目次
- 空燃比の定義
- 空燃比の式
- 異なる燃料の空燃比
- 化学量論空燃比の計算方法
- ラムダ空燃比
- 空燃比の計算方法
- 空燃比の計算方法
- 空燃比の計算方法
- 空燃比の計算方法
- 空燃比の計算方法
- 空燃比の計算方法
- 空燃比の計算方法
- 空燃比とエンジン性能
- 空燃比計算機
- 空燃比がエンジン排出量に及ぼす影響
- ラムダ閉ループ燃焼制御
空燃比定義
熱エンジンは、燃料と酸素（空気か 燃焼。 燃焼プロセスを保証するためには、ある特定の量の燃料および空気は燃焼室で供給される必要があります。 完全燃焼は、すべての燃料が燃焼されると起こり、排気ガス中には未燃焼の燃料は存在しない。
空燃比は、燃焼のために調製された混合物の空気と燃料の比として定義されます。 たとえば、空気燃料比が17.5のメタンと空気の混合物がある場合、混合物中に17.5kgの空気と1kgのメタンがあることを意味します。
完全燃焼のための理想的な（理論的な）空燃比は、化学量論的空燃比と呼ばれます。 ガソリン（ガソリン）エンジンの場合、化学量論的空燃比は約14.7：1である。 これは、1kgの燃料を完全に燃焼させるためには、14.7kgの空気が必要であることを意味します。 化学量論とは異なるAFRであっても燃焼が可能である。 ガソリンエンジンで燃焼プロセスが行われるためには、最小AFRは約6：1であり、最大は20：1まで上がることができる。
空気燃料比が化学量論比よりも高い場合、空気燃料混合物はリーンと呼ばれます。 空気燃料比が化学量論比よりも低い場合、空気燃料混合物はリッチと呼ばれる。 たとえば、ガソリンエンジンの場合、16.5:1のAFRはリーンであり、13.7:1はリッチです。
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空燃比式
内燃機関の文脈では、空燃比（AFまたはAFR）は、走行時にエンジンが使用する空気maの質量と質量燃料mfの比として定義されます:
\{AFR=\frac{m_a}{m_f}}\tag{1}\]
逆比は燃料-空気比（FAまたはFAR）と呼ばれ、次のように計算されます。
\
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異なる燃料の空気燃料比
下の表では、いくつかの化石燃料の化学量論的空気燃料比を見ることができます。
| 燃料 | 化学式 | AFR |
| メタノール | CH3OH | 6.47:1 |
| エタノール | C2H5OH | 9:1 |
| ブタノール | C4H9OH | 11.2:1 |
| ディーゼル | C12H23 | 14.5:1 |
| ガソリン | C8H18 | 14.7:1 |
| プロパン | C3H8 | 15.67:1 |
| メタン | CH4 | 17.19:1 |
| 水素 | H2 | 34.3:1 |
ソース：wikipedia.org
例えば、1kgのエタノールを完全に燃焼させるには9kgの空気が必要で、1kgのディーゼル燃料を燃焼させるには14.5kgの空気が必要です。
スパーク点火(SI)エンジンは、通常、ガソリン(ガソリン)燃料で実行されます。 SIエンジンのAFRは、エンジンの動作条件（温度、速度、負荷など）に応じて、12：1（リッチ）から20：1（リーン）の範囲内で変化する。). 現代の内燃機関は、化学量論的AFRの周りで可能な限り動作する（主にガスの後処理の理由から）。 下の表では、SIエンジンAFRの例、エンジン速度とトルクの関数を見ることができます。
画像: エンジン速度とトルクの空燃比（AFR）関数の例
圧縮点火（CI）エンジンは、通常、ディーゼル燃料で実行されます。 燃焼プロセスの性質上、CIエンジンは常に希薄混合物で動作し、AFRは18:1から70:1の間で実行されます。 SIエンジンと比較した主な違いは、SIエンジンは層状（非均質）の空気燃料混合物で動作し、SIは均質な混合物（ポートインジェクションエンジンの場合）で動作することである。
上の表がScilabスクリプトに入力され、等高線プロットが生成されます。
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')
