Sisällysluettelo

• lentopolttoaineen suhdeluvun määritelmä
• lentopolttoaineen suhdeluku formula_1837>
• lentopolttoaineen suhdeluku eri polttoaineiden osalta
• miten stoikiometrinen lentopolttoaineen suhdeluku lasketaan
• Lambda lentopolttoaineen suhdeluku
• ilma-Polttoainesuhde ja moottorin suorituskyky
• ilma-Polttoainesuhteen Laskin
• Lentopolttoainesuhteen vaikutus moottorin päästöihin
• Lambda suljetun kierron palamisohjaus

lentopolttoainesuhteen määritelmä

lämpövoimakoneet käyttävät polttoainetta ja happea (ilmasta) energian tuottamiseen palaminen. Palamisprosessin takaamiseksi palotilaan on syötettävä tietty määrä polttoainetta ja ilmaa. Täydellinen palaminen tapahtuu, kun kaikki polttoaine on poltettu, pakokaasussa ei ole määriä palamatonta polttoainetta.

Lentopolttoainesuhde määritellään palamisvalmisteisen seoksen ilman ja polttoaineen suhteeksi. Jos meillä on esimerkiksi metaanin ja ilman seos, jonka ilman polttoainesuhde on 17,5, se tarkoittaa, että seoksessa on 17,5 kg ilmaa ja 1 kg metaania.

täydellisen palamisen kannalta ihanteellista (teoreettista) ilmapolttoainesuhdetta kutsutaan stoikiometriseksi ilmapolttoainesuhteeksi. Bensiinimoottorissa stoikiometrinen ilmapolttoainesuhde on noin 14,7: 1. Tämä tarkoittaa, että polttaaksemme kokonaan 1 kg polttoainetta, tarvitsemme 14,7 kg ilmaa. Palaminen on mahdollista jopa on AFR on erilainen kuin stoikiometrinen. Jotta polttoprosessi tapahtuisi bensiinimoottorissa, pienin AFR on noin 6:1 ja suurin voi mennä jopa 20:1.

kun lentopolttoaineen suhde on suurempi kuin stoikiometrinen suhde, lentopolttoaineseosta kutsutaan lean: ksi. Kun ilmapolttoainesuhde on pienempi kuin stoikiometrinen suhde, ilmapolttoaineseosta kutsutaan rikkaaksi. Esimerkiksi bensiinimoottorille 16,5:1:n AFR on laiha ja 13,7: 1 on runsas.

Go back

Ilmapolttoaineen suhdeluku formula_1096 >

polttomoottoreissa ilmapolttoaineen suhdeluku (Af tai AFR) määritellään ilmamassan ma ja massapolttoaineen MF suhteeksi, jota moottori käyttää käydessään:

\{AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1}\]

Käänteissuhdetta kutsutaan polttoaineen ja ilman suhteeksi (FA tai FAR) ja se lasketaan seuraavasti:

\

palaa takaisin

Lentopolttoainesuhde eri polttoaineille

alla olevassa taulukossa on nähtävissä stoikiometrinen ilmapolttoainesuhde useille fossiilisille polttoaineille.

polttoaine	kemiallinen kaava	AFR
metanoli	CH3OH	6.47:1
etanoli	C2H5OH	9:1
butanoli	C4H9OH	11, 2:1
Diesel	C12H23	14.5:1
Bensiini	C8H18	14.7:1
propaani	C3H8	15.67:1
metaani	CH4	17.19:1
vety	H2	34.3:1

lähde: wikipedia.org

esimerkiksi polttaaksemme kokonaan 1 kg etanolia, tarvitsemme 9 kg ilmaa ja polttaaksemme 1 kg dieselpolttoainetta, tarvitsemme 14,5 kg ilmaa.

Kipinäsytytysmoottorit toimivat yleensä bensiinillä (bensiini). SI-moottoreiden AFR vaihtelee välillä 12:1 (rich) – 20: 1 (lean) riippuen moottorin käyttökunnosta (lämpötila, nopeus, kuormitus jne.). Nykyaikaiset polttomoottorit toimivat mahdollisimman paljon stoikiometrisen AFR: n ympärillä (lähinnä kaasun jälkikäsittelysyistä). Alla olevassa taulukossa näet esimerkin SI-Moottorin AFR: stä, moottorin kierrosnopeuden ja vääntömomentin toiminnasta.

