Sommario
- Air fuel ratio definizione
- Air fuel ratio formula
- Air fuel ratio per i diversi combustibili
- Come rapporto stechiometrico aria benzina è calcolato
- Lambda air fuel ratio
- Air fuel ratio e le prestazioni del motore
- Air fuel ratio calculator
- Impatto dell’aria combustibile rapporto sulle emissioni del motore
- Lambda closed-loop di controllo della combustione
Air fuel ratio definizione
motori Termici uso di combustibile e l’ossigeno (aria) per la produzione di energia attraverso combustione. Per garantire il processo di combustione, alcune quantità di carburante e aria devono essere fornite nella camera di combustione. Una combustione completa avviene quando tutto il carburante viene bruciato, nel gas di scarico non ci saranno quantità di carburante incombusto.
Rapporto carburante aria è definito come il rapporto tra aria e carburante di una miscela preparata per la combustione. Ad esempio, se abbiamo una miscela di metano e aria che ha il rapporto carburante aria di 17,5, significa che nella miscela abbiamo 17,5 kg di aria e 1 kg di metano.
Il rapporto aria-carburante ideale (teorico), per una combustione completa, è chiamato rapporto aria-carburante stechiometrico. Per un motore a benzina (benzina), il rapporto stechiometrico carburante aria è di circa 14.7:1. Ciò significa che, per bruciare completamente 1 kg di carburante, abbiamo bisogno di 14,7 kg di aria. La combustione è possibile anche se l’AFR è diverso da quello stechiometrico. Affinché il processo di combustione avvenga in un motore a benzina, l’AFR minimo è di circa 6:1 e il massimo può arrivare fino a 20:1.
Quando il rapporto carburante aria è superiore al rapporto stechiometrico, la miscela carburante aria è chiamata magra. Quando il rapporto carburante aria è inferiore al rapporto stechiometrico, la miscela carburante aria è chiamato rich. Ad esempio, per un motore a benzina, un AFR di 16,5:1 è magro e 13,7:1 è ricco.
Torna indietro
Formula del rapporto carburante aria
Nel contesto dei motori a combustione interna, il rapporto carburante aria (AF o AFR) è definito come il rapporto tra la massa di aria ma e la massa di carburante mf, utilizzata dal motore durante il funzionamento:
\{AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1}\]
Il rapporto inverso è chiamato rapporto carburante-aria (FA o FAR) ed è calcolato come:
\
Torna indietro
Rapporto carburante aria per diversi combustibili
Nella tabella seguente possiamo vedere il rapporto carburante aria stechiometrico per diversi combustibili fossili.
| Carburante | formula Chimica | AFR |
| Metanolo | CH3OH | 6.47:1 |
| Etanolo | C2H5OH | 9:1 |
| Butanolo | C4H9OH | 11.2:1 |
| Diesel | C12H23 | 14.5:1 |
| Benzina | C8H18 | 14.7:1 |
| Propano | C3H8 | 15.67:1 |
| Metano | CH4 | 17.19:1 |
| Idrogeno | H2 | 34.3:1 |
Fonte: wikipedia.org
Per esempio, per bruciare completamente 1 kg di etanolo, abbiamo bisogno di 9 kg di aria per bruciare 1 kg di gasolio, abbiamo bisogno di 14.5 kg di aria.
Accensione a scintilla (SI) motori di solito funzionano a benzina (benzina) carburante. L’AFR dei motori SI varia tra 12:1 (rich) e 20:1 (lean), a seconda delle condizioni operative del motore (temperatura, velocità, carico, ecc.). I moderni motori a combustione interna funzionano il più possibile attorno all’AFR stechiometrico (principalmente per motivi di post-trattamento del gas). Nella tabella sottostante è possibile vedere un esempio di un motore SI AFR, funzione del regime del motore e della coppia.
Immagine: Esempio di air fuel ratio (AFR) funzione del regime e della coppia del motore
I motori ad accensione spontanea (CI) di solito funzionano a gasolio. A causa della natura del processo di combustione, i motori CI funzionano sempre su miscele magre, con AFR tra 18:1 e 70:1. La differenza principale, rispetto ai motori SI, è che i motori CI funzionano su miscele di carburante aria stratificate (non omogenee), mentre SI funzionano su miscele omogenee (nel caso di motori ad iniezione).
La tabella di cui sopra viene inserita in uno script Scilab e viene generato un grafico di contorno.
