Tartalomjegyzék
- levegő üzemanyag arány meghatározás
- levegő üzemanyag arány formula
- levegő üzemanyag arány különböző üzemanyagok
- hogyan sztöchiometrikus levegő üzemanyag arány kiszámítása
- Lambda levegő üzemanyag arány
- levegő üzemanyag arány és a motor teljesítményét
- levegő üzemanyag arány kalkulátor
- hatása levegő üzemanyag arány a motor károsanyag-kibocsátása
- Lambda zárt hurkú égésszabályozás
levegő üzemanyag arány meghatározása
termikus motorok üzemanyag és oxigén (a levegő), hogy energiát termel a levegő égés. Az égési folyamat biztosítása érdekében bizonyos mennyiségű tüzelőanyagot és levegőt kell az égéstérbe juttatni. A teljes égés akkor történik, amikor az összes üzemanyagot elégetik, a kipufogógázban nem lesz elégetlen üzemanyag.
levegő-üzemanyag arány az égésre előkészített keverék levegő-üzemanyag arányának meghatározása. Például, ha van egy metán és levegő keverékünk, amelynek a levegő üzemanyag aránya 17,5, ez azt jelenti, hogy a keverékben 17,5 kg levegő és 1 kg metán van.
az ideális (elméleti) levegő-üzemanyag arányt a teljes égéshez sztöchiometrikus levegő-üzemanyag aránynak nevezzük. Benzin (benzin) motor esetén a sztöchiometrikus levegő üzemanyag arány 14,7:1 körül van. Ez azt jelenti, hogy 1 kg üzemanyag teljes elégetéséhez 14,7 kg levegőre van szükségünk. Az égés akkor is lehetséges, ha az AFR eltér a sztöchiometriától. Ahhoz, hogy az égési folyamat benzinmotorban történjen, a minimális AFR 6:1 körül van, a maximális pedig 20:1-ig terjedhet.
ha a levegő üzemanyag aránya magasabb, mint a sztöchiometrikus arány, akkor a levegő üzemanyag keverékét soványnak nevezzük. Ha a levegő üzemanyag aránya alacsonyabb, mint a sztöchiometrikus arány, akkor a levegő üzemanyag keverékét gazdagnak nevezzük. Például egy benzinmotor esetében a 16,5:1 AFR sovány, a 13,7:1 pedig gazdag.
vissza
levegő üzemanyag arány formula
a belső égésű motorok esetében a levegő üzemanyag arány (AF vagy AFR) A levegő ma és MF üzemanyag tömegének aránya, amelyet a motor járáskor használ:
\{AFR = \frac{m_a}{m_f}}\ tag{1}\]
az inverz arányt üzemanyag-levegő aránynak (FA vagy FAR) nevezik, és a következőképpen számítják ki:
\
menj vissza
levegő-üzemanyag arány különböző tüzelőanyagokhoz
az alábbi táblázatban láthatjuk a sztöchiometrikus levegő-üzemanyag arányt több fosszilis tüzelőanyaghoz.
| üzemanyag | kémiai képlet | AFR |
| metanol | CH3OH | 6.47:1 |
| etanol | C2H5OH | 9:1 |
| Butanol | C4H9OH | 11, 2:1 |
| Dízel | C12H23 | 14.5:1 |
| Benzin | C8H18 | 14.7:1 |
| propán | C3H8 | 15.67:1 |
| metán | CH4 | 17.19:1 |
| hidrogén | H2 | 34.3:1 |
forrás: wikipedia.org
például 1 kg etanol teljes elégetéséhez 9 kg levegőre, 1 kg dízel üzemanyag elégetéséhez pedig 14,5 kg levegőre van szükségünk.
a szikragyújtású (SI) motorok általában benzin (benzin) üzemanyaggal működnek. Az SI motorok AFR-je a 12:1 (rich) és 20:1 (lean) tartományon belül változik, a motor működési állapotától függően (hőmérséklet, sebesség, terhelés stb.). A Modern belső égésű motorok a lehető legnagyobb mértékben működnek a sztöchiometrikus AFR körül (főleg gáz utókezelési okokból). Az alábbi táblázatban látható egy példa az SI motor AFR-jére, a motor fordulatszámának és nyomatékának függvényére.