Puristussytytysmoottorit toimivat yleensä dieselpolttoaineella. Polttoprosessin luonteesta johtuen PURISTUSSYTYTYSMOOTTORIT toimivat aina laihoilla seoksilla, joiden AFR on välillä 18:1-70: 1. Suurin ero SI-moottoreihin verrattuna on se, että PURISTUSSYTYTYSMOOTTORIT toimivat ositetuilla (ei-homogeenisilla) ilmapolttoaineseoksilla, kun taas si-moottorit toimivat homogeenisilla seoksilla (jos kyseessä ovat porttiruiskutusmoottorit).

yllä olevaan taulukkoon merkitään Scilab-skripti ja luodaan ääriviivat.

EngSpd_rpm_X = ;EngTq_Nm_Y = ;EngAFR_rat_Z = ;contour(EngSpd_rpm_X,EngTq_Nm_Y,EngAFR_rat_Z',30)xgrid()xlabel('Engine speed ')ylabel('Engine torque ')title('x-engineer.org')

yllä olevien Scilab-ohjeiden suorittaminen luo seuraavan ääriviivat:

palaa taaksepäin

miten stoikiometrinen lentopolttoainesuhde lasketaan

jotta voidaan ymmärtää, miten stoikiometrinen lentopolttoainesuhde lasketaan, meidän on tarkasteltava polttoaineen palamisprosessia. Palaminen on pohjimmiltaan kemiallinen reaktio (kutsutaan hapetus), jossa polttoaine sekoitetaan happea ja tuottaa hiilidioksidia (CO2), vettä (H2O) ja energiaa (lämpö). Ota huomioon, että jotta hapetusreaktio tapahtuu, tarvitsemme aktivointienergiaa (kipinä tai korkea lämpötila). Myös nettoreaktio on hyvin eksoterminen (lämmön vapautuessa).

\{kipinä \text {(SI)}} \text{hiilidioksidi} + \text{vesi} + \text{Energia}\]
Esimerkki 1. Paremman ymmärryksen saamiseksi tarkastellaan metaanin hapettumisreaktiota. Tämä on melko yleinen kemiallinen reaktio, sillä metaani on maakaasun pääkomponentti (osuus noin 94 %).

Vaihe 1. Kirjoita kemiallinen reaktio (hapetus)

\

Vaihe 2. Tasapainota yhtälö

\

Vaihe 3. Merkitään kunkin atomin standardipaino

\

Vaihe 4. Lasketaan polttoaineen massa, joka on 1 mol metaania, joka koostuu 1 hiiliatomista ja 4 atomista vetyä.

\

Vaihe 5. Lasketaan hapen massa, joka koostuu 2 moolista, joista jokainen mol koostuu 2 happiatomista.

\

Vaihe 6. Lasketaan tarvittava ilman massa, joka sisältää lasketun hapen massan, ottaen huomioon, että ilma sisältää noin 21% happea.

\

Vaihe 7. Lasketaan lentopolttoainesuhde yhtälön avulla(1)

\

metaanille laskettu AFR ei ole kirjallisuudessa tarkasti määritelty. Ero saattaa tulla siitä, että esimerkissämme teimme useita oletuksia (ilma sisältää vain 21% happea, palamistuotteet ovat vain hiilidioksidia ja vettä).
Esimerkki 2. Samaa menetelmää voidaan soveltaa bensiinin polttamiseen. Koska bensiini koostuu iso-oktaanista (C8H18), lasketaan bensiinin stoikiometrinen ilmapolttoainesuhde.

Vaihe 1. Kirjoita kemiallinen reaktio (hapetus)

\

Vaihe 2. Tasapainota yhtälö

\

Vaihe 3. Merkitään kunkin atomin standardipaino

\

Vaihe 4. Lasketaan polttoaineen massa, joka on 1 mol iso-oktaania, joka koostuu 8 atomista hiiltä ja 18 atomista vetyä.

