燃烧是一种剧烈的氧化反应，内燃机（包括汽油机和柴油机等）缸内的燃烧，实质上就是进入燃烧室的燃料中可燃成分（主要指碳氢元素）和进入缸内空气中的氧发生氧化放热反应的过程，在产生新的燃烧产物（二氧化碳和水）的同时，放出大量的热量，从而将燃料中贮存的化学能以热能的形式释放出来，使气体膨胀做功。

在理论情况下，若燃料中除碳（C）、氢（H）外，不含氧（O）及其他有害杂质，如硫（S）等，而且有足够的时间与条件使燃烧反应完全，那么燃烧产物只有二氧化碳（CO₂）及以水蒸气形式存在的水分（H₂ O），其化学反应方程式为

C+O₂=CO₂+热量

12kg 32kg 44kg 407.27MJ （2-2）

H₂+O₂/2=H₂O（蒸汽）+热量

2kg 16kg 18kg 241.97MJ （2-3）

式（2-2）和式（2-3）各分子下面标注的数值是按照碳、氢和氧等元素分子量，即摩尔质量（C=12，H₂=2，O₂=32）确定的反应前后物质之间的质量比例，其单位可以用kg表示，也可以用kmol表示，所谓mol或kmol就是用g或kg为单位，表示的数值上等于其分子量的某物质的量。例如，式（2-2）表示1kmol碳（12kg）与1kmol氧（32kg）进行化学反应后，产生1kmol的二氧化碳（44kg）以及与碳的热值成比例的热量。

假若碳氢燃料中含有n个碳原子，m个氢原子，则其分子式为C_n H_m，于是就可以参照化学反应方程式（2-2）和式（2-3）中的相对质量比例，将燃料C_n H_m的燃烧方程式写为

式（2-4）表示（12n+m）kg燃料完全燃烧，需要（32n+8m）kg的氧，产生44nkg的二氧化碳，9kg的水蒸气以及（407.27n+241.97m/2=407.27n+120.99m）MJ的热量。折算到每千克燃料则有

按照低热值的定义（见2.1.1节），式右端给出的放热量即为燃料的低热值（H_u）（不包括水蒸气凝结时放出的汽化潜热）。但应当说明，在按式（2-4）和（2-5）计算燃料放出的热量时，是将其中以化合状态存在的碳氢元素看做是以游离状态存在，而且各自按式（2-2）和式（2-3）发生氧化反应的，但没有扣除打开碳氢化合键所需的能量，故这里给出的燃料低热值要略大于实测值，不过误差不是很大。

式（2-5）左端第二项是1kg燃料完全燃烧所需的氧气量，由此便可以确定燃料燃烧时理论上的空气需要量L₀，所谓理论空气量，定义为1kg燃料正好完全燃烧所需的空气量，单位也是kg。L₀（kg）空气与1kg燃料的比值l₀称为化学计量空燃比，或简称理论空燃比，其数值与L₀相等，单位可以写作kg空气/kg燃料或表达为无因次量。由于氧气在空气中的质量比例为23.2%（其余主要为氮气），因此对于单纯的碳氢类燃料C_nH_m，可以写

（L₀=l₀kg）

作为具体实例，我们可以根据式（2-5）和式（2-6），计算出评定柴油着火性能的几种标准燃料的H_u和l₀分别为

十六烷和七甲基壬烷（C₁₆H₃₄，n=16，m=34）：H_u=47.04MJ/kg，l₀=14.95kg/kg；

α-甲基萘（C₁₁H₁₀，n=11，m=10）：H_u=40.07MJ/kg，l₀=13.11kg/kg。

从以上分析可知，若碳氢燃料准确的分子式已知，则不难估算出其理论空气需要量L₀或理论空燃比l₀和燃料的低热值，但是实际上从石油提炼的各种液体燃料（例如柴油）作为多种碳氢化合物的混合物，难于准确地确定其中碳、氢元素的原子数，即很难知道其准确的分子式。另一方面，人们却可以通过化学分析方法得到各元素的质量比，于是人们也可以同样按照以上的思路，写出估算理论空燃比l₀和燃料的低热值H_u的公式。为此，还应考虑燃料中含有的氧与其他可燃成分（如硫）以及水分的影响。