kép: Példa a motor fordulatszámának és nyomatékának
kompressziós gyújtású (Ci) motorjai általában dízel üzemanyaggal működnek. Az égési folyamat jellegéből adódóan a kompressziós gyújtású motorok mindig sovány keverékekkel működnek, AFR értékük 18:1 és 70:1 között van. A fő különbség az SI motorokkal összehasonlítva az, hogy a CI motorok rétegzett (nem homogén) levegő-üzemanyag keverékekkel, míg az SI homogén keverékekkel működnek (port-befecskendező motorok esetén).
a fenti táblázatot egy Scilab szkriptbe írja be, és egy kontúrrajzot generál.
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')
a fenti Scilab utasítások futtatásával a következő kontúrrajz jön létre:
kép: levegő üzemanyag kontúr telek Scilab
menj vissza
hogyan sztöchiometrikus levegő üzemanyag arány kiszámítása
annak érdekében, hogy megértsük, hogyan sztöchiometrikus levegő üzemanyag arány kiszámítása, meg kell nézni az égési folyamat az üzemanyag. Az égés alapvetően egy kémiai reakció (úgynevezett oxidáció), amelyben az üzemanyag oxigénnel keveredik, és szén-dioxidot (CO2), vizet (H2O) és energiát (hőt) termel. Vegye figyelembe, hogy az oxidációs reakció bekövetkezéséhez aktiválási energiára (szikra vagy magas hőmérséklet) van szükségünk. Ezenkívül a nettó reakció erősen exoterm (hőkibocsátással).
\ {spark \ text {(SI)}} \text{szén-dioxid} + \text{víz} + \text{energia}\]
1.példa. A jobb megértés érdekében nézzük meg a metán oxidációs reakcióját. Ez egy meglehetősen gyakori kémiai reakció, mivel a metán a földgáz elsődleges összetevője (körülbelül 94% – os arányban).
1.lépés. Írja be a kémiai reakciót (oxidáció)
\
2.lépés. Egyensúlyozza ki a
\
egyenletet 3. lépés. Írja le az egyes atomok standard atomtömegét
\
4. lépés. Számítsuk ki az üzemanyag tömegét, amely 1 mol metán, amely 1 atom szénből és 4 Atom hidrogénből áll.
\
5. lépés. Számítsa ki az oxigén tömegét, amely 2 molból áll, mindegyik mol 2 oxigénatomból áll.
\
6. lépés. Számítsa ki a szükséges levegőtömeget, amely tartalmazza a számított oxigéntömeget, figyelembe véve, hogy a levegő körülbelül 21% oxigént tartalmaz.
\
7. lépés. Számítsa ki a levegő üzemanyag arányát az egyenlet segítségével (1)
\
a metán számított AFR-je nem pontosan az irodalomban meghatározott. A különbség abból származhat, hogy példánkban több feltételezést tettünk (a levegő csak 21% oxigént tartalmaz, az égés termékei csak szén-dioxid és víz).
2. példa. Ugyanez a módszer alkalmazható a benzin égetésére is. Figyelembe véve, hogy a benzin iso-oktánból (C8H18) áll, számítsa ki a benzin sztöchiometrikus levegő üzemanyag arányát.
1.lépés. Írja be a kémiai reakciót (oxidáció)
\
2.lépés. Egyensúlyozza ki a
\
egyenletet 3. lépés. Írja le az egyes atomok standard atomtömegét
\
4. lépés. Számítsuk ki az üzemanyag tömegét, amely 1 mol izooktán, amely 8 Atom szénből és 18 Atom hidrogénből áll.
\
5. lépés. Számítsa ki az oxigén tömegét, amely 12,5 mólból áll, mindegyik mol 2 oxigénatomból áll.
