spis treści
- stosunek paliwa lotniczego definicja
- stosunek paliwa lotniczego formuła
- stosunek paliwa lotniczego dla różnych paliw
- sposób obliczania stechiometrycznego stosunku paliwa lotniczego
- stosunek paliwa lotniczego Lambda
- stosunek paliwa do powietrza i osiągi silnika
- Kalkulator stosunku paliwa do powietrza
- wpływ stosunku paliwa do powietrza na emisje z silnika
- Kontrola spalania lambda w pętli zamkniętej
definicja stosunku paliwa do powietrza
silniki cieplne wykorzystują paliwo i tlen (z powietrza) do produkcji energii poprzez spalanie. Aby zagwarantować proces spalania, do komory spalania muszą być dostarczane określone ilości paliwa i powietrza. Całkowite spalanie ma miejsce, gdy całe paliwo zostanie spalone, w gazach spalinowych nie będzie ilości niespalonego paliwa.
stosunek paliwa lotniczego definiuje się jako stosunek powietrza i paliwa mieszaniny przygotowanej do spalania. Na przykład, jeśli mamy mieszaninę metanu i powietrza, która ma stosunek paliwa lotniczego 17,5, oznacza to, że w mieszaninie mamy 17,5 kg powietrza i 1 kg metanu.
idealny (teoretyczny) stosunek paliwa lotniczego, dla całkowitego spalania, nazywa się stechiometrycznym stosunkiem paliwa lotniczego. Dla silnika benzynowego (benzynowego)stechiometryczny stosunek paliwa lotniczego wynosi około 14,7:1. Oznacza to, że aby całkowicie spalić 1 kg paliwa, potrzebujemy 14,7 kg powietrza. Spalanie jest możliwe nawet jest AFR jest inny niż stechiometryczne. Aby proces spalania odbywał się w silniku benzynowym, minimalna wartość AFR wynosi około 6:1, A maksymalna może wzrosnąć do 20:1.
gdy stosunek paliwa lotniczego jest wyższy niż stosunek stechiometryczny, mieszanka paliwa lotniczego nazywa się chudym. Gdy stosunek paliwa lotniczego jest niższy niż stosunek stechiometryczny, mieszanka paliwa lotniczego nazywana jest bogatą. Na przykład dla silnika benzynowego AFR 16,5:1 jest chudy, a 13,7:1 jest bogaty.
Wróć
formuła stosunku paliwa lotniczego
w kontekście silników spalinowych stosunek paliwa lotniczego (AF lub AFR) jest zdefiniowany jako stosunek masy powietrza ma do masy paliwa MF, używany przez silnik podczas pracy:
\{AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1}\]
odwrotny stosunek nazywa się stosunkiem paliwa do powietrza (FA lub FAR) I jest obliczany jako:
\
Wróć
stosunek paliwa lotniczego dla różnych paliw
w poniższej tabeli możemy zobaczyć stechiometryczny stosunek paliwa lotniczego dla kilku paliw kopalnych.
| paliwo | wzór chemiczny | AFR |
| metanol | CH3OH | 6.47:1 |
| Etanol | C2H5OH | 9:1 |
| Butanol | C4H9OH | 11, 2:1 |
| Diesel | C12H23 | 14.5:1 |
| Benzyna | C8H18 | 14.7:1 |
| propan | C3H8 | 15.67:1 |
| Metan | CH4 | 17.19:1 |
| Wodór | H2 | 34.3:1 |
źródło: wikipedia.org
na przykład, aby całkowicie spalić 1 kg etanolu, potrzebujemy 9 kg powietrza, a aby spalić 1 kg oleju napędowego, potrzebujemy 14,5 kg powietrza.
silniki z zapłonem iskrowym (SI) zwykle pracują na paliwie benzynowym (Benzyna). AFR silników SI zmienia się w zakresie od 12:1 (rich) do 20: 1 (lean), w zależności od warunków pracy silnika (temperatura, prędkość, obciążenie itp.). Nowoczesne silniki spalinowe pracują w jak największym stopniu wokół AFR stechiometrycznego (głównie ze względów oczyszczania gazów). W poniższej tabeli można zobaczyć przykład silnika SI AFR, funkcję prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika.