假定经化学分析，得知某液体燃料中的碳、氢、氧、硫和水分的重量百分率分别为g_C、g_H、gO，gS和gW，于是参照式（2-2）和式（2-3），再参照：(www.daowen.com)

S+O₂=SO₂+热量

32kg 32kg 64kg 322MJ （2-7）

和

H₂O（水）=H₂O（蒸汽）-热量

18kg 18kg 18×2.51MJ=45.18MJ （2-8）

则可写出燃料的理论空燃比l₀和低热值H_u分别为

和

在以上的l₀和H_u表达式中，g_C和g_H表示燃料中的碳、氢质量组分，它们是空气易燃的主要成分与热量的主要供给者，无需再作说明。g_S代表有害物质硫可以参加燃烧，需要一定的空气，也产生一定的热量，它在一般汽油与柴油中含量很少，可以不计，但在含硫量高的重油中（有时高达5%）必须加以考虑。g_W代表燃料中所含的水分，燃烧后变成水蒸气，要吸收一定热量（汽化潜热，其值为2.51MJ/kg），同时也只有在重油或渗水量较大的乳化柴油中才需考虑。g_O代表燃料中的含氧量，在汽油中几乎不存在，在柴油中含量也很少，但在含氧燃料中必须加以考虑，它对l₀的影响十分明显，因为燃料中的氧气能够代替一部分空气中的氧产生氧化反应，因此需在式（2-9）中加以扣除，但含氧量对H_u的影响则比较复杂，其实质是氧在燃料中会与一部分氢之间形成了紧密的化学键（如OH离子根），从而抵消了这部分氢所能释放的热量。

据统计，国产柴油中轻柴油的质量组成约为g_C=87%，g_H=12.6%，g_O=0.4%（按2003年车用柴油标准，水分很少，S≤0.05%，均略去不计），代入式（2-9）和式（2-10）后可得

这里求得的l₀与H_u与前面按式（2-5）和式（2-6）求出的十六烷或七甲基壬烷与α-甲基萘的平均值非常相近。

前已说明，由于在估算热值的公式中没有考虑打开燃料内部化学键所需的能量，而燃烧放出的能量又视外部条件（温度与压力）而异，因此，准确的燃料热值难于用计算方法确定。人们将其定义为标准条件下（101.3kPa，298.15K），每千克燃料完全燃烧所放出的热量，并用专门的仪器进行测量。实际测量值往往要略低于式（2-10）的估算值（相当于将计算值乘以0.96～0.99的系数）。

在一般工程应用中，对于轻柴油可以采用l₀=14.3（14.1～14.5）和H_u=42.7（42.5～42.9）MJ/kg。以上分析的燃料理论空燃比l₀与热值H_u是研究内燃机燃烧过程的重要前提。H_u表示燃料燃烧所能释放出的能量，直接影响机器的动力性能。而内燃机所能燃烧的燃料量，又受实际进入气缸的空气量的制约，为此除了理论空燃比l₀以外，还应当引入实际空燃比α和过量空气系数ϕ_a的概念：

实际空燃比α，即实际进入内燃机气缸的空气质量L（kg）与燃料质量M（kg）之比，即

其值可能大于l₀，也可能小于l₀，α与l₀之比即为过量空气系数ϕ_a，即

ϕ_a=1表示燃烧时空气与燃料之间的关系正好为化学计量空燃比，即理论空燃比l₀，燃料与空气形成的混合气为标准混合气；ϕ_a<1表示供给1kg燃料的实际空气量少于理论空气需要量，相当于浓混合气，ϕ_a>1表示供给1kg燃料的实际空气量多于理论需要量，相当于稀混合气。

需要说明的是，柴油机必须在过量空气系数ϕ_a>1的情况下工作。