摘要： 过量空气系数是反映燃料与空气配合比的核心参数，直接关系到柴油发电机的燃烧效率、经济性和排放水平。本文系统阐述过量空气系数的定义与计算公式，介绍非增压四冲程柴油机该系数的测定实验原理、步骤与要求，并基于实验数据分析α值对缸内压力、燃烧过程及排放特性的影响规律，为运行优化提供理论依据。
一、 过量空气系数的定义与计算原理
过量空气系数亦称“过剩空气系数”或“空气过剩系数”，俗称“余气系数”，指柴油发电机实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比，是反映燃料与空气配合比的重要参数，常用符号“α”表示。在柴油机燃烧室中，为使燃料尽可能完全燃烧，实际供入的空气量总要大于理论空气量（其超出部分称为“过剩空气量”），即过量空气系数必须大于1。但燃烧理论与运行经验表明，α过大或过小都对燃烧不利，不同燃烧设备各有其最佳的过量空气系数值。
1. 过量空气系数的基本定义
燃烧过量空气系数α为燃料燃烧时实际空气量与理论空气量的比值，也就是我们常说的“空燃比”。空燃比与柴油机性能的关系在于它并非恒定值，而是随负荷变化的“变空燃比”原理。这种变化，直接牵动着动力、油耗和排放这三项核心性能，其曲线如图1所示。
若每循环实际供入的空气量为mg，每循环喷入气缸的油量为mf，则α的数学表达式为：
经换算得：
其中各参数含义如下：ms为进气管空气流量（kg/s），φs为扫气系数，μa为空气分子量（μa=28.96），L0为理论空气量（L0=0.495 kmol/kg），Δm为消耗的燃油量（g），t为燃烧Δm油所用的时间（s）。
图1 柴油机空燃比与性能关系曲线图
2. 非增压四冲程柴油机的简化计算
对于非增压四冲程柴油机，扫气系数φs=1.0，因此α的表达式可简化为仅与进气管空气流量、燃油消耗量及时间相关的函数形式：
通过实测进气流量、燃油消耗量及对应时间，即可计算出该工况下的过量空气系数值，其曲线如图2所示。这一简化为实验测定提供了直接的测量路径。
图2 柴油机过量空气系数曲线图
3. α值对燃烧过程的物理意义
过量空气系数的大小直接反映了混合气浓度。
（1）α值接近1时表示混合气接近化学计量比，燃烧温度高、火焰传播速度快；
（2）α值显著大于1时表示混合气偏稀，燃烧温度降低、放热速率减缓；
（3）α值小于1时则表示空气量不足，燃料无法完全燃烧，产生大量碳烟和一氧化碳。柴油机通常设计在α>1的富氧条件下运行，以保证完全燃烧。
简单来说，过量空气系数（α）或氧气浓度的变化，会直接导致NOx和碳烟此消彼长。 图3中的“O₂浓度”实际上就对应了α的大小（氧气浓度越高，α越大）。
图2 柴油机过量空气系数燃料性质
二、 过量空气系数测定实验
为定量掌握过量空气系数与柴油机工况之间的关系，可通过台架实验测定不同负荷下的α值，并分析其变化规律。
1. 实验目的与要求
本实验旨在使学生或技术人员掌握非增压柴油机燃烧过量空气系数的测定方法，并深入了解柴油机负荷变化对燃烧过量空气系数的影响规律。
（1）测定方法掌握。通过实际操作，学习使用空气测量计、自动油耗测量仪等设备获取计算α值所需的原始参数，理解从测量到计算的完整处理流程。
（2）负荷影响规律认识。通过设定不同负荷工况点（100%、80%、50%），观察并记录α值随负荷降低的变化趋势，建立负荷与混合气浓度的定性关系。
2. 实验设备与仪表
实验所需主要设备与仪表包括：柴油发电机组（实验对象）、水力测功器（用于加载和测量功率）、自动油耗测量仪（测量燃油消耗量Δm及对应时间t）、空气测量计（测量进气管空气流量ms）、气压计（测定环境大气压力p0）、干湿温度计（测量进气温度和湿度，用于空气密度修正）。
