过量空气系数的计算与测量.docx

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过量空气系数的计算与测量

摘要过量空气系数是燃烧过程运行情况的一个重要参数，合理确定过量空气悉数对于提高能源利用率有很大意义。

本文说明了过量空气系数的计算方法、详细介绍了用烟气成份计算过量空气系数的方法，并比较了十多个公式的准确性，有的公式在国内是首次介绍，有较高的参考价值。

主题词燃烧空气燃料比计算测量

为了保证完全燃烧，在燃烧过程中，供给的空气应大于所需的理论空气量。

但是，供给的空气也不能过多．否则燃烧的烟气损失会增大，从而使效率下降．对于内燃机来说，过量空气系数是运行情况的一个重要参数。

对于柴油机来说，为了保证混合均匀，其过量空气系数总是大于1。

在吸入空气量一定的情况下，过量空气系数小就意味着可向气缸多喷油，缸内空气利用程度高，输出功率大，是反映混合气形成和燃烧程度及整机性能的一个重要指标，应使过量空气系数尽可能小。

对于汽油机而言，过量空气系数是混合气浓度的表示，在整个运行过程中，过量空气系数可能大于1，也可能小于或等于1，对比油耗或效率的影响很明显（be=f（λ））

过量空气系数λ的定义为：

实际供给的空气与完全燃烧时所需的理论空气量之比其定义式为：

由定义式可知，只需测量输入发动机的所有空气流量和燃料的质量流量即可测出过量空气系数λ因为各缸中的“燃烧空气系数”与“过量空气系数”是有区别的,只有在没有扫气和四冲程汽油机的进气道中为均匀的混合物的情况下，才能用这种方法测到所定义的过量空气系数λ的值。

目前常用的方法是用烟气分析计算来确定过量空气系数λ。

其优点是，不需要在进气道中安装测量仪器，而这些仪器对混合器有反作用；即使是测量各气缸的过量空气系数也不需要附加的测量装置，因为在各种情况下都是测量烟气成份。

可用不同方法由烟气分析计算来计算过量空气系数．为了比较不同的方法，均将烟气成份作为过量空气系数的函数，又由于在测量时物质平衡不相同，所以比较时均将过量空气系数视为λ=0.7～1.5。

烟气成分的计算

当λ≥1时，有燃烧反应：

其燃烧产物为：

H2O、CO2、H2、NO、OH。

这些组份的份额随温度的升高而升高。

燃烧产物混合物中各组份的份额可由烟气中CO2、CO、H2O、OH、H2、H、O2、O、N2、NO、CnHm的分压（由工程热力学可知，分压Pt/总压Pres=容积成分rt）,以及反应的平衡常数来计算，即分压比确定后就可以确定任意给定温度下不同组份的相对数量。