\

Vaihe 5. Lasketaan hapen massa, joka koostuu 12,5 moolista, joista jokainen mol koostuu 2 happiatomista.

\

Vaihe 6. Lasketaan tarvittava ilman massa, joka sisältää lasketun hapen massan, ottaen huomioon, että ilma sisältää noin 21% happea.

\

Vaihe 7. Lasketaan lentopolttoainesuhde yhtälön avulla(1)

\

bensiinin laskennallinen stoikiometrinen polttoainesuhde on jälleen hieman erilainen kuin kirjallisuudessa esitetty. Näin ollen tulos on hyväksyttävä, koska teimme paljon oletuksia (bensiini sisältää vain iso-oktaania, ilma sisältää vain happea suhteessa 21 %, ainoat palamistuotteet ovat hiilidioksidi ja vesi, palaminen on ihanteellinen).

palaa takaisin

Lambda – ilmapolttoainesuhde

olemme nähneet, mikä on ja miten lasketaan stoikiometrinen (ihanteellinen) lentopolttoainesuhde. Todellisuudessa polttomoottorit eivät toimi aivan ideaalisella AFR: lla, vaan arvoilla, jotka ovat lähellä sitä. Siksi meillä on ihanteellinen ja todellinen ilmapolttoaineen AFR-suhde. Todellisen ilmapolttoainesuhteen (AFRactual) ja ideaalisen/stoikiometrisen ilmapolttoainesuhteen (AFRideal) välistä suhdetta kutsutaan ekvivalenssiksi ilmapolttoainesuhteeksi tai lambda (λ).

\{\lambda = \frac{AFR_{actual}}{AFR_{ideal}}} \tag{3}\]

esimerkiksi bensiinimoottorin ideaalinen ilmapolttoainesuhde on 14,7: 1. Jos todellinen / todellinen AFR on 13,5, ekvivalenssikerroin lambda on:

\

riippuen Lambdan arvosta, Moottorin kerrotaan toimivan laihalla, stoikiometrisellä tai runsaalla ilmapolttoaineseoksella.

Ekvivalenssikerroin	Lentopolttoaineseoksen tyyppi	kuvaus
λ < 1.00	rikas	ei ole tarpeeksi ilmaa polttaakseen täysin polttoaineen määrän; palamisen jälkeen pakokaasuissa on palamatonta polttoainetta
λ = 1,00	stoikiometrinen (ideaali)	ilman massa on tarkka polttoaineen täydelliselle palamiselle; palamisen jälkeen pakokaasussa ei ole ylimääräistä happea eikä palamatonta polttoainetta
λ > 1.00	Laihia	happea on enemmän kuin tarvitaan polttamaan polttoainemäärä kokonaan; palamisen jälkeen pakokaasuissa on ylimääräistä happea

polttoainetyypistä (bensiini tai diesel) ja ruiskutustyypistä (suora tai epäsuora) riippuen polttomoottori voi toimia laihoilla, stoikiometrisillä tai runsailla ilmapolttoaineseoksilla.

esimerkiksi Fordin Ecoboost 3-sylinterinen moottori käy stoikiometrisellä ilmapolttoainesuhteella joutokäynnin ja keskimoottorin kierrosnopeuden ja täyden kuormitusalueen välillä sekä runsaalla ilmapolttoaineseoksella suurella nopeudella ja kuormituksella. Syy siihen, miksi se toimii runsaalla seoksella suurella moottorin kierrosnopeudella ja kuormituksella, on moottorin jäähdytys. Lisäpolttoaine (joka jää palamatta) ruiskutetaan absorboimaan lämpöä (haihduttamalla), mikä alentaa näin palotilan lämpötilaa.

puristussytytteinen (diesel) moottori käy koko ajan kevytilmapolttoaineseoksella, jonka ekvivalenssikertoimen arvo (λ) riippuu moottorin toimintapisteestä (nopeus ja vääntömomentti). Syynä tähän on dieselmoottorin toimintaperiaate: kuorman ohjaaminen ei ilmamassan (joka on aina liikaa) vaan polttoainemassan (ruiskutusaika) avulla.