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')
Esecuzione di Scilab istruzioni di cui sopra, verrà visualizzato il seguente trama di contorno:
Immagine: Aria carburante trama di contorno con Scilab
torna
Come rapporto stechiometrico aria benzina è calcolato
per capire come il rapporto stechiometrico aria benzina è calcolato, abbiamo bisogno di guardare il processo di combustione del carburante. La combustione è fondamentalmente una reazione chimica (chiamata ossidazione) in cui un combustibile viene miscelato con ossigeno e produce anidride carbonica (CO2), acqua (H2O) ed energia (calore). Prendi in considerazione che, affinché si verifichi la reazione di ossidazione, abbiamo bisogno di un’energia di attivazione (scintilla o alta temperatura). Inoltre, la reazione netta è altamente esotermica (con rilascio di calore).
\{spark \text{ (SI)}} \text{Anidride carbonica} + \text{Acqua} + \text{Energia}\]
Esempio 1. Per una migliore comprensione, diamo un’occhiata alla reazione di ossidazione del metano. Questa è una reazione chimica piuttosto comune, poiché il metano è il componente principale del gas naturale (in proporzione di circa il 94 %).
Punto 1. Scrivi la reazione chimica (ossidazione)
\
Passo 2. Bilancia l’equazione
\
Passaggio 3. Annotare il peso atomico standard per ogni atomo
\
Passaggio 4. Calcola la massa di carburante, che è 1 mol di metano, composta da 1 atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno.
\
Passaggio 5. Calcola la massa di ossigeno, che consiste di 2 moli, ogni mol composto da 2 atomi di ossigeno.
\
Punto 6. Calcolare la massa d’aria necessaria che contiene la massa calcolata di ossigeno, tenendo conto che l’aria contiene circa il 21% di ossigeno.
\
Passaggio 7. Calcolare il rapporto aria carburante utilizzando equazione (1)
\
L’AFR calcolato per il metano non è esattamente come specificato in letteratura. La differenza potrebbe venire dal fatto che, nel nostro esempio, abbiamo fatto diverse ipotesi (l’aria contiene solo il 21% di ossigeno, i prodotti della combustione sono solo anidride carbonica e acqua).
Esempio 2. Lo stesso metodo può essere applicato per la combustione della benzina. Considerando che la benzina è composta da iso-ottano (C8H18), calcolare il rapporto carburante aria stechiometrico per la benzina.
Punto 1. Scrivi la reazione chimica (ossidazione)
\
Passo 2. Bilancia l’equazione
\
Passaggio 3. Annotare il peso atomico standard per ogni atomo
\
Passaggio 4. Calcola la massa di carburante, che è 1 mol di iso-ottano, composta da 8 atomi di carbonio e 18 atomi di idrogeno.
\
Passaggio 5. Calcola la massa di ossigeno, che consiste di 12,5 moli, ogni mol composto da 2 atomi di ossigeno.
\
Punto 6. Calcolare la massa d’aria necessaria che contiene la massa calcolata di ossigeno, tenendo conto che l’aria contiene circa il 21% di ossigeno.
\
Passaggio 7. Calcolare il rapporto aria carburante utilizzando equazione (1)
\
Ancora una volta, il rapporto stechiometrico calcolato per la benzina è leggermente diverso da quello fornito in letteratura. Pertanto, il risultato è accettabile poiché abbiamo fatto molte ipotesi (la benzina contiene solo iso-ottano, l’aria contiene solo ossigeno in proporzione al 21%, gli unici prodotti di combustione sono anidride carbonica e acqua, la combustione è ideale).
Torna indietro
Lambda air fuel ratio
Abbiamo visto cosa è e come calcolare il rapporto stechiometrico (ideale) air fuel. In realtà, i motori a combustione interna non funzionano esattamente con l’AFR ideale, ma con valori vicini ad esso. Quindi avremo un rapporto AFR carburante aria ideale e un effettivo. Il rapporto tra il rapporto effettivo carburante aria (AFRactual) e il rapporto ideale/stechiometrico carburante aria (AFRideal) è chiamato equivalence air fuel ratio o lambda (λ).
