kgC  32kgO  44kgCO 2 2 12kgC 1kmolO  1kmolCO 2 2 12 1 12 1 1kgC  kmolO  CO 2 2 12 12 kmolCO g kmolO g g kgC c c c  

C为固体,其容积与1kmo气体的体积相比可以忽略不计。 gkgC完全燃烧需要 molo 12 同样: H,+O,/2 H O 2 4 kgh 2+32 kgO 36 kgH 2O 4 kgl H +1 molo 2 moth gh kgH 8H kolo 2 8h-kmolH 20 2 完全燃烧 8hkgH需要4m0 s+o=so 32kgS+32kg 02=64kgSO, 32kgS+lkmolo2=lkmolsO

C为固体，其容积与1kmol气体的体积相比可以忽略不计。 完全燃烧需要 。 同样： 完全燃烧 需要  gc kgC 2 12 kmolO gc H 2  O 2 / 2  H 2 O 4 kgH 2  32 kgO 2  36 kgH 2 O 4 kgH 2  1 kmolO 2  2 kmolH 2 O kmolH O g kmolO g g kgH H H H 2 2 2 4 2   g H kgH 2 4 kmolO g H S  O2  SO2 32 32 2 64 2 kgS  kgO  kgSO 32 1 2 1 2 kgS  kmolO  kmolSO 

8. kgS+85kmo1o, =8s so 32 32 完全燃烧gk3S需要516mO2 Ikg燃料中有gkg的O2,即S0kmo的O2则lkg的燃 料完全燃烧需理论氧量为: 32 8c, 8H 8s g MO,=( 0 kmol 1243232 空气主要由氧气、氮气及微量惰性气体组成,空气的分子量 为2895,1kmo空气中,氧气约占021kmol,氮气及其它气体约 占0.79kmol。因此,1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为:

2 2 32 32 SO g kmolO g g kgS s s s   完全燃烧 需要 1kg燃料中有g0kg的O2，即 kmol的O2。则1kg的燃 料完全燃烧需理论氧量为： M ＝（ ＋ ＋ － ） kmol  gskgS 2 32 kmolO gs O2 12 c g 4 H g 32 s g 32 g0 空气主要由氧气、氮气及微量惰性气体组成，空气的分子量 为28.95，1kmol空气中，氧气约占0.21kmol，氮气及其它气体约 占0.79kmol。因此，1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为： 32 0 g

gc g 00.21 12×8n,gs 3232 )km0空气 /kg燃料(43 按重量计算为:L0= 28.95L(kg空气)/(kg燃料) 按空气标准体积(=273KP=981×10P)计为: 0=2~Mnkg(燃料) 般石油燃料,可认为g。≈0,g≈0。汽油的平均 组成为g=0.:856gg=0.144,可用C8H13近似表示;柴 油的平均组成为g。=0.875,g=0125可用CH34近 似表示。根据以上二式,汽油和柴油完全燃烧所需的理 论空气量分别为: 28.950.8560.144 =28cs0.2112 )=148k (空气g(汽油)

L ＝ （ ＋ ＋ － ） kmol空气/kg燃料 (4-3) 0 0.21 1 12 c g 4 H g 32 s g 32 g0 按重量计算为：L ' 0 ＝ 28.95 L 0 （kg空气）/（kg燃料） 按空气标准体积（ ）计为： 一般石油燃料，可认为 。汽油的平均 组成为 ,可用 近似表示 ；柴 油的平均组成为 可用 近 似表示。根据以上二式，汽油和柴油完全燃烧所需的理 论空气量分别为： ， 273 T n  K 4 9.81 10 Pn   Pa "0 0 L  22.4L 3 ( ) ( ) Nm 空气 / kg 燃料 '0 0 ( ) 28.95 0.856 0.144 28.95 ( ) 14.8 / 0.21 12 4 L  L    kg 空气 kg（汽油） 0 0, 0 s g  g  0.856, 0.144 c H g  g  C8H18 0.875, 0.125 c H g  g  C16H34