Obraz: Przykład stosunku paliwa lotniczego (AFR) funkcja prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika
silniki z zapłonem samoczynnym (CI) zwykle pracują na oleju napędowym. Ze względu na charakter procesu spalania, silniki CI zawsze pracują na chudych mieszankach, z AFR między 18:1 i 70:1. Główna różnica w porównaniu z silnikami o zapłonie samoczynnym polega na tym, że silniki o zapłonie samoczynnym pracują na warstwowych (niejednorodnych) mieszaninach paliw lotniczych, podczas gdy silniki o zapłonie samoczynnym pracują na jednorodnych mieszaninach (w przypadku silników z wtryskiem portowym).
powyższa tabela jest wprowadzana do skryptu Scilab i generowany jest wykres konturu.
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')
uruchomienie powyższej instrukcji Scilab spowoduje wygenerowanie następującego wykresu konturu:
Image: Air Fuel contour plot with Scilab
Go back
jak oblicza się stechiometryczny stosunek paliwa lotniczego
aby zrozumieć, w jaki sposób oblicza się stechiometryczny stosunek paliwa lotniczego, musimy przyjrzeć się procesowi spalania paliwa. Spalanie jest zasadniczo reakcją chemiczną (zwaną utlenianiem), w której paliwo miesza się z tlenem i wytwarza dwutlenek węgla (CO2), wodę (H2O) i energię (ciepło). Należy wziąć pod uwagę, że aby doszło do reakcji utleniania, potrzebujemy energii aktywacji (iskry lub wysokiej temperatury). Ponadto reakcja netto jest silnie egzotermiczna (z wydzielaniem ciepła).
\{spark \text{ (SI)}} \text{dwutlenek węgla} + \text{woda} + \text{Energia}\]
przykład 1. Dla lepszego zrozumienia przyjrzyjmy się reakcji utleniania metanu. Jest to dość powszechna reakcja chemiczna, ponieważ metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego (w proporcji około 94 %).
Krok 1. Napisz reakcję chemiczną (utlenianie)
\
Krok 2. Wyrównaj równanie
\
Krok 3. Zapisz standardową masę atomową dla każdego atomu
\
Krok 4. Oblicz masę paliwa, która jest 1 mol metanu, składa się z 1 atomu węgla i 4 atomów wodoru.
\
Krok 5. Oblicz masę tlenu, który składa się z 2 moli, każdy mol składa się z 2 atomów tlenu.
\
Krok 6. Obliczyć niezbędną masę powietrza, która zawiera obliczoną masę tlenu, biorąc pod uwagę, że powietrze zawiera około 21% tlenu.
\
Krok 7. Oblicz stosunek paliwa lotniczego za pomocą równania (1)
\
obliczony AFR dla metanu nie jest dokładnie taki, jak określono w literaturze. Różnica może wynikać z tego, że w naszym przykładzie przyjęliśmy kilka założeń (powietrze zawiera tylko 21% tlenu, produktami spalania są tylko dwutlenek węgla i woda).
przykład 2. Ta sama metoda może być stosowana do spalania benzyny. Biorąc pod uwagę, że benzyna składa się z izooktanu (C8H18), Oblicz stechiometryczny stosunek paliwa lotniczego dla benzyny.
Krok 1. Napisz reakcję chemiczną (utlenianie)
\
Krok 2. Wyrównaj równanie
\
Krok 3. Zapisz standardową masę atomową dla każdego atomu
\
Krok 4. Oblicz masę paliwa, która wynosi 1 mol izooktanu, złożonego z 8 atomów węgla i 18 atomów wodoru.
\
Krok 5. Oblicz masę tlenu, który składa się z 12,5 mola, każdy mol składa się z 2 atomów tlenu.
