空燃比

空燃比，是混合氣中空氣與燃料之間的質量的比例。一般用每克燃料燃燒時所消耗的空氣的克數來表示。

基本介紹

• 中文名：空燃比
• 外文名：Air-fuel ratio
• 套用學科：物理
• 適用領域範圍：機械發動機

簡介

可燃混合氣中空氣質量與燃油質量之比為空燃比，空燃比A/F(A：air-空氣，F：fuel-燃料)表示空氣和燃料的混合比。空燃比是發動機運轉時的一個重要參數，它對尾氣排放、發動機的動力性和經濟性都有很大的影響。

原理

為使廢氣催化率達到最佳(90%以上)，必然在發動機排氣管中安裝氧感測器並實現閉環控制，其工作原理是氧感測器將測得廢氣中氧的濃度，轉換成電信號後傳送給ECU，使發動機的空燃比控制在一個狹小的、接近理想的區域內(14．7：1)，若空燃比大時，雖然CO和HC的轉化率略有提高，但NOx的轉化率急劇下降為20%，因此必須保證最佳的空燃比，實現最佳的空燃比，關鍵是要保證氧感測器工作正常。如果燃油中含鉛、矽就會造成氧感測器中毒。此外使用不當，還會造成氧感測器積碳、陶瓷碎裂、加熱器電阻絲燒斷、內部線路斷脫等故障。氧感測器的失效會導致空燃比失準，排氣狀況惡化，催化轉化器效率降低，長時間會使催化轉化器的使用壽命降低。

測量儀器

實際空燃比是通過測量廢氣中的氧濃度獲取的，最關鍵的部件就是寬域氧感測器。測量空燃比的儀器通常叫做空燃比分析儀、空燃比計。以美國ECOTRONS生產的空燃比分析儀ALM-S為例，它使用Bosch LSU4.9寬域氧感測器以及CJ125專用驅動晶片，能夠達到很高的測量精度。

比值

發動機工作時，燃料必須和吸進的空氣成適當的比例，才能形成可以燃燒的混合氣，這就是空燃比。從理論上說，每克燃料完全燃燒所需的最少的空氣克數，叫做理論空燃比。各種燃料的理論空燃比是不相同的：汽油為14.7，柴油為14.3。空燃比大於理論值的混合氣叫做稀混合氣，氣多油少，燃燒完全，油耗低，污染小，但功率較小。空燃比小於理論值的混合氣叫做濃混合氣，氣少油多，功率較大，但燃燒不完全，油耗高，污染大。

空燃比

汽油機的空燃比在12～13時功率最大，在16時油耗最低，在18左右污染物濃度最低。因此，為了降低油耗和減少污染，應當儘量使用空燃比大的稀混合氣，只在需要時才提供濃混合氣。這種做法，叫做稀薄燃燒，已為當今多數汽油發動機採用。

影響汽油發動機排放的最主要因素是混合氣的空燃比， 理論上一公斤燃料完全燃燒時需要14.7公斤的空氣。這種空氣和燃料的比例稱為化學當量比。空燃比小於化學當量比時供給濃混合氣，此時發動機發出的功率大，但燃燒不完全，生成的CO、HC多；當混合氣略大於化學當量比時，燃燒效率最高，燃油消耗量低，但生成的NOx也最多；供給稀混合氣時，燃燒速度變慢，燃燒不穩定，使得HC增多。在電控汽油噴射系統中採用閉環控制的方式，將空燃比控制在化學當量比附近，並在排氣系統中消聲器前安裝一個三元催化轉化器，對發動機進行後處理，是當前減少汽車排氣污染物的最有效方法。在化學當量比附近，轉化器的淨化效率最高。

控制方式

為了滿足發動機各種工況的要求，混合氣的空燃比不能都採用閉環控制，而是採用閉環和開環相結合的策略。

主要分為三種控制方式：

冷起動和冷卻水溫度低時通常採用開環控制方式。

由於起動轉速低、冷卻水溫度低、燃油揮發性差，需

對燃油進行一定的補償。混合氣空燃比與冷卻水溫度有關，隨著溫度增加，空燃比逐漸變大。

空燃比

部分負荷和怠速運行時此時可分為兩種情況：

若為了獲得最佳經濟性，可採用開環控制方式，將

空燃比控制在比化學計量比大的稀混合氣狀態下工作。

為了獲得低的排放，並有較好的燃油經濟性，必須

採用電控汽油噴射系統加三元催化轉化器，進行空燃

比閉環控制。

圖中虛線部分為未加三元催化轉化器時，CO、HC和NOx排放濃度與空燃比的關係。實線部分採用三元催化轉化器後CO、HC和NOx與空燃比的關係。從圖中可看出採用三元催化轉化器時只有當空燃比在化學計量比附近很窄範圍內HC、CO和NOx排出濃度均較小。裝有電控汽油噴射發動機採用閉環控制方式，才能使混合氣空燃比嚴格控制在化學計量比附近很窄的範圍內，使三元催化轉化器淨化效率最高。

節氣門全開（WOT）時：

為了獲得最大的發動機功率和防止發動機過熱，採用開環控制，將混合氣空燃比控制在12.5～13.5範圍內。此時發動機內混合氣燃燒速度最快，燃燒壓力最高，因而輸出功率也就越大。

汽油機過渡工況空燃比控制特點

加裝三元催化反應器是電噴汽油機套用較廣泛、技術較成熟的排放控制方案。為了提高三元催化反應劑的淨化效率，必須將空燃比控制在化學當量比附近，即過量空氣係數a=。當汽油機工作在穩定工況時，電控系統通過進氣流量感測器檢測進入氣缸的空氣量，通過控制噴油脈寬來保證空燃比在理論空燃比(a= 1)附近，同時採用氧感測器檢測排氣中的氧濃度，對空燃比進行反饋控制，形成閉環控制系統，消除批量生產在製造、裝配中零部件公差以及環境條件變化造成的空燃比波動。然而當汽油機處於過渡工況時，將空燃比精確控制在理論空燃比( a= 1)附近存在如下技術問題:

（1）氧感測器回響存在遲滯性。氧感測器信號反映了已燃混合氣的濃度狀況，當汽油機節氣門位置突變時，汽油機工況快速變化，氧感測器空燃比反饋控制的回響時間長，來不及對空燃比進行反饋；

（2）節氣門突變時，進氣系統存在動態的充排氣現象，導致經過空氣流量感測器(進氣總管上少的空氣量與實際進入氣缸內的空氣量不相等，使根據進氣量計算出的噴油量出現偏差；

（3）進氣管內油膜動態特性造成空燃比變化。對於多點電噴汽油機，汽油噴射在進氣門附近，一部分汽油以油蒸氣的形式直接進入氣缸，而其餘部分以液態油膜形式沉積在進氣歧管壁面上，同時油膜以某一速率蒸發後進入氣缸。當汽油機節氣門突變時，汽油機轉速發生變化，從而造成以蒸氣直接進入氣缸和以油膜蒸發進入氣缸的汽油量發生變化；

（4）時間順序造成空燃比偏差。一方面，就某一缸而言，噴油過程是在進氣過程之前，因而這時的噴油量是以其它氣缸的進氣量來計算的；另一方面，氧感測器信號是以前工作循環混合氣濃度情況的反映，而汽油機節氣門在迅速開大和關小的過渡過程中，進氣流量發生了較大的變化，因而研究滿足所有工況的空燃比控制策略具有重要意義。