Inhoudsopgave
- brandstof-Lucht verhouding definitie
- brandstof-Lucht verhouding formule
- brandstof-Lucht verhouding voor de verschillende brandstoffen
- Hoe stoichiometrische lucht brandstof verhouding is berekend
- Lambda brandstof-lucht verhouding
- brandstof-Lucht verhouding en de prestaties van de motor
- brandstof-Lucht verhouding van de calculator
- Impact van het brandstof-lucht verhouding van motor-uitstoot
- Lambda closed-loop controle van de verbranding
brandstof-Lucht verhouding definitie
Thermische motoren maken gebruik van brandstof en zuurstof (uit de lucht) om energie te produceren door middel van verbranding. Om het verbrandingsproces te garanderen, moeten bepaalde hoeveelheden brandstof en lucht in de verbrandingskamer worden geleverd. Een volledige verbranding vindt plaats wanneer alle brandstof wordt verbrand, in het uitlaatgas zullen er geen hoeveelheden onverbrande brandstof zijn.
luchtbrandstofverhouding wordt gedefinieerd als de verhouding tussen lucht en brandstof van een voor verbranding bereid mengsel. Als we bijvoorbeeld een mengsel van methaan en lucht hebben dat de luchtbrandstofverhouding van 17,5 heeft, betekent dit dat we in het mengsel 17,5 kg lucht en 1 kg methaan hebben.
de ideale (theoretische) luchtbrandstofverhouding voor een volledige verbranding wordt stoichiometrische luchtbrandstofverhouding genoemd. Bij een benzinemotor (benzine) ligt de stoichiometrische luchtbrandstofverhouding rond 14,7: 1. Dit betekent dat we 14,7 kg lucht nodig hebben om 1 kg brandstof volledig te kunnen verbranden. De verbranding is mogelijk, zelfs als de AFR anders is dan stoichiometrisch. Voor het verbrandingsproces in een benzinemotor, de minimale AFR is ongeveer 6: 1 en het maximum kan oplopen tot 20: 1.
wanneer de luchtbrandstofverhouding hoger is dan de stoichiometrische verhouding, wordt het luchtbrandstofmengsel mager genoemd. Wanneer de luchtbrandstofverhouding lager is dan de stoichiometrische verhouding, wordt het luchtbrandstofmengsel rijk genoemd. Bijvoorbeeld, voor een benzinemotor, een AFR van 16.5: 1 is mager en 13.7: 1 is rijk.
Ga terug
luchtbrandstofverhouding formule
in het kader van verbrandingsmotoren wordt luchtbrandstofverhouding (AF of AFR) gedefinieerd als de verhouding tussen de massa van luchtma en massabrandstof mf die door de motor wordt gebruikt bij het draaien:
\{AFR = \ frac{m_a}{m_f}} \ tag{1}\]
de omgekeerde verhouding wordt brandstof-luchtverhouding (FA of FAR) genoemd en wordt berekend als:
\
Ga terug
Luchtbrandstofverhouding voor verschillende brandstoffen
in de onderstaande tabel kunnen we de stoichiometrische luchtbrandstofverhouding voor verschillende fossiele brandstoffen zien.
| Brandstof | Chemische formule | AFR |
| Methanol | CH3OH | 6.47:1 |
| Ethanol | C2H5OH | 9:1 |
| Butanol | C4H9OH | 11.2:1 |
| Diesel | C12H23 | 14.5:1 |
| Benzine | C8H18 | 14.7:1 |
| Propaan | C3H8 | 15.67:1 |
| Methaan | CH4 | 17.19:1 |
| Waterstof | H2 | 34.3:1 |
Bron: wikipedia.org
bijvoorbeeld, om te branden volledig 1 kg ethanol, moeten we 9 kg van de lucht en het branden van 1 kg, diesel, we moeten 14,5 kg lucht.
