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燃烧工程

化学计量空燃比（理论空燃比）模拟器

碳氢燃料 CxHyOz 完全燃烧时"恰好需要的空气量"的计算工具。改变碳原子数、氢原子数、等当比 φ 后，摩尔基准和质量基准的空燃比、过量空气率、混合气是浓是稀会实时显示。

参数设置
碳原子数 x
燃料1分子中的碳原子数（CH₄为1，C₈H₁₈为8）
氢原子数 y
燃料1分子中的氢原子数（CH₄为4，C₈H₁₈为18）
燃料中的氧原子数 z
纯碳氢燃料为0，甲醇 CH₃OH为1，乙醇为1
等当比 φ
φ=1为理论混合，φ>1为燃料过浓，φ<1为空气过多
燃料的分子量 Mf
g/mol
CH₄:16, C₃H₈:44, C₈H₁₈:114, 柴油≈190
计算结果
—
所需氧气摩尔数 (mol O₂/mol fuel)
—
化学计量空燃比（摩尔）
—
化学计量空燃比（质量）
—
实空燃比（质量）
—
过量空气率 (%)
—
混合气的状态
—
流入燃烧室和理论空燃比指针

从左进入燃料（橙色），从上进入空气（蓝色），在燃烧室混合·燃烧。空气和燃料分子数按实际A/F比缩放，下方仪表以φ=1为中心显示浓/稀。

化学计量空燃比（质量）vs 碳原子数 x（CH₂系列）
实空燃比 vs 等当比 φ
理论·主要公式

$$C_xH_yO_z + \!\left(x+\tfrac{y}{4}-\tfrac{z}{2}\right)\!O_2 \rightarrow xCO_2 + \tfrac{y}{2}H_2O$$

完全燃烧的化学计量式。每摩尔燃料所需的 O₂ 摩尔数 = x + y/4 − z/2。

$$(A/F)_{\text{mol}} = 4.76\!\left(x+\tfrac{y}{4}-\tfrac{z}{2}\right),\qquad (A/F)_{\text{mass}} = (A/F)_{\text{mol}}\cdot\frac{28.97}{M_f}$$

空气按 O₂ 21% + N₂ 79%（摩尔比）计，O₂ 1 mol 对应空气 4.76 mol。质量基准使用空气平均分子量 28.97 g/mol 和燃料分子量换算。

$$(A/F)_{\text{actual}} = \frac{(A/F)_{\text{mass}}}{\varphi},\qquad \text{Excess Air} = \!\left(\frac{1}{\varphi}-1\right)\!\times 100\,[\%]$$