\{\lambda = \frac{AFR_{actual}}{AFR_{ideal}}} \tag{3}\]
Ad esempio, il rapporto carburante aria ideale per un motore a benzina (benzina) è 14.7:1. Se l’AFR reale/reale è 13.5, il fattore di equivalenza lambda sarà:
\
A seconda del valore di lambda, al motore viene detto di lavorare con una miscela di carburante aria magra, stechiometrica o ricca.
| fattore di Equivalenza | Aria carburante miscela tipo | Descrizione |
| λ < 1.00 | Ricco | non C’è abbastanza aria per bruciare completamente la quantità di carburante; dopo la combustione c’è carburante incombusto nel gas di scarico |
| λ = 1.00 | Stechiometrico (ideale) | La massa d’aria è esatta per una combustione completa del combustibile; dopo la combustione non c’è un eccesso di ossigeno nei gas di scarico e non carburante incombusto |
| λ > 1.00 | Magra | non C’è più ossigeno di quanto richiesto per bruciare completamente la quantità di carburante; dopo la combustione c’è ossigeno in eccesso nei gas di scarico |
A seconda del tipo di carburante (benzina o diesel) e del tipo di iniezione (diretta o indiretta), un motore a combustione interna può funzionare con miscele di carburante aria magra, stechiometrica o ricca.
Immagine: Ecoboost 3 cilindri iniezione diretta motore a benzina (lambda map)
Credito: Ford
Ad esempio, il motore Ford Ecoboost a 3 cilindri funziona con rapporto carburante aria stechiometrico per regime minimo a medio e gamma di carico completo, e con una ricca miscela di carburante ad alta velocità e carico. Il motivo per cui funziona con miscela ricca ad alta velocità del motore e carico è il raffreddamento del motore. Il combustibile aggiuntivo (che rimarrà incombusto) viene iniettato per assorbire il calore (attraverso l’evaporazione), riducendo in questo modo la temperatura nella camera di combustione.
Immagine: Motore diesel (lambda mappa)
Credito: wtz.de
Un motore ad accensione spontanea (diesel) funziona continuamente con miscela aria-combustibile magra, il valore del fattore di equivalenza (λ) a seconda del punto di funzionamento del motore (regime e coppia). La ragione di ciò è il principio di funzionamento di un motore diesel: controllare il carico non attraverso la massa d’aria (che è sempre in eccesso) ma attraverso la massa di carburante (tempo di iniezione).
Ricordare che un fattore di equivalenza stechiometrica (λ = 1,00) significa un rapporto carburante aria di 14,7:1 per i motori a benzina e 14,5:1 per i motori diesel.
Torna indietro
Rapporto carburante aria e prestazioni motore
Le prestazioni del motore in termini di potenza e consumo di carburante dipendono fortemente dal rapporto carburante aria. Per un motore a benzina, il consumo di carburante più basso si ottiene a lean AFR. Il motivo principale è che c’è abbastanza ossigeno disponibile per bruciare completamente tutto il carburante che si traduce in lavoro meccanico. D’altra parte, la potenza massima è ottenuta con ricche miscele di carburante. Come spiegato prima, mettendo più carburante nel cilindro ad alto carico e velocità del motore, raffredda la camera di combustione (attraverso l’evaporazione del carburante e l’assorbimento del calore) che consente al motore di produrre la coppia massima del motore quindi la massima potenza.
Immagine: Potenza del motore e consumo di carburante funzione di air fuel ratio (lambda)
Nella figura sopra possiamo vedere che non possiamo ottenere la potenza massima del motore e il consumo di carburante più basso con lo stesso rapporto carburante aria. Il consumo di carburante più basso (miglior risparmio di carburante) si ottiene con miscele di combustibile ad aria magra, con un AFR di 15,4:1 e un fattore di equivalenza (λ) di 1,05. La potenza massima del motore è prodotta con miscele ricche di carburante, con un AFR di 12,6:1 e un fattore di equivalenza (λ) di 0,86. Con una miscela stechiometrica di carburante (λ = 1), esiste un compromesso tra potenza massima del motore e consumo minimo di carburante.
I motori ad accensione spontanea (diesel) funzionano sempre con miscele di combustibile leggero (λ > 1,00). La maggior parte dei moderni motori diesel funziona con λ tra 1,65 e 1,10. La massima efficienza (minor consumo di carburante) si ottiene intorno a λ = 1,65. Aumentando la quantità di carburante al di sopra di questo valore (andando verso 1,10) si produrrà più fuliggine (particelle di combustibile incombuste).
C’è un interessante studio eseguito da R. Douglas su motori a ciclo 2 tempi. Nella sua tesi di dottorato “Closed Cycle Studies of a Two-Stroke Cycle Engine”, R. Douglas viene fornito con un’espressione matematica della funzione di efficienza di combustione (ηλ) del fattore di equivalenza (λ).