motoren met vonkontsteking draaien meestal op benzine. De AFR van de SI-motoren varieert tussen 12: 1 (rijk) en 20:1 (mager), afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden van de motor (temperatuur, toerental, belasting, enz.). Moderne verbrandingsmotoren werken zoveel mogelijk rond de stoichiometrische AFR (voornamelijk om gasnabehandelingsredenen). In onderstaande tabel ziet u een voorbeeld van een SI Motor AFR, functie van motortoerental en koppel.
afbeelding: Voorbeeld van de functie van de luchtbrandstofverhouding (Afr) bij toerental en koppel
compressieontstekingsmotoren (CI) draaien gewoonlijk op diesel. Vanwege de aard van het verbrandingsproces draaien compressieontstekingsmotoren altijd op magere mengsels, met AFR tussen 18:1 en 70:1. Het belangrijkste verschil in vergelijking met SI-motoren is dat compressieontstekingsmotoren op gestratificeerde (niet-homogene) luchtbrandstofmengsels draaien, terwijl SI op homogene mengsels werkt (in het geval van inspuitmotoren met een poort).
de bovenstaande tabel wordt ingevoerd in een Scilab script en een contour plot wordt gegenereerd.
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')
het Uitvoeren van de Scilab instructies van hierboven zal het genereren van de volgende contour plot:
Afbeelding: brandstof-Lucht contour plot met Scilab
Ga terug
Hoe stoichiometrische lucht brandstof verhouding is berekend
om te begrijpen hoe de stoichiometrische lucht brandstof verhouding is berekend, we moeten kijken naar de verbranding van de brandstof. Verbranding is in feite een chemische reactie (oxidatie genoemd) waarbij een brandstof wordt gemengd met zuurstof en kooldioxide (CO2), water (H2O) en energie (warmte) produceert. Houd er rekening mee dat, om de oxidatiereactie te laten plaatsvinden, we een activeringsenergie (vonk of hoge temperatuur) nodig hebben. Ook is de netto reactie zeer exotherm (met warmteafgifte).
\{vonk \ text {(SI)}} \ text{kooldioxide} + \ text{Water} + \text{energie}\]
Voorbeeld 1. Voor een beter begrip, laten we kijken naar de oxidatiereactie van methaan. Dit is een vrij veel voorkomende chemische reactie, aangezien methaan de primaire component van aardgas is (in verhouding van ongeveer 94 %).
Stap 1. Schrijf de chemische reactie (oxidatie)
\
Stap 2. Balanceer de vergelijking
\
Stap 3. Noteer het standaard atoomgewicht voor elk atoom
\
Stap 4. Bereken de massa brandstof, die 1 mol methaan is, samengesteld uit 1 atoom koolstof en 4 atomen waterstof.
\
Stap 5. Bereken de massa zuurstof, die bestaat uit 2 mol, elke mol opgebouwd uit 2 atomen zuurstof.
\
Stap 6. Bereken de benodigde luchtmassa die de berekende zuurstofmassa bevat, rekening houdend met het feit dat de lucht ongeveer 21% zuurstof bevat.
\
Stap 7. Bereken de luchtbrandstofverhouding met behulp van vergelijking (1)
\
de berekende AFR voor methaan is niet precies zoals gespecificeerd in de literatuur. Het verschil zou kunnen komen uit het feit dat we in ons voorbeeld verschillende veronderstellingen hebben gemaakt (lucht bevat slechts 21% zuurstof, de producten van de verbranding zijn alleen kooldioxide en water).
Voorbeeld 2. Dezelfde methode kan worden toegepast voor de verbranding van benzine. Gezien het feit dat benzine is samengesteld uit iso-octaan (C8H18), bereken de stoichiometrische lucht brandstof verhouding voor benzine.
Stap 1. Schrijf de chemische reactie (oxidatie)
\
Stap 2. Balanceer de vergelijking
\
Stap 3. Noteer het standaard atoomgewicht voor elk atoom
\
Stap 4. Bereken de brandstofmassa, die 1 mol iso-octaan is, opgebouwd uit 8 koolstofatomen en 18 waterstofatomen.