22.4×14.8 =224L=22.4 28.9528.95 1145Nm(空气kg(汽油) 或 0=14.36kg N (柴油) 内燃机运转时,随着混合气形成方式和工作情况的不同,燃烧 1kg燃料所耗费的实际空气质量L可能大于、小于或等于燃料完全燃 烧所需的理论空气量。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的 燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数,记作a 充入气缸的实际空气重量 燃料完全燃烧所需理论空气量 有时用空燃比AF或燃空比FA来表示可燃混合气的成分。充入 气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量比为空燃比, 即:

； 或 内燃机运转时，随着混合气形成方式和工作情况的不同，燃烧 1kg燃料所耗费的实际空气质量L可能大于、小于或等于燃料完全燃 烧所需的理论空气量。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的 燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数，记作α α= (4－4) 有时用空燃比AF或燃空比FA来表示可燃混合气的成分。充入 气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量比为空燃比， 即： ' " 0 0 0 22.4 14.8 22.4 22.4 11.45 28.95 28.95 L L L      3 ( ) Nm 空气 / kg（汽油） '0 ( ) L  14.36kg 空气 / kg "0 L 11.11 3 ( ) Nm 空气 / kg（柴油） '0 L L  充入气缸的实际空气重量 燃料完全燃烧所需理论空气量

AF=充入气缸内的实际空气重量燃料重量xαLo=o 讲入气缸内的燃料重量 燃料重量 FAElAF 显然:可燃混合气按理论混合比混合,α=1。 若α1,则氧量过剩,称之为稀混合气。 实际上,即使是在一台内燃机的一个工作循环中,其a值 也会随时间和气缸中空间位置的不同而变化。式(4-4所表达 的α值是指一个工作循环中缸内a的算术平均值。 、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变 根据燃料燃烧反应方程式还可计算燃料完全燃烧的燃烧产 物量以及燃烧反应前后分子数的改变。燃烧前,1kg燃料与空 气形成的可燃混合气总物质的量M为: kmol(4-5)堵

'0 '0 L L      充入气缸内的实际空气重量 燃料重量 进入气缸内的燃料重量 燃料重量 AF= FA=1/AF 显然：可燃混合气按理论混合比混合，α=1。 若α＜1，则氧量不足，称之为浓混合气； 若α＞1，则氧量过剩，称之为稀混合气。 实际上，即使是在一台内燃机的一个工作循环中，其α值 也会随时间和气缸中空间位置的不同而变化。式(4－4)所表达 的α值是指一个工作循环中缸内α的算术平均值。 三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变 根据燃料燃烧反应方程式还可计算燃料完全燃烧的燃烧产 物量以及燃烧反应前后分子数的改变。燃烧前，1kg燃料与空 气形成的可燃混合气总物质的量 为 : kmol (4－5) M1 1 0 1 f M L   

式中,山—燃料的相对分子质量。 当α>1时,1kg燃料完全燃烧所生成的各种成分气体的物质的 量为: 由8。kgC生成mQ 8HkgH生成kmH2O aL的空气中剩余的021(a-1)Lkmo的氧; N2反应前后数量不变仍为0.79aL0mo的N2。 这样,燃烧产物的总物质的量: gc g (a-0.21)0 (4-6)堵

式中， ——燃料的相对分子质量。 当α＞1时，1kg燃料完全燃烧所生成的各种成分气体的物质的 量为： 由 kg C生成 kg H生成 的空气中剩余的0.21(α-1) kmol的氧； 反应前后数量不变仍为0.79 。 这样，燃烧产物的总物质的量： (4－6)  f c g 2 12 c g kmol的CO H g 2 2 H g kmol的H O L0 L0 N2 L0 2  kmol的N 0 ( 0.21) 12 2 c H g g M      L