3. 实验操作步骤
实验须按规范流程进行，以确保数据准确性和设备安全。
（1）启动与暖机。盘车检查柴油发电机各部件与系统是否正常，确认无误后启动机组，空车运转5分钟，使机油温度和冷却液温度达到稳定状态。
（2）额定工况数据采集。将柴油发电机调整至标定转速与额定负荷，稳定运行后测量并记录各参数（进气流量、燃油消耗量、运行时间、环境温湿度及大气压力）。
（3）变负荷数据采集。保持柴油发电机转速不变，依次将负荷降低至80%和50%，每一工况点稳定后分别测量并记录相应参数。
（4）停机与数据整理。卸去全部负荷，令柴油发电机空负荷运转数分钟后停机。整理实验数据并填入自行设计的记录表格。
三、 α值变化对柴油机性能与排放的影响规律
通过实验数据分析和理论综合，可归纳出过量空气系数α在不同取值范围内对柴油机燃烧特性、经济性指标和排放产物影响的系统规律。
1. 对燃烧过程与缸内参数的影响
过量空气系数的变化直接改变了缸内混合气的浓度分布和燃烧反应速率。
（1）缸内最大压力的变化。在保持柴油发电机空气量不变的情况下，随着α的加大，每循环喷入的燃油量相对减少，但充足的氧气供应使燃烧更为完全，缸内最大燃烧压力相应提高。当α继续增大至较高值时，由于混合气过稀，燃烧速率下降，最大压力将转而降低。
（2）燃烧持续期与循环变动。随着α的加大，滞燃期和主燃期延长，放热率降低，燃烧中心后移。同时，过稀混合气导致火焰传播不稳定，燃烧循环变动系数增大，直至达到熄火极限。因此，α值并非越大越好，存在一个保证稳定燃烧的上限。
2. 对排放产物的影响
过量空气系数对柴油机主要排放物的生成浓度有显著影响。
（1）NOx排放的变化。在α达到1.1以后，随其逐渐加大，缸内燃烧温度下降，NOx的生成速率和生成量显著降低。这是因为NOx的生成对温度极为敏感，温度降低可有效抑制热力型NOx的形成。
（2）CO和HC排放的变化。同样在α超过1.1后，随着过量空气系数的继续加大，充足的氧气供给促进了CO和未燃HC的进一步氧化，两者的排放浓度均呈现下降趋势。但需注意，若α过大导致燃烧温度过低，HC排放反而可能因淬熄效应而重新上升。
3. 经济性最佳α值区间
过量空气系数对柴油机燃料经济性有直接影响，存在最优取值范围。
（1）比气耗最小的α区间。实验结果表明，在α=1.1至1.2范围内，柴油发电机的比气耗（单位功率的耗气量）达到最小值，即经济性最佳。这一区间代表了空气利用率与燃烧效率的最佳平衡点。
（2）稀薄燃烧发动机的综合优化。对于稀薄燃烧天然气柴油发电机，其各个工况均存在最佳的α值。在该最佳α值下，NOx、CO和HC排放均保持在较低水平，同时比气耗较低、排气温度偏低，意味着机组的排放性能、经济性和运行可靠性俱佳。实际运行中应根据负载变化动态调整α值，使其尽量接近最佳区间。
总结
过量空气系数α是表征柴油发电机混合气浓度的核心参数，直接关联燃烧效率、动力输出及排放水平。其测定依赖于进气管空气流量、燃油消耗量及时间的精确测量，非增压四冲程柴油机因扫气系数为1.0而简化了计算过程。实验研究表明，α值对缸内最大压力、燃烧持续期及循环变动均有显著影响：在α=1.1至1.2区间发动机比气耗最低、经济性最佳，超过1.1后NOx、CO和HC排放均随α增大而降低。掌握α值的测定方法和影响规律，对于指导柴油发电机组的运行优化、燃烧调整及排放控制具有重要的工程实践意义。
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