发动机理论空燃比14.7的来源(修订)

一、
燃烧方程式及空气中氧含量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
燃烧方程式：汽油在发动机内燃烧是个化学反应过程，各种反应物的比例及耗
量，可以从化学反应方程式，根据物质不灭定律推出。从基础有机化学可知，烃 类燃烧的化学反应方程式通式为： CxHy+(x+y/4) O2= x CO2+y/2 H2O （1） 其中：y=2*x+2 对于汽油（主要是辛烷 C8H18）来说就是下面的化学反应方程式： 2C8H18+25O2‐‐‐‐‐>16CO2+18H2O （2） 从这些方程式， 根据物质不灭定律， 可以核算汽油燃烧所需的氧气 （O2） 质量 （重 量） ，然后根据氧气在空气中的含量，来推出燃烧所需空气质量（重量） 。从而可 以得出理论完全燃烧的空燃比，这个才是空燃比的理论来源。 为了对比分析， 我们分别列出发动机的其他烃类燃料燃烧的化学反应方程式， 如： 、石油液化气（C4H10） 、柴油（C15H32） ，作为参考。 天然气（CH4） 天然气： CH4+2O2‐‐‐‐‐>CO2+2H2O （3） 石油液化气： 2C4H10+13O2‐‐‐‐‐>8CO2+10H2O （4） 柴油： C15H32+23O2‐‐‐‐‐>15CO2+16H2O （5）
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为了说明这个曲线图的绘制，我们以天然气甲烷（CH4）为例（C 的数量为 1） ， 计算其理论空燃比。甲烷的燃烧化学反应方程式是（3）式。根据其左边化合物 平衡，有: 1 克分子 Ch4，16.01 克，对应需 2 克分子 O2 氧气，64 克。 计算需要空气 64/0.233=274.7 克，即，完全燃烧空燃比，274.7/16.01=17.17。 另一例，液化石油气（C4H10）丁烷 C 的数量为 4，丁烷的燃烧化学反应方程式是 （4）式。根据其左边化合物平衡，有: 2 克分子 C4H10，116.08 克，对应需 13 克分子 O2 氧气，416 克。 计算需要空气 416/0.233=1785.4 克， 即， 完全燃烧空燃比， 1785.4/116.08=15.38。 14.7:1 这个理论空燃比的来源：按上面的计算方法，14.7:1 这个理论空燃比， 可以从碳氢化合物分子式为 CXH2X 得出。而根据这个分子式，要求油品必需全部 是环烷烃，或者其中含有较高比例的芳香烃，才能得出这个等效分子式。而真实 油品实际为链烃类，如：甲烷（天然气 CH4） 、丁烷（液化石油气 C4H10） 、庚烷 （C7H16） 和辛烷 （C8H18） （汽油） 、 十五烷 （柴油 C15H32） 等， 其完全燃烧空燃比， 不是这个比值 14.7:1。 汽车实际控制中，用残余氧含量判定的空燃比，不是这个 14.7:1。如，上面计算 的天燃气（CH4）的完全燃烧理论空燃比达 17.17:1。即便是我们日常的汽油，主 要成分为辛烷（C8H18） ，理论完全燃烧的空燃比，也不是 14.7：1，而是上面分 析核算的：15.05:1。附带说明一下，汽油标号即是油品的辛烷含量当量。 三、结论及建议 这里的分析可知，14.7:1 是一种理想油品（环烷烃）模式的完全燃烧空燃比。我 们在内燃机进排气设计及改装中，不要因为这个参数的考虑及限制，引起设计不 周，按剩余氧含量来判断空燃比是否合适才是恰当的。尤其是像天然气（LNG） 发动机这种理论空然比 17.17：1 与 14.7:1 相差很大的情况，要特别予以注意。 还需特别指出的是，这个理论完全燃烧空燃比是个质量（重量）比，不要混淆为 体积比。质量比在平原与高原是一样的，体积比是不同的。当我们地处高原时， 因为气压低，同样质量的空气，占用更大的体积，汽车在高原地区同样的油耗， 空气体积要大一些。即节气门要开大，才能满足完全燃烧的需要，否则会增加油 耗，动力不足。
二、
空燃比核算
首先计算汽油（C8H18）的完全燃烧空燃比。从其化学反应方程式（2）式左边的 化合物平衡，有： 2 克分子汽油，从碳（C）的分子量 12.01；氢（H）的分子量 1；其质量为： 2 C8H182*(12.01*8+18)=228.16 克 25 克分子 O2 氧气，氧 O 的分子量 16；其质量为： 25 O2 25*(16*2)=800 克 即， 228.16 克的汽油完全燃烧， 需要 800 克氧气。 这个就是理论上， 化学反应中， 反应完全需要的质量配比。 按氧气需求量换算出，对应的空气需要量为： 800/0.233=3433.5 克。 这样，在理论上，汽油完全燃烧需要的空燃比为： 3433.5/228.16=15.05 这里问题来了！ 这个比值不是 14.7:1， 而是 15.05:1。 那么， 14.7:1 是怎么来的呢？ 我们来分析一下通用方程式 （1） ，其中的碳含量 X，采用 不同的值，X 从 1 选到 20，这 相当于是包含了碳氢化合物 烃类中，天然气的主要成分甲 烷，液化石油汽的主要成分丁 烷，汽油的主要成分辛烷，到 二十烷等主要燃油类别。我们 采用对应不同 X 的烃类的化学 反应方程式，如同前面的核算 方法，分别求出其完全燃烧空 燃比，做图，找到碳含量与完 全燃烧空然比的关系图。如图 1。 看到这个图，我们就知道了， 参照 14.7:1 空燃比线（蓝色水平线） ，烃类的碳含量越高，越接近这个理论值。 也即是，不考虑烃类分子链端部的氢原子，它的理论空燃比才会是 14.7:1。
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空气中氧含量：化学反应方程式中的物质含量核算需要按质量核算，而我们
通常已知的是空气中氧气的体积百分比， 我们需要把体积百分比转换为质量百分 比。空气按体积的组成是，约 21%的氧气，78%的氮气和 1%的其他气体。为了 计算方便，我们姑且把其他气体并入氮气来核算。这样，可按 21%的氧气，79% 的氮气来计算空气需求量。 从氮气 N2 的分子量为 28，氧气 O2 的分子量 32，且每克分子的气体（32 克氧气 或者 28 克氮气）在常压下体积为 22.4 升。下面我们以 1 升体积的常压下的空气 来核算氧气的质量百分比： 1 升空气中氧气的重量为：
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（0.21*1/22.4）*32=0.3 克； 1 升空气中氮气的重量为： （0.79*1/22.4）*28=0.9875 克； 那么氧气在空气中的质量百分比 Ob 为： Ob=0.3/（0.3+0.9875）*100=23.3% 这个 23.3%，就是按质量（或者通常概念的重量）计算，空气中氧气的质量含量 百分比。
发动机理论空燃比 14.7 的来源
汽车发动机燃料是一种混合物，是很多有机物组成的，通常是裂化石油产品(属 于烃类)，通用分子式为：CxHy（其中，y=2*x+2） 。现在的汽车发动机资料通常给 出，燃油的完全燃烧的理论空燃比（A/F）是 14.7:1。这个理论值是如何得出的？ 查参考资料未见到分析推导，从形式上来说明的资料是众说纷纭，头绪混乱。因 为这个比值涉及发动机的控制及优化， 对发动机工作状态的判断， 也是重要指标。 现代的 OBD 测试中，也有此参数的对应量，过量空气系数λ。因此，我们在这 里，以汽油燃烧的化学方程式为基础，来推导这个比例系数，供大家参考。