上記のScilab命令を実行すると、次の等高線プロットが生成されます:
画像:Scilabによる空燃比等高線図
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化学量論的空燃比の計算方法
化学量論的空燃比の計算方法を理解するためには、燃料の燃焼過程を見る必要がある。 燃焼は基本的に、燃料が酸素と混合され、二酸化炭素（CO2）、水（H2O）およびエネルギー（熱）を生成する化学反応（酸化と呼ばれる）である。 酸化反応が起こるためには、活性化エネルギー（火花または高温）が必要であることを考慮に入れてください。 また、正味の反応は非常に発熱性である（熱放出を伴う）。
\{スパーク\テキスト{（SI）}}\テキスト{二酸化炭素}+\テキスト{水}+\テキスト{エネルギー}\]
例1。 より良い理解のために、メタンの酸化反応を見てみましょう。 メタンは（約94％の割合で）天然ガスの主要成分であるため、これは、かなり一般的な化学反応です。
ステップ1。 化学反応（酸化）を書く
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ステップ2。 式
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のバランスをとるステップ3。 各原子
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の標準原子量を書き留めますステップ4。 炭素の1原子と水素の4原子から構成されるメタンの1モルである燃料の質量を計算する。
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ステップ5。 2モルからなる酸素の質量を計算し、各モルは2個の酸素原子から構成されています。
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ステップ6。 空気が約21％の酸素を含むことを考慮して、計算された酸素の質量を含む空気の必要な質量を計算する。
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ステップ7。 式を使用して空燃比を計算します(1)
\
メタンの計算されたAFRは、文献で指定されているとおりではありません。 違いは、私たちの例では、いくつかの仮定をしたことから来るかもしれません（空気には21％の酸素しか含まれておらず、燃焼の生成物は二酸化炭素と水
例2. ガソリンの燃焼にも同様の方法を適用することができる。 ガソリンがイソ-オクタン（C8H18）から構成されていることを考慮して、ガソリンの化学量論的空燃比を計算する。
ステップ1。 化学反応（酸化）を書く
\
ステップ2。 式
\
のバランスをとるステップ3。 各原子
\
の標準原子量を書き留めますステップ4。 8個の炭素原子と18個の水素原子からなる1molのイソ-オクタンである燃料の質量を計算する。
\
ステップ5。 12.5モルからなる酸素の質量を計算し、各モルは酸素の2原子から構成されています。
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ステップ6。 空気が約21％の酸素を含むことを考慮して、計算された酸素の質量を含む空気の必要な質量を計算する。
\
ステップ7。 式を使用して空燃比を計算します(1)
\
ここでも、ガソリンの計算された化学量論的空燃比は、文献で提供されたものとはわずかに異なる。 したがって、私たちは多くの仮定をしたので、結果は許容されます（ガソリンはiso-octaneのみを含み、空気は21％の割合で酸素のみを含み、燃焼の唯一の生成物は二酸化炭素と水であり、燃焼は理想的です）。
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ラムダ空燃比
化学量論的（理想的な）空燃比とは何か、そしてどのように計算するかを見てきました。 実際には、内燃機関は理想的なAFRでは正確には機能しませんが、それに近い値で動作します。 したがって、私たちは理想的で実際の空燃比AFR比を持っています。 実際の空燃比（AFRactual）と理想的/化学量論的空燃比（AFRideal）との比は、等価空燃比またはラムダ（λ）と呼ばれます。たとえば、ガソリン（ガソリン）エンジンの理想的な空燃比は14.7：1です。 実際/実際のAFRが13.5の場合、等価係数lambdaは次のようになります。