\
6. lépés. Számítsa ki a szükséges levegőtömeget, amely tartalmazza a számított oxigéntömeget, figyelembe véve, hogy a levegő körülbelül 21% oxigént tartalmaz.
\
7. lépés. Számítsa ki a levegő üzemanyag arányát az egyenlet segítségével (1)
\
ismét a benzin számított sztöchiometrikus levegő üzemanyag-aránya kissé eltér az irodalomban megadottól. Így az eredmény elfogadható, mivel sok feltételezést tettünk (a benzin csak iso-oktánt tartalmaz, a levegő csak 21% – os oxigént tartalmaz, az egyetlen égéstermék a szén-dioxid és a víz, az égés ideális).
menj vissza
Lambda levegő üzemanyag arány
láttuk, mi és hogyan kell kiszámítani a sztöchiometrikus (ideális) levegő üzemanyag arány. A valóságban a belső égésű motorok nem pontosan az ideális AFR-rel működnek, hanem a hozzá közeli értékekkel. Ezért lesz egy ideális és egy tényleges levegő üzemanyag AFR Arány. A tényleges levegő-üzemanyag arány (Afraktuális) és az ideális/sztöchiometrikus levegő-üzemanyag arány (Afrideális) közötti arányt ekvivalencia levegő-üzemanyag aránynak vagy lambda-nak (Ft) nevezzük.
\ {\lambda = \ frac{AFR_{actual}}{AFR_{ideal}}} \ tag{3}\]
például egy benzin (benzin) motor ideális levegő-üzemanyag aránya 14,7: 1. Ha a tényleges / valós AFR 13,5, akkor a lambda ekvivalenciatényezője:
\
a lambda értékétől függően a motornak azt kell mondania, hogy sovány, sztöchiometrikus vagy gazdag levegő-üzemanyag-keverékkel működjön.
| Egyenértékűségi tényező | Levegő-üzemanyag keverék típus | Leírás |
| λ < 1.00 | Gazdag | Nincs elég levegő, hogy éget teljesen az üzemanyag mennyisége; miután égésű van, el nem égetett üzemanyag a kipufogó gázok |
| λ = 1.00 | Sztöchiometriai (ideális) | A tömeg levegő pontos a teljes égés az üzemanyag; miután égésű nincs többlet oxigén a kipufogógáz pedig nem, el nem égetett üzemanyag |
| λ > 1.00 | Sovány | több az oxigén, mint a szükséges égési teljesen az üzemanyag mennyisége; égés után felesleges oxigén van a kipufogógázokban |
az üzemanyag típusától (benzin vagy dízel) és a befecskendezés típusától (közvetlen vagy közvetett) függően a belső égésű motor működhet sovány, sztöchiometrikus vagy gazdag levegős üzemanyag-keverékekkel.
kép: Ecoboost 3 hengeres közvetlen befecskendezésű benzinmotor(lambda térkép)
hitel: Ford
például a Ford Ecoboost 3 hengeres motor sztöchiometrikus levegő üzemanyag arány alapjáraton közepes motorfordulatszám és a teljes terhelési tartomány, és a gazdag levegő üzemanyag keverék nagy sebességgel és terhelés. Ennek oka, hogy gazdag keverékkel fut nagy motorfordulatszámon és terhelésen, a motor hűtése. A további üzemanyagot (amely égetlen marad) befecskendezik a hő elnyelésére (párolgás útján), így csökkentve az égéstér hőmérsékletét.
kép: dízelmotor (lambda térkép)
hitel: wtz.de
a kompressziós gyújtású (dízel) motor folyamatosan üzemel sovány levegős üzemanyag-keverékkel, az egyenértékűségi tényező értéke ( ^ ) a motor működési pontjától (fordulatszám és nyomaték) függően. Ennek oka a dízelmotor működési elve: a terhelés szabályozása nem a légtömegen keresztül (amely mindig meghaladja), hanem az üzemanyag tömegén keresztül (befecskendezési idő).