等当比 φ 是"实A/F比"和"理论A/F比"的逆比。φ=1 为理论混合，φ>1 为浓（燃料过多），φ<1 为稀（空气过多）。

化学计量空燃比（理论空燃比）概述

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经常在汽车书上看到"空燃比 14.7"，这到底是什么意思呢？我知道是空气和燃料的比例，但为什么是14.7这么奇怪的数字呢？
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很好的观察。"14.7 kg 空气 + 1 kg 燃料"就是汽油完全燃烧恰好所需的比例。我们叫它化学计量空燃比，或理论空燃比。为什么是14.7呢？汽油（大概是 C₈H₁₈，分子量约114）每1摩尔完全燃烧需要12.5摩尔氧气，而空气是氧气的4.76倍，所以需要约59.5摩尔空气，转换成质量后就是14.7。你试试在参数里输入 CH₄（甲烷），就会看到约17.2，这就是天然气的理论A/F比。
🙋
明白了！那我还看到"φ（斐）"这个符号，它和空燃比有什么区别呢？移动滑块后出现"浓"和"稀"这样的表述…
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φ叫等当比，表示实际的燃料/空气比是理论值的多少倍，是一个无量纲数。φ=1 就是完全按理论值，φ=1.2 表示"比理论多供给2成燃料（浓）"，φ=0.8 表示"比理论少供给2成燃料（稀）"。虽然汽油和天然气的空燃比值差很大，但φ就能用一个统一的尺度来说"相对于理论偏离了多少"，很方便。赛车手说φ≈1.15浓，锅炉工人说φ≈0.9稍稀，日常都在用。
🙋
好像浓可以提功率，稀能省油，那为什么普通汽车还要严格坚持φ=1呢？为什么不为了功率跑浓区呢？
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关键是三元催化器。排气管里的那个催化转换器有个神奇的本事，能同时"氧化"一氧化碳和未燃烃，又能"还原"氮氧化物，但这两个相反的反应只在φ=1附近（误差仅±1%）才能同时进行。一旦偏向浓，未燃的HC和CO就会逃出去；偏向稀，NOx就会超标。所以ECU要靠排气里的O2传感器（lambda传感器）实时检测，以毫秒级精度调整喷油脉宽，让φ在振荡中平均维持在1。这是现代发动机电控的心脏啊。柴油机的催化方案不同（用DPF+SCR），所以不用被φ=1束缚，长期在稀区运行。
🙋
我听说锅炉"略微稀运行"，为什么不按理论值φ=1设定呢？
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因为混合没那么完美。燃烧器的火焰内，燃料和空气还没充分混合就已经着火，某些地方会出现局部缺氧，这样会产生未燃的CO和煤烟。为了防止这种情况，工业锅炉通常比理论值多供10~20%的空气，这就叫"过量空气率10~20%"，用φ来说就是0.83~0.91。但也不能太过量，不然排气带走的热量太多，热效率会下降。最佳点就在这个狭窄的窗口里，通常用O2传感器测排气含氧量来自动调节。家用燃气热水器原理也一样，略微稀一点。
🙋
最近话题是水素发动机，我看到水素的理论A/F比竟然有34.3？那是什么意思呢？
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水素分子量才2，质量上看起来是"用很少的燃料就需要大量空气"的状况。具体是 1 kg 水素需要 34.3 kg 空气来燃烧。但摩尔基准是 H₂ + 0.5 O₂ → H₂O，O₂ 只需0.5摩尔，空气2.38摩尔就够。质量基准的数字大是"水素太轻"的问题。实际水氢发动机常在φ≈0.3~0.5极稀区运行，这是为了利用水素燃烧速度极快、稀混也能稳定着火的特性，根本上抑制NOx生成。这是脱碳时代燃烧工程的最前沿。

常见问答

化学计量空燃比（理论空燃比）是燃料完全燃烧所恰好需要的空气量除以燃料量得到的比值。碳氢燃料 CxHyOz 完全燃烧时，碳全部生成 CO2，氢全部生成 H2O。所需氧气的摩尔数为 x + y/4 − z/2，空气中氧气占 21%、氮气占 79%（摩尔比），所以所需空气的摩尔数为此值的 4.76 倍。质量基准时使用空气平均分子量 28.97 g/mol 和燃料分子量换算。汽油约 14.7、甲烷约 17.2、柴油约 14.5、氢气约 34.3 是典型值。
等当比φ是"实际燃料/空气比"除以"理论燃料/空气比"得到的无量纲量。φ=1 表示恰好理论混合（stoichiometric），φ>1 表示燃料过浓（rich，空气不足），φ<1 表示稀（lean，空气过多）。火花点火发动机为维持三元催化器的工作窗口需严格控制 φ=1，赛车为获取最高功率瞄准 φ≈1.1〜1.2 的浓区，柴油机 φ≈0.2〜0.7 常时稀运行，锅炉 φ≈0.85〜0.9 略微稀运行。
过量空气率按 (1/φ − 1)×100 ％ 计算。φ=1 时为 0 ％（符合理论），φ=0.8 时为 25 ％ 过量空气，φ=1.25 时为 −20 ％（即空气不足）。工业锅炉和炉子为确保完全燃烧通常以 10〜20 ％ 过量空气运行。过量空气太多会带走热量降低热效率，太少会产生未燃CO和煤烟。通常用O2传感器测量排气中的氧气浓度进行持续补正。
火花点火（汽油）发动机坚守 φ=1 的原因不是功率或油耗，而是三元催化器能同时"氧化" CO、HC 并"还原" NOx 的化学计量窗口极其狭窄，仅限于 φ≈0.99〜1.01 附近。排气管中的 O2 传感器（lambda传感器）读取氧气浓度，发动机ECU以毫秒级精度补正喷油脉宽，在振荡中维持平均 φ=1。柴油机采用不同的催化方式（DPF＋SCR），不受 φ=1 约束，出力由燃料量而非空气量控制，因此在 φ<1 的稀区运行。