\
ラムダの値に応じて、エンジンはリーン、化学量論、またはリッチな空気燃料混合物で動作するように指示されます。
| 同等性の要因 | 空気と燃料の混合タイプ | 説明 |
| λ< 1.00 | 豊かな | な空気が完全燃焼燃料の量; 熱が未燃燃料の排気ガス |
| λ=1.00 | 理論(理想的な) | の量の空気が正確で完全燃焼の燃料、燃焼がない余剰酸素の排出と未燃燃料 |
| λ> 1.00 | リ | り酸素以上が必要で完全燃焼燃料の量; 燃焼の後で排気ガスに余分な酸素があります |
燃料の種類（ガソリンまたはディーゼル）および噴射の種類（直接的または間接的）に応じて、内燃機関は、希薄、化学量論的または豊富な空気燃料混合物で機
画像:Ecoboost直列3気筒直噴ガソリンエンジン(ラムダマップ)
クレジット: フォード
例えば、フォードEcoboost3気筒エンジンは、中エンジン速度と完全な負荷範囲にアイドルのための化学量論的な空燃比で実行され、高速および負荷 それが高いエンジン速度および負荷で豊富な混合物と動く理由はエンジンの冷却です。 （未燃焼のままになります）追加の燃料は、このように燃焼室内の温度を低下させ、（蒸発を介して）熱を吸収するために注入されます。
画像:ディーゼルエンジン(ラムダマップ)
クレジット:wtz.de
圧縮点火（ディーゼル）エンジンは、エンジンの動作点（速度とトルク）に応じて等価係数（θ）の値である希薄空気燃料混合物で常に実行されます。 この理由は、ディーゼルエンジンの動作原理であり、空気質量（常に過剰である）を介してではなく、燃料質量（噴射時間）を介して負荷を制御することである。
化学量論的等価係数(λ=1.00)は、ガソリンエンジンでは14.7:1、ディーゼルエンジンでは14.5:1の空燃比を意味することを覚えておいてください。
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空燃比とエンジン性能
エンジン性能は、電力と燃料消費量の面で空燃比に大きく依存します。 ガソリンエンジンの場合、最低の燃料消費量は希薄なAFRで得られます。 主な理由は、機械的作業に変換されるすべての燃料を完全に燃焼させるのに十分な酸素があることです。 一方、豊富な空気燃料混合物で最大出力が得られる。 前に説明したように、高いエンジン負荷と速度でシリンダ内のより多くの燃料を入れて、エンジンがこのように最大エンジントルクを生成するこ
画像：空燃比（ラムダ）のエンジン出力と燃料消費関数)
上の図では、エンジンの最大出力と同じ空燃比で最低の燃料消費量を得ることができないことがわかります。 最も低い燃料消費料量（最もよい燃料経済）は15.4:1のAFRおよび1.05の同等の要因（λ）の細い空気燃料の混合物と、得られる。 最大エンジン出力は、12.6：1のAFRと0.86の等価係数（π）と、豊富な空気燃料混合物で生成されます。 化学量論的な空気燃料混合物（λ=1）では、最大エンジン出力と最小燃料消費量との間に妥協点があります。
圧縮点火（ディーゼル）エンジンは常に希薄な空気燃料混合物（λ>1.00）で実行されます。 現代のディーゼルエンジンのほとんどは、1.65と1.10の間のλで実行されます。 最大効率（最低燃料消費量）は、π=1.65の周りに得られます。 この値を超える燃料量を増やすと（1.10に向かって）、より多くのすす（未燃燃料粒子）が生成されます。
R.Douglasが2ストロークサイクルエンジンで行った興味深い研究があります。 博士論文”Closed Cycle Studies of A Two-Stroke Cycle Engine”では、R.Douglasは等価係数（θ）の燃焼効率（θ）関数の数学的表現を提供しています。
スパーク点火（ガソリンエンジン）の等価係数が0.80から1の場合。図20に示すように、燃焼効率は次のとおりです。