\
Krok 6. Obliczyć niezbędną masę powietrza, która zawiera obliczoną masę tlenu, biorąc pod uwagę, że powietrze zawiera około 21% tlenu.
\
Krok 7. Oblicz stosunek paliwa lotniczego za pomocą równania (1)
\
ponownie, obliczony stechiometryczny stosunek paliwa lotniczego dla benzyny jest nieco inny niż podany w literaturze. Tak więc wynik jest akceptowalny, ponieważ zrobiliśmy wiele założeń (Benzyna zawiera tylko izooktan, powietrze zawiera tylko tlen w proporcji 21 %, jedynymi produktami spalania są dwutlenek węgla i woda, spalanie jest idealne).
Wróć
stosunek paliwa lotniczego Lambda
widzieliśmy, co to jest i jak obliczyć stechiometryczny (idealny) stosunek paliwa lotniczego. W rzeczywistości silniki spalinowe nie działają dokładnie z idealnym AFR, ale z wartościami mu bliskimi. Dlatego będziemy mieli idealny i rzeczywisty stosunek AFR paliwa lotniczego. Stosunek rzeczywistego stosunku paliwa lotniczego (AFRactual) do idealnego/stechiometrycznego stosunku paliwa lotniczego (AFRideal) nazywany jest równoważnym stosunkiem paliwa lotniczego lub lambda (λ).
\{\lambda = \ frac{AFR_{actual}} {AFR_{ideal}}} \ tag {3}\]
na przykład idealny stosunek paliwa lotniczego dla silnika benzynowego wynosi 14,7: 1. Jeśli rzeczywista / rzeczywista AFR wynosi 13,5, współczynnik równoważności lambda będzie wynosił:
\
w zależności od wartości lambda, silnik ma pracować z chudą, stechiometryczną lub bogatą powietrzną mieszanką paliwową.
| współczynnik równoważności | rodzaj mieszanki paliwowej | opis |
| λ < 1.00 | Rich | nie ma wystarczającej ilości powietrza, aby całkowicie spalić ilość paliwa; po spaleniu w spalinach znajduje się niespalone paliwo |
| λ = 1.00 | Stechiometryczny (idealny) | masa powietrza jest dokładna do całkowitego spalania paliwa; po spaleniu nie ma nadmiaru tlenu w spalinach i nie ma niespalonego paliwa |
| λ > 1.00 | chudego | jest więcej tlenu niż potrzeba, aby całkowicie spalić ilość paliwa; po spalaniu występuje nadmiar tlenu w spalinach |
w zależności od rodzaju paliwa (Benzyna lub olej napędowy) i rodzaju wtrysku (bezpośredniego lub pośredniego) silnik spalinowy może pracować z chudymi, stechiometrycznymi lub bogatymi mieszankami paliwowymi.
Obraz: Ecoboost 3-cylindrowy silnik benzynowy z bezpośrednim wtryskiem (Mapa lambda)
kredyt: Ford
na przykład 3-cylindrowy silnik Ford Ecoboost pracuje ze stechiometrycznym stosunkiem paliwa lotniczego dla biegu jałowego do średniej prędkości obrotowej silnika i pełnym zakresem obciążenia oraz z bogatą mieszanką paliwa lotniczego przy dużej prędkości i obciążeniu. Powodem, dla którego pracuje z bogatą mieszanką przy dużej prędkości obrotowej i obciążeniu silnika, jest chłodzenie silnika. Dodatkowe paliwo (które pozostanie niespalone) jest wtryskiwane w celu absorpcji ciepła (poprzez odparowanie), zmniejszając w ten sposób temperaturę w komorze spalania.