现实应用

汽油发动机（火花点火）：为维持三元催化器的工作窗口需严格遵守 φ=1。O₂ 传感器不断测量，ECU 毫秒级调整喷油时长，保证平均空燃比 14.7。冷启动时会短暂偏浓（φ≈1.2〜1.4）加速催化器升温，全油门加速也可能短暂运行在最高功率点（φ≈1.1）。

柴油发动机：压缩自燃方式决定了以燃料量而非空气量来控制功率，因此长期运行在稀区（φ≈0.2〜0.7）。理论空燃比约 14.5，但实际空燃比可达 20〜70。由于稀运行时NOx容易超标，需配合 DPF（粒子滤清器）+ 尿素 SCR（选择催化还原）处理排放。此时三元催化器不工作。

工业锅炉·加热炉：考虑混合不完美，通常以过量空气率 10〜20 ％（φ≈0.83〜0.91）运行。通过O₂传感器测排气含氧量，用反馈控制燃料与空气阀门，目标是维持排气 O₂ 浓度 2〜4 ％。过量空气过多时热效率下降，过少时产生CO和煤烟。最新的低过量空气燃烧技术能把O₂ 控制在接近1 ％，大幅提高热效率。

氢气·氨气燃烧：作为脱碳新燃料，氢气（A/F≈34.3）和氨气（A/F≈6.05）正成为研究热点。氢气燃烧速度快、稀混也能稳定，常采用极稀（φ≈0.3〜0.5）以抑制 NOx 生成的策略。氨气反之燃烧缓慢、难以着火，多采用先运行在略浓（φ≈1.05）确保燃烧，再逐步稀化的两段燃烧方案。

常见误区与注意事项

最大的误区是误认为"化学计量空燃比 = 最高功率空燃比"。实际上最高功率出现在 φ≈1.1〜1.2 的略浓区，比化学计量值高出数个百分点。原因是燃烧室内存在局部空气不足的角落，适当加浓燃料能弥补这种不均匀性，平均火焰温度和燃烧速度反而上升。换句话说，φ=1 不是为了功率也不是为了油耗，而是为了排放控制。这一点很关键。

其次，不要误以为"过量空气越多燃烧越完全"。确实极端缺氧会产生 CO 和煤烟，但过度供给空气也会带来问题：(1) 排气热损失增加，热效率下降；(2) 火焰温度降低，燃烧变不稳定，反而 CO 增加；(3) 高温下过剩的 N₂ 和 O₂ 反应生成更多 NOx。最优点就在 φ≈0.85〜0.95 这个狭窄区间，太浓太稀都会让排放恶化。"10~20% 过量空气"这个经验值的来源就在这里。

最后，不要过度理想化"知道燃料组成就能确定理论A/F"这件事。本工具基于 CxHyOz 完全燃烧的理想模型，但实际燃料复杂得多——汽油本身就是 C₄〜C₁₂ 混合物，随季节和辛烷值等级变化；还有掺 E10（10% 乙醇）或 E85，含有硫、氮等杂质，以及 LPG（丙烷+丁烷混合）等特殊燃料。实际空燃比会偏离理论值数个百分点。工程实践中，本工具的计算应视为"设计起点"，最终要靠 O₂ 传感器等实测反馈来闭环调控，才能达到真正可用的参数。

使用指南

  1. 输入碳原子数、氢原子数、氧原子数。例：汽油（辛烷 C8H18）为碳8、氢18、氧0。
  2. 在 0～2 范围内设置等当比（Equivalence Ratio φ）。φ=1.0 为化学计量混合，φ>1.0 时判定为浓，φ<1.0 时判定为稀。
  3. 模拟器运行后，所需氧气摩尔数·化学计量空燃比（摩尔、质量）·过量空气率·混合气状态会实时显示。

具体计算示例

以柴油轻油（C12H23）为例：所需氧气摩尔数为 18.5 mol O₂/mol 燃料，化学计量空燃比（摩尔）为 87.6 mol 空气/mol 燃料。质量基准约为 14.7 kg 空气/kg 燃料。当等当比λ=0.9（稀混合）时，实空燃比为 16.3 kg 空气/kg 燃料，过量空气率 +10.2%。当λ=1.2（浓混合）时，实空燃比为 12.3 kg 空气/kg 燃料，过量空气率 −18.4%。

实际应用中的注意