muista, että stoikiometrinen ekvivalenssikerroin (λ = 1,00) tarkoittaa bensiinimoottoreille 14,7:1 ja dieselmoottoreille 14,5:1.

palaa takaisin

Lentopolttoainesuhde ja moottorin suorituskyky

moottorin teho tehon ja polttoaineen kulutuksen suhteen riippuu suuresti lentopolttoainesuhteesta. Bensiinimoottorille pienin polttoaineenkulutus saadaan lean AFR: ssä. Tärkein syy on, että on tarpeeksi happea saatavilla polttaa kokonaan kaikki polttoaine, joka merkitsee mekaanista työtä. Toisaalta maksimiteho saadaan runsailla ilmapolttoaineseoksilla. Kuten edellä on selitetty, laittamalla enemmän polttoainetta sylinteriin suurella moottorin kuormituksella ja nopeudella, jäähdyttää polttokammion (polttoaineen haihtumisella ja lämmön absorptiolla), jonka avulla moottori tuottaa suurimman moottorin vääntömomentin siten maksimitehon.

yllä olevasta kuvasta näkyy, että samalla ilmanpolttoainesuhteella emme saa moottorin maksimitehoa ja pienintä polttoaineenkulutusta. Pienin polttoaineenkulutus (paras polttoainetalous) saadaan lean air-polttoaineseoksilla, joiden AFR on 15,4:1 ja ekvivalenssikerroin (λ) on 1,05. Moottorin suurin teho tuotetaan rikkailla ilmapolttoaineseoksilla, joiden AFR on 12,6: 1 ja ekvivalenssikerroin (λ) 0,86. Stoikiometrisellä ilmapolttoaineseoksella (λ = 1) voidaan saavuttaa kompromissi Moottorin suurimman tehon ja polttoaineen vähimmäiskulutuksen välillä.

Puristussytytysmoottorit (dieselmoottorit) toimivat aina kevyen ilman polttoaineseoksilla (λ > 1,00). Suurin osa nykyaikaisista dieselmoottoreista käy λ: llä välillä 1,65-1,10. Suurin hyötysuhde (pienin polttoaineenkulutus) saadaan noin λ = 1,65. Polttoaineen määrän kasvattaminen tämän arvon yläpuolelle (menemällä kohti 1,10: tä) tuottaa enemmän nokea (palamattomia polttoainehiukkasia).

on mielenkiintoinen tutkimus, jonka R. Douglas teki 2-tahtimoottoreista. Väitöskirjassaan ”Closed Cycle Studies of a Two-Stroke Cycle Engine” R. Douglas esittää ekvivalenssikertoimen (λ) palamistehokkuuden (ηλ) funktion matemaattisen lausekkeen.

kipinäsytytteisille (bensiinimoottoreille), joiden ekvivalenssikerroin on 0,80-1.20, palamistehokkuus on:

\

puristussytytyksessä (dieselmoottori), jonka ekvivalenssikerroin on välillä 1,00-2,00, palamistehokkuus on:

\

dieselmoottoreissa, jos ekvivalenssikerroin menee yli 2,00, palamistehokkuus on suurin (1,00 tai 100%).

Voimme käyttää Scilab-kirjoitusta kuvaamaan ekvivalenssikertoimen palamistehokkuusfunktion vaihtelua.

lmbd_g = ;lmbd_d = ;eff_lmbd_g = -1.6082+4.6509*lmbd_g-2.0746*lmbd_g.^2;eff_lmbd_d = -4.18+8.87*lmbd_d-5.14*lmbd_d.^2+lmbd_d.^3;plot(lmbd_g,eff_lmbd_g,'b','LineWidth',2)holdplot(lmbd_d,eff_lmbd_d,'r','LineWidth',2)xgrid()xlabel('$\lambda \text{ }$')ylabel('$\eta_{\lambda} \text{ }$')title('x-engineer.org')legend('gasoline','diesel',4)

yllä olevien Scilab-ohjeiden ajaminen tuottaa seuraavan graafisen ikkunan.