\
Stap 5. Bereken de massa zuurstof, die bestaat uit 12,5 mol, elke mol opgebouwd uit 2 atomen zuurstof.
\
Stap 6. Bereken de benodigde luchtmassa die de berekende zuurstofmassa bevat, rekening houdend met het feit dat de lucht ongeveer 21% zuurstof bevat.
\
Stap 7. Bereken de luchtbrandstofverhouding met behulp van vergelijking (1)
\
nogmaals, de berekende stoichiometrische lucht brandstof verhouding voor benzine is iets anders dan die in de literatuur. Het resultaat is dus aanvaardbaar omdat we veel veronderstellingen hebben gemaakt (benzine bevat alleen iso-octaan, lucht bevat alleen zuurstof in verhouding van 21 %, de enige verbrandingsproducten zijn kooldioxide en water, de verbranding is ideaal).
Ga terug
Lambda luchtbrandstofverhouding
we hebben gezien wat is en hoe de stoichiometrische (ideale) luchtbrandstofverhouding moet worden berekend. In werkelijkheid werken verbrandingsmotoren niet precies met ideale AFR, maar met waarden die er dichtbij liggen. Daarom hebben we een ideale en een werkelijke lucht brandstof AFR verhouding. De verhouding tussen de werkelijke luchtbrandstofverhouding (AFRactual) en de ideale/stoichiometrische luchtbrandstofverhouding (AFRideal) wordt equivalence air fuel ratio of lambda (λ) genoemd.
\{\lambda = \ frac{AFR_{actual}} {afr_{ideal}}} \ tag{3}\]
bijvoorbeeld, de ideale luchtbrandstofverhouding voor een benzinemotor is 14,7: 1. Als de werkelijke/reële AFR 13,5 is, zal de equivalentiefactor lambda zijn:
\
afhankelijk van de waarde van lambda, wordt de motor verteld om te werken met mager, stoichiometrisch of rijk luchtbrandstofmengsel.
| Equivalentiefactor | luchtbrandstofmengseltype | beschrijving |
| λ < 1.00 | rijk | er is niet genoeg lucht om de hoeveelheid brandstof volledig te verbranden; na verbranding is er onverbrande brandstof in de uitlaat gassen |
| λ = 1.00 | Stoichiometrische (ideal) | De massa van de lucht is precies voor een volledige verbranding van de brandstof; na verbranding is er geen zuurstof in de uitlaat en geen onverbrande brandstof |
| λ > 1.00 | Lean | Er wordt meer zuurstof dan nodig is voor het branden volledig de hoeveelheid brandstof; na verbranding is er teveel zuurstof in de uitlaatgassen |
afhankelijk van het type brandstof (benzine of diesel) en het type injectie (direct of indirect), kan een verbrandingsmotor functioneren met magere, stoichiometrische of rijke luchtbrandstofmengsels.
afbeelding: Ecoboost 3-cilinder direct injection benzinemotor (lambda map)
Credit: Ford
bijvoorbeeld, de Ford Ecoboost 3-cilinder motor draait met stoichiometrische luchtbrandstofverhouding voor stationair tot middelmatig motortoerental en volledig belastingsbereik, en met een rijk luchtbrandstofmengsel bij hoge snelheid en belasting. De reden waarom het draait met rijke mengsel bij hoge motortoerental en belasting is motorkoeling. De extra brandstof (die onverbrande blijft) wordt geïnjecteerd om warmte te absorberen (door verdamping), waardoor de temperatuur in de verbrandingskamer wordt verlaagd.
afbeelding: Diesel engine (lambda map)
Credit: wtz.de
een motor met compressieontsteking (diesel) loopt voortdurend met een brandstofmengsel met een laag brandstofverbruik, waarbij de waarde van de equivalentiefactor (λ) afhankelijk is van het bedrijfspunt van de motor (toerental en koppel). De reden hiervoor is het werkingsprincipe van een dieselmotor: het regelen van de belasting niet door de luchtmassa (die altijd te hoog is), maar door de brandstofmassa (injectietijd).
bedenk dat een stoichiometrische equivalentiefactor (λ = 1,00) een luchtbrandstofverhouding betekent van 14,7:1 voor benzinemotoren en 14,5:1 voor dieselmotoren.