ne feledjük, hogy a sztöchiometrikus ekvivalenciatényező (6,00) benzinmotoroknál 14,7:1, dízelmotoroknál 14,5:1 levegő-üzemanyag arányt jelent.
vissza
levegő üzemanyag arány és a motor teljesítménye
a motor teljesítménye a teljesítmény és az üzemanyag-fogyasztás szempontjából nagymértékben függ a levegő üzemanyag arányától. Benzinmotor esetében a legalacsonyabb üzemanyag-fogyasztást a lean AFR-nél érik el. Ennek fő oka az, hogy elegendő oxigén áll rendelkezésre az összes üzemanyag teljes elégetéséhez, ami mechanikai munkát jelent. Másrészt a maximális teljesítményt gazdag levegő-üzemanyag-keverékekkel érik el. Amint azt korábban kifejtettük, a nagyobb motorterhelés és fordulatszám mellett több üzemanyag kerül a hengerbe, lehűti az égésteret (az üzemanyag elpárolgása és a hőelnyelés révén), ami lehetővé teszi a motor számára a maximális motornyomaték, így a maximális teljesítmény előállítását.
kép: a motor teljesítménye és üzemanyag-fogyasztása a levegő üzemanyag-arányának funkciója (lambda)
a fenti ábrán látható, hogy nem tudjuk elérni a motor maximális teljesítményét és a legalacsonyabb üzemanyag-fogyasztást ugyanolyan levegő-üzemanyag arány mellett. A legalacsonyabb üzemanyag-fogyasztást (a legjobb üzemanyag-fogyasztást) sovány levegős üzemanyag-keverékekkel érik el, AFR értéke 15,4:1, ekvivalenciatényezője (ons) 1,05. A maximális motorteljesítményt gazdag levegős üzemanyag-keverékekkel állítják elő, AFR értéke 12,6: 1, ekvivalenciaérték-tényező (0,86). Sztöchiometrikus levegő-üzemanyag keverékkel (6 = 1) kompromisszum van a motor maximális teljesítménye és a minimális üzemanyag-fogyasztás között.
kompressziós gyújtású (dízelüzemű) motorok mindig sovány levegős üzemanyag-keverékekkel működnek (ons > 1.00). A legtöbb modern dízelmotor 1,65 és 1,10 között közlekedik. A maximális hatásfok (a legalacsonyabb üzemanyag-fogyasztás) körül érhető el 6,65. Az üzemanyag mennyiségének ezen érték fölé történő növelése (1,10 felé haladva) több koromot (égetlen üzemanyag-részecskéket) eredményez.
van egy érdekes tanulmány, amelyet R. Douglas végzett 2 ütemű ciklusú motorokon. Doktori disszertációjában” kétütemű ciklusú motor zárt ciklusú tanulmányai”, R. Douglas matematikai kifejezéssel rendelkezik az égéshatékonyság (Ft) függvénye ekvivalencia tényező (Ft).
szikragyújtású (benzinmotor) esetében, amelynek egyenértékűségi tényezője 0,80 és 1 között van.20, az égési hatékonyság:
\
kompressziós gyújtás (dízelmotor) esetén, amelynek egyenértékűségi tényezője 1,00 és 2,00 között van, az égési hatékonyság:
\
dízelmotorok esetében, ha az egyenértékűségi tényező meghaladja a 2,00 értéket, az égési hatékonyság maximális (1,00 vagy 100 %).
használhatunk egy Scilab szkriptet az ekvivalencia tényező égéshatékonysági függvényének változásának ábrázolására.