要解出所需的量，可从原子平衡和化学方程来考虑：

碳的容积份额：

Nc=co2-Pco-n·Pcnhm

氮的容积份额：

Nn=2·Ph2+Pno

氢的容积份额：

Nh=Ph2o+Pon+2·Ph2+Pn+mPcnhm

由燃烧方程式可得：

总压与分压的关系是：

PRES=Pco2+Pco+Ph2o+Pch+Ph2+Ph+Po2+Po+Pn2+Pno+Pcnhm

简单来说，化学平衡的定量分析依赖于分压之间的互相关系（详见一般的《物理化学》著作）

对于一般的化学反应：

Wa+2B=yC+zD来说，其平衡常数为：

式中，w,x,y,z——有关物质的分子数；

P——注脚所指的物质的分压；

K——平衡常数，它是温度的函数。

对于燃烧产物来说，有：

由各组分的焓值和熵值以及生成热有关的反应，与温度有关的平衡常数可由下式来计算（也可查有关的表）：

Kt=（A1·T16t）·e（6t/rt）

T1——绝对温度.K；

R——通用气体常数；

A1、B1、E1——物质常数，其值见表1

对于碳氢化合物来说，可以采用下式作近似计算：

用烟气成分计算过量空气系数

1.用废气中二氧化碳成分计算

最简单实用的是用烟气中的CO2成分来计算。

不考虑过量空气在完全燃烧的情况下，烟气中最大的二氧化碳成分为：

在烟气中实际的二氧化碳成分为：

式中，Vt——干烟气体积；

Itmln——理论空气量。

由此可得：

对于许多燃料，有Vulmn=Lmin，故：

即，只需知道烟气中的二氧化碳成分和燃料的最大二氧化碳成份就可以算出过量空气系数λ。

此法最大的不足就是不准确，但是因为只需测二氧化碳成份，所以简便易行。

烟气中的二氧化碳成份可由烟气分析得出．燃料的最大二氧化碳成份与燃料的类型有关，可由图2查出。

图2各种燃料的烟气中的最大CO2成份

2、用烟气中的氧气和氮气成份计算

假设干烟气（测量前应析出水蒸汽）仅由N2、CO2、O2组成（即为完全燃烧），对于空气来说，其容积成分为：

[O2]=21%,[N2]=79%

由过量空气系数的定义可知：

式中：

L——实际供给的空气量；

Lmin——燃烧所需的理论空气量。

显然，燃烧所需的最小氧气的体积为：

Vo2min=0.21Lmin；而烟气中所剩下的氧气为：

Vro2=Vo2-Vo2min。

于是：

式中，[O2]、[N2]——烟气中的O2和N2的容积成分。

也可写为：

即，只要知道烟气中的O2和N2的容积成分就可以求出过量空气系数。

上式中实际上没有考虑废气中的CO2,显然也只是近似值。

2.奥斯瓦尔德燃烧三角形

在上述的基础上，德国人奥斯瓦尔德提出了燃烧三角形，可由烟气中的氮气和二氧化碳成分直接查出过量空气系数（见图3、图4）。

图3液体和固体燃料的奥斯瓦尔德燃烧三角形

图4气体燃料的奥斯瓦尔德燃烧三角形

奥斯瓦尔德燃烧三角形的详细说明及绘制请参见文献[3]

3.用其他公式计算

由燃烧反应可知，废气中含有CO2、CO、H2、N2、NO、CnHm及HC等。

而在1～3中，考虑显然不完全，计算出的过量空气系数λ也不太准确。

为此，提出了大量公式，这里列出了16组公式供参考。

x=容积比（空气成分/整个氧化物试样）

[O2]=总O2-氧化后的浓度

χ=空气湿度（kg水蒸气/kg干空气）

μ=Μμ/Μh2o1.608分子质量比（干空气/水）

废气中回收的水蒸气压力常数dω；为过冷却（0℃）时，dω=0.3，蒸汽压力0.3%；在凝结状态（20℃）时，dω=2.3，蒸汽压力2.3%。

在0℃时干燥，在20℃时干燥fett：

97.2；新常数：

mager:

97.7。

[]为体积成分%

这些公式所测量的方法可以分为两大类：

公式

（1）～（4）使用的是催化—氧化分析法。

即，让烟气流过氧化催化器，各烟气成分（主要是CO和未完全燃烧的HC）完全氧化并干燥。

得到的混合物主要是N2和CO2。

过量空气系数可由未干燥的混合物的H2O的份额或由CO2的浓度来求（已知燃料的h/c）；其余的使用的是干燥（未经处理）的烟气分析法。

通常烟气先要干燥，再用各种气体分析仪来确定各组分的份额（如CO2、CO、O2、HC、NO、N2等）。

所用的方法均要用燃料的特性数h/c。

[CO]和[CO2],除个别公式而外，均用非色散红外线分析测试得：

气体分析的精度及所使用的仪表的测量误差；确定特性数h/c的误差。

一般来说，使用第二种方法的误差比第一种小。

图5可以看出五种方法与计算值比较的误差。

图5各种λ计算方法计算出的λ值与理论值的误差

由图可以看出，在发动机的运行范围内，计算出的λ值相差为3%左右。

其中，式（7）、（8）和式（10）I最为准确；而式（9）和式（10）I计算出的λ值就不太准确。

各种发发测量和分析误差由所谓“灵敏度”来表示：

式中△λ/λ——所求的过量空气系数λ的相对误差；

△χ/χ——所测量的值，如[CO2]、[CO]、[O2]、[NO]、[H2]或燃料的特性数h/c的相对误差。

图6（7）式测量值误差的灵敏度

图7（8）式测量值误差的灵敏度

图8（9）式测量值误差的灵敏度

图9（10）式测量值误差的灵敏度

图10（10）I式测量值误差的灵敏度

所测量的值的相对误差的很小变化引起的过量空气系数的变化很大，则“灵敏度”高；所测量的值的很大变化引起的过量空气系数的变化很小，则“灵敏度”低。

图6～图10为各种不同方法使用的各组份及燃料的特性数的误差与过量空气系数λ的关系。

由图可以看出，所有方法中，CO2的误差对λ值的影响都很大；而燃料特性数h/c在某些方法中对λ的影响也很大。

综上所述，一般情况下推荐使用（7）、（8）和（10）I式。

参考文献

1R.Herbrikengrgie-Warmetechnik（2.Auft）,1993

2H.GroheMessenanVerbrennungsmotoren,1977

3周玉明，奥斯瓦尔德燃烧三角形，天然气与石油，1991.3

4H.MayChemischeThermodynamik,1988

附：