Zdjęcie: Silnik Diesla (Mapa lambda)
kredyt: wtz.de
silnik wysokoprężny pracuje cały czas z mieszanką chudego powietrza, wartość współczynnika równoważności (λ) w zależności od punktu pracy silnika (prędkość i moment obrotowy). Powodem tego jest zasada działania silnika wysokoprężnego: kontrolowanie obciążenia nie przez masę powietrza (która jest zawsze nadmierna), ale przez masę paliwa (Czas wtrysku).
pamiętaj, że stechiometryczny współczynnik równoważności (λ = 1,00) oznacza stosunek paliwa lotniczego 14,7:1 dla silników benzynowych i 14,5:1 dla silników wysokoprężnych.
Wróć
stosunek paliwa do powietrza i osiągi silnika
wydajność silnika pod względem mocy i zużycia paliwa jest w dużym stopniu zależna od stosunku paliwa do powietrza. W przypadku silnika benzynowego najniższe zużycie paliwa uzyskuje się w lean AFR. Głównym powodem jest to, że dostępnych jest wystarczająco dużo tlenu, aby całkowicie spalić całe paliwo, co przekłada się na pracę mechaniczną. Z drugiej strony, maksymalna moc uzyskiwana jest dzięki bogatym mieszankom paliwowym. Jak wyjaśniono wcześniej, umieszczenie większej ilości paliwa w cylindrze przy dużym obciążeniu i prędkości obrotowej silnika, chłodzi komorę spalania (poprzez odparowanie paliwa i pochłanianie ciepła), co pozwala silnikowi uzyskać maksymalny moment obrotowy silnika, a tym samym maksymalną moc.
obraz: moc silnika i zużycie paliwa funkcja stosunku paliwa lotniczego (lambda)
na powyższym rysunku widzimy, że nie możemy uzyskać maksymalnej mocy silnika i najniższego zużycia paliwa przy tym samym stosunku paliwa powietrza. Najniższe zużycie paliwa (best fuel economy) uzyskuje się z mieszanin chudego paliwa lotniczego, o współczynniku AFR 15,4: 1 i współczynniku równoważności (λ) 1,05. Maksymalna moc silnika jest wytwarzana przy użyciu mieszanek paliwowych, o współczynniku AFR 12,6: 1 i współczynniku równoważności (λ) 0,86. W przypadku stechiometrycznej mieszanki paliwowej (λ = 1) istnieje kompromis pomiędzy maksymalną mocą silnika a minimalnym zużyciem paliwa.
silniki wysokoprężne zawsze pracują na mieszaninach chudego powietrza (λ > 1.00). Większość nowoczesnych silników wysokoprężnych pracuje z λ między 1,65 a 1,10. Maksymalną sprawność (najniższe zużycie paliwa)uzyskuje się w okolicach λ = 1,65. Zwiększenie ilości paliwa powyżej tej wartości (zmierzając w kierunku 1,10) spowoduje powstanie większej ilości sadzy (niespalonych cząstek paliwa).
jest ciekawe badanie przeprowadzone przez R. Douglasa na silnikach dwusuwowych. W swojej pracy doktorskiej „Closed Cycle Studies of a dwusuwowy Cycle Engine” R. Douglas zawarł matematyczne wyrażenie sprawności spalania (ηλ) funkcji współczynnika równoważności (λ).
dla zapłonu iskrowego (silnik benzynowy) o współczynniku równoważności między 0,80 a 1.20, sprawność spalania wynosi:
\
dla zapłonu samoczynnego (silnik wysokoprężny) o współczynniku równoważności między 1,00 a 2,00, sprawność spalania wynosi:
\
dla silników wysokoprężnych, jeśli współczynnik równoważności przekracza 2,00, sprawność spalania jest maksymalna (1,00 lub 100%).
możemy użyć skryptu Scilab do wykreślenia zmienności funkcji efektywności spalania współczynnika równoważności.
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)
uruchomienie powyższej instrukcji Scilab spowoduje wyświetlenie następującego okna graficznego.
Image: sprawność spalania funkcja współczynnika równoważności
jak widać, silnik wysokoprężny, przy stechiometrycznym stosunku paliwa lotniczego ma bardzo niską sprawność spalania. Najlepszą sprawność spalania uzyskuje się przy λ = 2,00 dla silników wysokoprężnych i λ = 1,12 dla silników o zapłonie iskrowym (benzynowych).