Ga terug
luchtbrandstofverhouding en motorvermogen
de motorprestaties in termen van vermogen en brandstofverbruik zijn sterk afhankelijk van de luchtbrandstofverhouding. Voor een benzinemotor wordt het laagste brandstofverbruik verkregen bij lean AFR. De belangrijkste reden is dat er voldoende zuurstof beschikbaar is om alle brandstof volledig te verbranden, wat zich vertaalt in mechanisch werk. Aan de andere kant wordt het maximale vermogen verkregen met rijke luchtbrandstofmengsels. Zoals eerder uitgelegd, het plaatsen van meer brandstof in de cilinder bij hoge motorbelasting en toerental, koelt de verbrandingskamer (door brandstofverdamping en warmteabsorptie) waardoor de motor maximaal motorkoppel dus maximaal vermogen produceren.
afbeelding: motorvermogen en brandstofverbruik functie van de luchtbrandstofverhouding (lambda))
in de bovenstaande figuur kunnen we zien dat we niet het maximale vermogen van de motor en het laagste brandstofverbruik met dezelfde lucht brandstof verhouding kunnen krijgen. Het laagste brandstofverbruik (best fuel economy) wordt verkregen met brandstofmengsels met lean air, met een AFR van 15,4:1 en een equivalentiefactor (λ) van 1,05. Het maximale motorvermogen wordt geproduceerd met rijke brandstofmengsels met een AFR van 12,6: 1 en een equivalentiefactor (λ) van 0,86. Bij een stoichiometrisch luchtbrandstofmengsel (λ = 1) is er een compromis tussen maximaal motorvermogen en minimaal brandstofverbruik.
compressieontstekingsmotoren (dieselmotoren) draaien altijd op brandstofmengsels met magere lucht (λ > 1,00). De meeste moderne dieselmotoren draaien met λ tussen 1,65 en 1,10. Het maximale rendement (laagste brandstofverbruik) wordt bereikt rond λ = 1,65. Het verhogen van de hoeveelheid brandstof boven deze waarde (naar 1.10) zal meer roet (onverbrande brandstofdeeltjes) produceren.
er is een interessante studie uitgevoerd door R. Douglas met 2-takt motoren. In zijn proefschrift “Closed Cycle Studies of a Two-takt Cycle Engine”, komt R. Douglas met een wiskundige uitdrukking van de verbrandingsefficiëntie (ηλ) functie van equivalentiefactor (λ).
voor elektrische ontsteking (benzinemotor) met een equivalentiefactor tussen 0,80 en 1.20, is het verbrandingsrendement:
\
voor compressieontsteking (dieselmotor) met een equivalentiefactor tussen 1,00 en 2,00, is het verbrandingsrendement:
\
voor dieselmotoren, indien de equivalentiefactor hoger is dan 2,00, is het verbrandingsrendement maximaal (1,00 of 100%).
we kunnen een Scilab-script gebruiken om de variatie van de verbrandingsefficiëntie-functie van de equivalentiefactor te plotten.
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)
het uitvoeren van de Scilab-instructies hierboven geeft het volgende grafische venster.
afbeelding: Verbrandingsrendementsfunctie van equivalentiefactor
zoals u kunt zien, heeft de motor met compressieontsteking (diesel) bij stoichiometrische luchtbrandstofverhouding een zeer laag verbrandingsrendement. De beste verbrandingsefficiëntie wordt verkregen bij λ = 2,00 voor dieselmotoren en λ = 1,12 voor motoren met vonkontsteking (benzine).