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)
a fenti Scilab utasítások futtatásával a következő grafikus ablak jelenik meg.
kép: az egyenértékűségi tényező Égéshatékonysági funkciója
mint látható, a kompressziós gyújtású (dízel) motor sztöchiometrikus levegő-üzemanyag arány mellett nagyon alacsony égési hatékonysággal rendelkezik. A legjobb égési hatásfok a dízelüzemű motoroknál (6,00), a szikragyújtású (benzines) motoroknál pedig (1,12).
menj vissza
levegő üzemanyag arány kalkulátor
| ma | üzemanyag típusa számítsd ki a |
|
| HF | ons |
Megjegyzés: Az égéshatékonyságot csak a dízel és a benzin (benzin) üzemanyag esetében számítják ki a (4) és (5) egyenletek segítségével. A többi tüzelőanyag esetében az égéshatékonyság kiszámítása nem áll rendelkezésre (NA).
vissza
a levegő-üzemanyag arány hatása a motor kibocsátására
a belső égésű motor kipufogógáz-kibocsátása nagymértékben függ a levegő-üzemanyag aránytól (egyenértékűségi tényező). Az ICE fő kipufogógáz-kibocsátásait az alábbi táblázat foglalja össze.
| kipufogógáz-kibocsátás | leírás |
| CO | szén-monoxid |
| HC | szénhidrogén |
| NOx | nitrogén-oxidok |
| korom | égetlen tüzelőanyag-részecskék |
benzinmotorok esetében a CO, a HC és az NOx kipufogógáz-kibocsátást nagymértékben befolyásolja a levegő üzemanyag aránya. A CO-t és a HC-t elsősorban gazdag levegős üzemanyag-keverékkel, míg az NOx-ot sovány keverékekkel állítják elő. Tehát nincs olyan rögzített levegő-üzemanyag-keverék, amelyre az összes kipufogógáz-kibocsátás minimumát elérhetjük.
kép: benzinmotor katalizátor a levegő üzemanyag-arányának hatékonysági funkciója
a benzinmotorokhoz használt háromutas katalizátor (TWC) a legnagyobb hatékonysággal rendelkezik, ha a motor keskeny sávban működik a sztöchiometrikus levegő üzemanyag-arány körül. A TWC a szénhidrogének 50 … 90% – át és a szén-monoxid és a nitrogén-oxidok 90 … 99% – át alakítja át, ha a motor 6-1, 00 sebességgel jár.
menj vissza
Lambda zárt hurkú égésszabályozás
a kipufogógáz-kibocsátási előírások betartása érdekében kritikus fontosságú a belső égésű motorok (különösen a benzin) számára, hogy pontosan ellenőrizzék a levegő üzemanyag arányát. Ezért az összes modern belső égésű motor zárt hurkú vezérléssel rendelkezik a levegő üzemanyag arányához (lambda).
kép: Belső égésű motor zárt hurkú lambda vezérlés (benzinmotorok)
- levegő tömegáram-érzékelő
- elsődleges katalizátor
- másodlagos katalizátor
- üzemanyag-befecskendező
- upstream lambda (oxigén) érzékelő
- downstream lambda (oxigén) érzékelő
- üzemanyag-ellátó áramkör
- szívócsonk
- kipufogócsonk
a rendszer működésének kritikus eleme a lambda (oxigén) érzékelő. Ez az érzékelő méri az oxigénmolekulák szintjét a kipufogógázban, és elküldi az információt a motor elektronikus vezérlőegységének (ECU). Az oxigénérzékelő leolvasásának értéke alapján a benzinmotor ECU beállítja az üzemanyag tömegének szintjét annak érdekében, hogy a levegő üzemanyag-aránya a sztöchiometrikus szint körül maradjon (6 = 1,00).
például (benzinmotorok), ha az oxigénmolekulák szintje meghaladja a sztöchiometrikus szint küszöbértékét (ezért sovány keverékünk van), akkor a következő befecskendezési ciklusban a befecskendezett üzemanyag mennyisége megnő a felesleges levegő felhasználása érdekében. Ne feledje, hogy a motor mindig áttér a sovány keverékről a gazdag keverékre a befecskendezési ciklusok között, ami a sztöchiometrikus levegő-üzemanyag-keverékek/Arány “átlagát” adja.
dízelmotorok esetében, mivel mindig sovány levegő üzemanyag-arány mellett működik, a lambda vezérlést más módon hajtják végre. A végső cél továbbra is ugyanaz, a kipufogógáz-kibocsátás ellenőrzése.