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圧縮点火（ディーゼルエンジン）の等価係数が1.00から2.00の場合、燃焼効率は次のとおりです。
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ディーゼルエンジンの場合、等価係数が2.00を超えると、燃焼効率は最大（1.00または100％）になります。
Scilabスクリプトを使用して、等価係数の燃焼効率関数の変化をプロットすることができます。
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)
上記のScilab命令を実行すると、以下のグラフィカルウィンドウが出力されます。
画像：等価係数の燃焼効率関数
ご覧のように、圧縮点火（ディーゼル）エンジンは、化学量論的空燃比では燃焼効率が非常に低い。 最もよい燃焼効率はディーゼルのためのλ=2.00および火花点火（ガソリン）エンジンのためのλ=1.12で得られる。
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空燃比計算機
| ma | 燃料タイプ 計算 |
λ |
| mf | ηλ |
観察：燃焼効率は、式（4）および（5）を使用して、ディーゼルおよびガソリン（ガソリン）燃料についてのみ計算される。 他の燃料については、燃焼効率の計算は利用できません（NA）。
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空燃比がエンジン排出量に与える影響
内燃機関の排気ガス排出量は、空燃比（等価係数）に大きく依存します。 氷の主要な排気ガスの放出は下のテーブルで要約される。
| 排気ガス排出量 | 説明 |
| CO | 一酸化炭素 |
| HC | 炭化水素 |
| NOx | 窒素酸化物 |
| すす | 未燃燃料粒子 |
ガソリンエンジンでは，ｃｏ，Ｈ ｃおよびＮｏｘ排気ガスの排出量は空燃比によって大きく影響される。 COとHCは主に豊富な空気燃料混合物で生産され、noxは希薄混合物で生産されます。 だから、そこに我々はすべての排気ガスの最小値を得ることができるための固定空気燃料混合物ではありません。
画像:ガソリンエンジンの触媒効率空燃比の関数
ガソリンエンジンに使用される三元触媒(TWC)は、化学量論的空燃比付近の狭い帯域でエンジンが動作する場合に最も効率が高い。 TWCは、エンジンがπ=1.00で動作すると、炭化水素の50〜90％と一酸化炭素と窒素酸化物の90〜99％の間で変換されます。
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ラムダ閉ループ燃焼制御
排気ガス排出規制を満たすためには、内燃機関（特にガソリン）が空燃比を正確に制御することが重要です。 したがって、現代の内燃機関のすべては、空燃比（ラムダ）のための閉ループ制御を持っています。
画像: 内燃機関閉ループラムダ制御（ガソリンエンジン)
- 空気質量流量センサ
- 一次触媒
- 二次触媒
- 燃料噴射装置
- 上流ラムダ（酸素）センサ
- 下流ラムダ（酸素）センサ
- 燃料供給回路
- 吸気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
- 排気マニホールド
システムが動作するための重要なコンポーネントは、ラムダ（酸素）センサーです。 このセンサーは排気ガスの酸素の分子のレベルを測定し、エンジンの電子制御の単位(ECU)に情報を送る。 酸素センサーの読書の価値に基づいて、ガソリン機関ECUは化学量論のレベル（λ=1.00）のまわりで空燃比を保つために燃料の固まりのレベルを調節します。
例えば（ガソリンエンジン）、酸素分子のレベルが化学量論レベルの閾値を超えている場合（したがって希薄混合物がある）、次の噴射サイクルでは、余分な空気を利用するために注入された燃料量が増加する。 エンジンは、常に化学量論的な空気燃料混合物/比の”平均”を与える噴射サイクル間の希薄混合物から豊富な混合物に移行することに留意してくださ
ディーゼルエンジンでは、常に希薄な空燃比で走行するため、ラムダ制御は異なる方法で行われます。 最終目標は、まだ同じであること、排気ガスの排出量の制御。