Per l’accensione a scintilla (motore a benzina) con un fattore di equivalenza compreso tra 0,80 e 1.20, l’efficienza di combustione è:
\
Per l’accensione per compressione (motore diesel) con un fattore di equivalenza tra 1,00 e 2,00, l’efficienza di combustione è:
\
Per i motori diesel, se il fattore di equivalenza supera 2,00, l’efficienza di combustione è massima (1,00 o 100 %).
Possiamo usare uno script Scilab per tracciare la variazione della funzione di efficienza di combustione del fattore di equivalenza.
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)
L’esecuzione delle istruzioni di Scilab sopra genera la seguente finestra grafica.
Immagine: Funzione di efficienza di combustione del fattore di equivalenza
Come si può vedere, il motore ad accensione spontanea (diesel), al rapporto stechiometrico del carburante ha un’efficienza di combustione molto bassa. La migliore efficienza di combustione si ottiene a λ = 2,00 per il diesel e λ = 1,12 per i motori ad accensione comandata (benzina).
torna
Air fuel ratio calculator
| ma | tipo di Carburante Calcolare |
λ |
| mf | ηλ |
Osservazione: Il rendimento di combustione è calcolata solo per diesel e benzina (benzina), del carburante, utilizzando le equazioni (4) e (5). Per gli altri combustibili, il calcolo dell’efficienza di combustione non è disponibile (NA).
Torna indietro
Impatto del rapporto carburante aria sulle emissioni dei motori
Le emissioni dei gas di scarico dei motori a combustione interna dipendono fortemente dal rapporto carburante aria (fattore di equivalenza). Le principali emissioni di gas di scarico nel GHIACCIO sono riassunte nella tabella seguente.
| emissioni di gas di Scarico | Descrizione |
| CO | monossido di carbonio |
| HC | idrocarburi |
| NOx | ossidi di azoto |
| Fuliggine | incombusti particelle di combustibile |
Per un motore a benzina, CO, HC e NOx emissioni di gas di scarico sono pesantemente influenzati da l’aria benzina. CO e HC sono prodotti principalmente con una ricca miscela di carburante per aria, mentre NOx con miscele magre. Quindi, lì in nessuna miscela di carburante aria fissa per la quale possiamo ottenere il minimo per tutte le emissioni di scarico.
Immagine: Funzione di efficienza del catalizzatore del motore a benzina del rapporto del combustibile dell’aria
Un catalizzatore a tre vie (TWC), usato per i motori a benzina, ha la più alta efficienza quando il motore funziona in una banda stretta intorno Il TWC converte tra il 50 9 90% di idrocarburi e il 90 9 99% di monossido di carbonio e ossidi di azoto, quando il motore funziona con λ = 1,00.
Torna indietro
Lambda closed-loop combustion control
Al fine di soddisfare le normative sulle emissioni dei gas di scarico, è fondamentale che i motori a combustione interna (in particolare la benzina) abbiano un controllo accurato del rapporto carburante aria. Pertanto, tutti i moderni motori a combustione interna hanno un controllo a circuito chiuso per il rapporto carburante aria (lambda).
Immagine: Motore a combustione interna a ciclo chiuso di controllo lambda (per i motori a benzina)
- massa d’aria sensore di flusso
- principale catalizzatore
- secondaria catalizzatore
- iniettore di carburante
- lambda a monte (ossigeno) sensore
- lambda a valle (ossigeno) sensore
- carburante circuito di alimentazione
- collettore di aspirazione
- collettore di scarico
Il componente fondamentale per il funzionamento del sistema è la lambda (ossigeno) del sensore. Questo sensore misura il livello delle molecole di ossigeno nel gas di scarico e invia le informazioni alla centralina elettronica del motore (ECU). In base al valore della lettura del sensore di ossigeno, la centralina del motore a benzina regola il livello di massa del carburante per mantenere il rapporto carburante aria attorno al livello stechiometrico (λ = 1,00).
Ad esempio (motori a benzina), se il livello di molecole di ossigeno è superiore alla soglia per il livello stechiometrico (quindi abbiamo una miscela magra), al successivo ciclo di iniezione, la quantità di carburante iniettato sarà aumentata al fine di utilizzare l’aria in eccesso. Tenere presente che il motore passerà sempre dalla miscela magra alla miscela ricca tra i cicli di iniezione, il che darà una “media” di miscele/rapporto aria combustibile stechiometrico.
Per i motori diesel, poiché funziona sempre con un rapporto di carburante aria magra, il controllo lambda viene eseguito in modo diverso. L’obiettivo finale è sempre lo stesso, il controllo delle emissioni dei gas di scarico.