可燃混合氣熱值

可燃混合氣熱值定義為單位質量或單位體積的可燃混合氣在標準狀態下定壓或定容完全燃燒時的低熱值。它取決於燃料熱值以及燃料與空氣的混合比例。

基本介紹

• 中文名：可燃混合氣熱值
• 領域：內燃機

燃料低熱值

燃料熱值定義為單位質量的燃料在標準狀態（溫度298 K，壓力101.3kPa）下，定壓或定容完全燃燒所能放出的熱量，即反應熱。熱值是反映燃料在標準熱狀態和確定熱力過程條件下燃燒時所能釋放的化學能。燃料的定容熱值和定壓熱值相差不大，實際上多採用定壓熱值，因其便於測量。單位kJ/kg為或kJ/kmol。

對於含H的燃料，如烴燃料，燃燒產物以H_2 O氣態排出，其氣化潛熱未能釋放時的熱值叫低熱值(low heating value)，用H_u表示。由於發動機廢氣溫度很高，廢氣中的H_2 O呈氣態，所以適用低熱值。

圖1-1燃料熱值

混合氣濃度

因為燃燒時的缸內工質是燃料與空氣組成的可燃混合氣，所以影響燃燒放熱量的參數不僅有燃料熱值，還有空氣量，用可燃混合氣熱值來評價燃燒放熱量更全面、更合理。燃料與空氣的比例反映了混合氣中燃料的濃度，是發動機的一個極為重要的參數。混合氣濃度有如下三種不同的表示方法。

空燃比

空燃比（air-fuel ratio）α定義為混合氣中空氣品質與燃料質量之比。α是無量綱參數，國外常用A/F表示空燃比。

過量空氣係數

設單位質量的燃料完全燃燒所需的理論空氣品質為l_0個個單位，而實際供給的空氣品質為l個單位，l_0和l均為無量綱量，則過量空氣係數（excess air ratio）ϕ_a定義為

ϕ_a=l/l_0

ϕ_a>1為稀混合氣；ϕ_a<1為濃混合氣；ϕ_a=1則為化學計量比(stoichiometric ratio)混合氣，此時燃料與空氣中的氧氣恰好能完全反應燃燒掉。事實上，l_0可以看作是化學計量空燃比，l是實際空燃比，因此過量空氣係數ϕ_a又稱為相對空燃比( relative air-fuel ratio)，國外常用λ表示過量空氣係數。

燃空當量比

燃空當量比（equivalence ratio）ϕ定義為單位質量的燃料完全燃燒所需的理論空氣品質與實際供給的空氣品質之比，是過量空氣係數ϕ_a的倒數。國外更多地用燃空當量比ϕ表示混合氣濃度。

以上三種混合氣濃度參數可相互轉換。若用於燃燒的燃料質量為m，那么供給的空氣品質為m∙l=m∙ϕ_a∙l_0，則有α= (m∙ϕ_a∙l_0)/m=ϕ_a∙l_0

而ϕ_a=1/ϕ

通過計算可得汽油的化學計量空燃比l_0=14.8，柴油的l_0=14.3，故汽油機的α=14.8ϕ_a，柴油機的α=14.3ϕ_a。

計算

質量熱值

可燃混合氣質量熱值H_um定義為，單位質量混合氣在標準熱狀態下完全燃燒所釋放的熱量。若單位質量的燃料供給個l個單位質量的空氣，則可燃混合氣的質量熱值H_um為H_um=H_u/(1+l)=H_u/(1+ϕ_a∙l_0 )

上式僅適用於ϕ_a≥1，因為ϕ_a<1時，部分燃料不能完全燃燒，其化學反應過程與完全燃燒的化學反應過程不同，有另外的熱值計算方法。

需要注意的是，對於ϕ_a或ϕ，應該分清是缸內局部區混合氣的實際值，還是整個缸內混合氣的平均值。柴油機在噴霧及混合氣形成過程中，缸內各處的混合氣濃度是不均勻的。進行整機性能分析時，往往用的是平均值，而在燃燒和排放分析時，常常會用到局部的實際值。常規汽油機因為是預製均勻混合氣，缸內各處的ϕ_a或都ϕ是相同的。

摩爾熱值

按單位摩爾數混合氣的燃燒放熱量來定義，即

〖（H_um）〗_m=H_u/(ϕ_a·L_0+1/M_r )

〖（H_um）〗_m為可燃混合氣的摩爾熱值，單位kJ/kmol

體積熱值

按單位體積混合氣的燃燒放熱量來定義，即

（〖H_um）〗_v=H_u/(〖24.45（ϕ〗_a·L_0+1/M_r ）)

（〖H_um）〗_v為可燃混合氣的體積熱值，單位kJ/m^3。1∕M_r是單位質量燃料蒸氣的摩爾數，單位kmol/kg。考慮到1kmol 氣體在273K、101.3kPa狀態下對應為22.4個相應單位的體積（m^3），

但標準熱狀態是298K和101.3kPa，二者溫度有25K 的差別，故將常數22.4修正為24. 45。以上可燃混合氣熱值的計算式不適用於ϕ_a<1的場合。

規律

在化學計量比混合氣條件下，可總結出如下規律。

1）液體烴燃料的H∕C質量比（或C_n H_m中的m∕n比值）下降時，C量增大，因為純C熱值要比純H熱值低很多，所以燃料熱值有所下降。但是H燃燒時所需空氣量比C燃燒時也要多很多，結果各種液體烴燃料的可燃混合氣熱值相差不大。像是汽油的熱值高於柴油，但可燃混合氣熱值卻相近就是這個道理。

2）氣體烴燃料由於本身相對分子Mr質量較小，燃料蒸氣體積不可略去，因而可燃混合氣熱值偏低。這就是天然氣（CH_4）的可燃混合氣熱值在所有烴燃料中為最低的原因。

3）含氧醇燃料（如甲醇、乙醇）由於氧含量多，其熱值比汽油、柴油低得多。但因燃料中的氧也參與燃燒，所需加入的空氣量就相應下降，結果醇燃料的可燃混合氣熱值也與汽油、柴油的相近。因醇燃料本身相對分子質量Mr較低，其（〖H_um）〗_v也就偏小一些。

4）純氫燃料的熱值最高，約為汽油、柴油的3倍，但所需空氣最也約為汽油、柴油的3倍，如果計及氫本身所占體積，則其可燃混合氣熱值會很低。因此直接使用氣態氫會大大降低發動機的動力性。只有在進氣後的壓縮過程中向缸內直接噴液態氫才會大幅度提高有效平均壓力，這並非混合氣熱值加大，實質上是相當於增壓的效果使混合氣的密度上升，每循環的發熱量也上升。氫發動機的混合氣形成涉及很多具體的技術問題，可參看專門書籍。

以上分析表明，儘管各種燃料的熱值差別很大，但大多數燃料的可燃混合氣熱值卻很接近，因此改用代用燃料時，發動機的動力性一般不會大幅下降。即使可燃混合氣熱值有些降低，這也僅是決定動力性的一個因素（當然是很重要的因素），還可以通過其他措施來加以調節。天然氣、石油氣以及醇類代用燃料的辛烷值高於汽油，可以通過提高發動機壓縮比來改善它們的動力、經濟性。汽油機改燒甲醇後可提高壓縮比，再加上充氣量的增加（甲醇氣化潛熱大，進氣溫度低之故）等因素，甲醇發動機的輸出功率往往高於原汽油機。