发动机理论空燃比 的来源

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：C x H y（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。

一、燃烧方程式及空气中氧含量

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：

C x H y+(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：天然气（CH4）、石油液化气（C4H10）、柴油（C15H32），作为参考。

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）

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：

（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O b为：

O b=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。

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 C8H18→2*(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。

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C X H2X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。