Wróć
Kalkulator stosunku paliwa lotniczego
| ma | Typ paliwa Oblicz |
|
| mf |
Uwaga: wydajność spalania jest obliczana tylko dla oleju napędowego i benzyny (Benzyna), za pomocą równań (4) i (5). W przypadku innych paliw obliczenie efektywności spalania nie jest dostępne (NA).
Wróć
wpływ stosunku paliwa do powietrza na emisje z silnika
emisje spalin z silnika spalinowego w dużym stopniu zależą od stosunku paliwa do powietrza (współczynnik równoważności). Główne emisje spalin w lodzie przedstawiono w poniższej tabeli.
| emisja spalin | opis |
| CO | tlenek węgla |
| HC | |
| NOx | tlenki azotu |
| sadza | niespalone cząstki paliwa |
w przypadku silnika benzynowego na emisje co, HC i NOx duży wpływ ma stosunek paliwa lotniczego. CO i HC są wytwarzane głównie z bogatej mieszanki paliwowej powietrza, podczas gdy NOx z mieszanin chudych. Tak więc, nie ma stałej mieszanki paliwowej powietrza, dla których możemy uzyskać minimum dla wszystkich emisji spalin.
Image: sprawność katalizatora w silniku benzynowym funkcja stosunku paliwa lotniczego
trójdrożny katalizator (TWC), stosowany w silnikach benzynowych, ma najwyższą wydajność, gdy silnik pracuje w wąskim paśmie wokół stechiometrycznego stosunku paliwa lotniczego. TWC przetwarza między 50 … 90% węglowodorów i 90 … 99% tlenku węgla i tlenków azotu, gdy silnik pracuje z λ = 1,00.
Wróć
Kontrola spalania Lambda w obiegu zamkniętym
aby spełnić przepisy dotyczące emisji spalin, bardzo ważne jest, aby Silniki spalinowe (zwłaszcza benzynowe) miały dokładną kontrolę stosunku paliwa lotniczego. Dlatego wszystkie nowoczesne silniki spalinowe mają zamkniętą pętlę kontroli stosunku paliwa lotniczego (lambda).
: Silnik spalinowy z zamkniętą pętlą lambda (silniki benzynowe)
- Czujnik Masowego Przepływu Powietrza
- katalizator pierwotny
- katalizator wtórny
- wtryskiwacz paliwa
- CZUJNIK Lambda (tlenu) przed odbiorem
- CZUJNIK Lambda (tlenu) przed odbiorem
- obwód zasilania paliwem
- kolektor dolotowy
- kolektor wydechowy
kluczowym elementem do pracy układu jest czujnik lambda (tlenu). Czujnik ten mierzy poziom cząsteczek tlenu w spalinach i wysyła informacje do elektronicznej jednostki sterującej silnika (ECU). Na podstawie wartości odczytu czujnika tlenu, ECU silnika benzynowego dostosowuje poziom masy paliwa w celu utrzymania stosunku paliwa powietrza wokół poziomu stechiometrycznego (λ = 1,00).
na przykład (silniki benzynowe), jeśli poziom cząsteczek tlenu jest powyżej progu poziomu stechiometrycznego (dlatego mamy mieszankę chudą), w następnym cyklu wtrysku ilość wtryskiwanego paliwa zostanie zwiększona, aby wykorzystać nadmiar powietrza. Należy pamiętać, że silnik zawsze będzie przechodził z mieszanki chudej do bogatej mieszanki między cyklami wtrysku, co da „średnią”stechiometrycznych mieszanek paliwowych powietrza/stosunek.
w przypadku silników wysokoprężnych, ponieważ zawsze pracuje na stosunku chudego powietrza, sterowanie lambda odbywa się w inny sposób. Cel końcowy jest nadal ten sam, kontrola emisji spalin.