kuten näette, puristussytytysmoottorin (diesel) palamistehokkuus stoikiometrisellä ilmapolttoainesuhteella on hyvin alhainen. Paras palamistehokkuus saadaan asteikolla λ = 2,00 dieselmoottoreille ja λ = 1,12 kipinäsytytysmoottoreille (bensiini).

mene takaisin

lentopolttoaineen suhdelaskin

ma	polttoainetyyppi lasketaan	λ
mf		ηλ

Huomautus: palamistehokkuus lasketaan vain dieselöljylle ja bensiinille yhtälöillä (4) ja (5). Muiden polttoaineiden osalta ei ole käytettävissä palamistehokkuuslaskelmaa (NA).

palaa takaisin

lentopolttoainesuhteen vaikutus moottorin päästöihin

polttomoottorin pakokaasupäästöt riippuvat suuresti lentopolttoainesuhteesta (ekvivalenssikertoimesta). Suurimmat pakokaasupäästöt jäässä on esitetty alla olevassa taulukossa.

pakokaasupäästöt	kuvaus
CO	hiilimonoksidi
HC	hiilivety
NOx	typen oksidit
Noki	palamattomat polttoainehiukkaset

bensiinimoottorissa CO -, HC-ja NOx-pakokaasupäästöihin vaikuttaa voimakkaasti ilman polttoainesuhde. CO – ja HC tuotetaan pääasiassa runsaalla ilmapolttoaineseoksella, kun taas NOx vähärasvaisilla seoksilla. Ei siis ole olemassa kiinteää ilma-polttoaineseosta, jolle voisimme saada minimin kaikille pakokaasupäästöille.

kolmitiekatalysaattorin (TWC), jota käytetään bensiinimoottoreissa, hyötysuhde on suurin silloin, kun moottori toimii kapealla kaistalla stoikiometrisen ilmapolttoaineen suhteen ympärillä. TWC muuntaa välillä 50 … 90% hiilivetyjä ja 90 … 99 % hiilimonoksidia ja typen oksideja, kun moottori käy λ = 1.00.

palaa

Lambda closed-loop combustion control

pakokaasupäästöjä koskevien säädösten täyttämiseksi polttomoottoreiden (erityisesti bensiinin) on tärkeää säädellä tarkasti lentopolttoainesuhdetta. Siksi kaikissa nykyaikaisissa polttomoottoreissa on suljetun kierron ohjaus ilmanpolttoainesuhteelle (lambda).

1. ilmamassavirtausanturi
2. primäärikatalysaattori
3. sekundäärikatalysaattori
4. polttoainesuutin
5. alavirtaan lambda (happi) – anturi
6. alavirtaan lambda (happi) – anturi
7. polttoaineen syöttöpiiri
8. imusarja
9. pakosarja

järjestelmän toiminnan kannalta kriittinen komponentti on Lambda (happi) – anturi. Tämä anturi mittaa Pakokaasun happimolekyylien tason ja lähettää tiedot moottorin elektroniseen ohjausyksikköön (ECU). Happianturin lukeman arvon perusteella bensiinimoottori ECU säätää polttoainemassan tasoa, jotta ilman polttoainesuhde pysyisi stoikiometrisen tason (λ = 1,00) ympärillä.

esimerkiksi (bensiinimoottorit), jos happimolekyylien taso ylittää stoikiometrisen tason (siksi meillä on laiha seos), seuraavalla ruiskutussyklillä ruiskutetun polttoaineen määrää lisätään ylimääräisen ilman hyödyntämiseksi. Muista, että moottori siirtyy aina vähärasvaisesta seoksesta runsaaseen seokseen ruiskutusjaksojen välillä,jolloin saadaan ”keskimääräinen” stoikiometrinen ilma-polttoaineseosten suhde.

dieselmoottoreissa lambda-ohjaus suoritetaan eri tavalla, koska se kulkee aina laihalla ilmapolttoainesuhteella. Päätavoite on edelleen sama, pakokaasupäästöjen hallinta.