Ga terug
luchtbrandstofverhouding calculator
| ma | brandstoftype Bereken |
λ |
| mf | ηλ |
Opmerking: De verbrandingsefficiëntie wordt alleen berekend voor diesel en benzine (benzine) brandstof, met behulp van vergelijkingen (4) en (5). Voor de andere brandstoffen is de berekening van de verbrandingsefficiëntie niet beschikbaar (NA).
Ga terug
invloed van de luchtbrandstofverhouding op de emissies van motoren
emissies van uitlaatgassen van verbrandingsmotoren hangen sterk af van de luchtbrandstofverhouding (equivalentiefactor). De belangrijkste uitlaatgasemissies in ijs zijn samengevat in onderstaande tabel.
| Uitlaatgas emissie | Beschrijving |
| CO | koolmonoxide |
| HC | koolwaterstof |
| NOx | stikstofoxiden |
| Roet | onverbrande brandstof deeltjes |
Voor een benzine motor, CO, HC en NOx-uitlaatemissies zijn sterk beïnvloed door het brandstof-lucht verhouding. CO en HC worden voornamelijk geproduceerd met een rijk luchtbrandstofmengsel, terwijl NOx met magere mengsels wordt geproduceerd. Er is dus geen vast luchtbrandstofmengsel waarvoor we het minimum voor alle uitlaatemissies kunnen verkrijgen.
afbeelding: efficiëntie van de katalysator van de benzinemotor functie van de luchtbrandstofverhouding
een driewegkatalysator (TWC), gebruikt voor benzinemotoren, heeft het hoogste rendement wanneer de motor werkt in een smalle band rond de stoichiometrische luchtbrandstofverhouding. De TWC zet tussen 50 … 90% van koolwaterstoffen en 90 … 99% van koolmonoxide en stikstofoxiden, wanneer de motor loopt met λ = 1,00.
Go back
Lambda closed-loop combustion control
om te voldoen aan de voorschriften voor uitlaatgasemissies is het van cruciaal belang dat verbrandingsmotoren (vooral benzine) een nauwkeurige regeling van de luchtbrandstofverhouding hebben. Daarom hebben alle moderne verbrandingsmotoren closed-loop control voor air fuel ratio (lambda).
afbeelding: Interne verbrandingsmotor closed-loop-lambda control (benzine motoren)
- air mass flow sensor
- primaire katalysator
- secundaire katalysator
- brandstof injector
- upstream lambda (zuurstof) sensor
- downstream lambda (zuurstof) sensor
- toevoer van brandstof circuit
- inlaatspruitstuk
- uitlaatspruitstuk
De kritische component voor het systeem om te werken is de lambda (zuurstof) sensor. Deze sensor meet het niveau van zuurstofmoleculen in het uitlaatgas en stuurt de informatie naar de motor elektronische regeleenheid (ECU). Gebaseerd op de waarde van de lezing van de zuurstofsensor, zal de ECU van de benzinemotor het niveau van brandstofmassa aanpassen om de luchtbrandstofverhouding rond het stoichiometrische niveau (λ = 1,00) te houden.
bijvoorbeeld (benzinemotoren), als het niveau van zuurstofmoleculen boven de drempelwaarde voor stoichiometrisch niveau ligt (daarom hebben we een mager mengsel), zal bij de volgende injectiecyclus de geïnjecteerde hoeveelheid brandstof worden verhoogd om gebruik te maken van de overtollige lucht. Houd er rekening mee dat de motor altijd de overgang van mager mengsel naar rijk mengsel tussen injectie cycli, die een “gemiddelde” van stoichiometrische lucht brandstofmengsels/verhouding zal geven.
bij dieselmotoren wordt de lambdacontrole op een andere manier uitgevoerd, omdat deze altijd op de verhouding “lean air fuel” draait. Het einddoel is nog steeds hetzelfde, beheersing van de uitstoot van uitlaatgassen.