Índice
- Ar combustível definição da taxa de
- Air fuel ratio fórmula
- Air fuel ratio para diferentes combustíveis
- Como estequiométrica de ar combustível índice é calculado
- Lambda ar combustível rácio
- Air fuel ratio e o desempenho do motor
- Air fuel ratio calculadora
- Impacto de ar e combustível, taxa sobre emissões de motores a
- Lambda de circuito fechado de combustão, de controle
Ar combustível definição da taxa de
Térmica de motores de uso de combustível e o oxigênio (do ar) para a produção de energia através de combustao. Para garantir o processo de combustão, certas quantidades de combustível e ar precisam ser fornecidas na câmara de combustão. Uma combustão completa ocorre quando todo o combustível é queimado, no gás de escape não haverá quantidades de combustível não queimado.
a relação ar-combustível é definida como a relação ar-combustível de uma mistura preparada para combustão. Por exemplo, se temos uma mistura de metano e ar que tem a proporção de combustível do ar de 17,5, isso significa que na mistura temos 17,5 kg de ar e 1 kg de metano.
a razão ideal (teórica) de combustível de ar, para uma combustão completa, é chamada de relação estequiométrica de combustível de ar. Para um motor a gasolina( gasolina), a relação estequiométrica de combustível de ar é de cerca de 14,7:1. Isso significa que, para queimar completamente 1 kg de combustível, precisamos de 14,7 kg de ar. A combustão é possível mesmo é o AFR é diferente do estequiométrico. Para que o processo de combustão ocorra em um motor a gasolina, o AFR mínimo é de cerca de 6:1 e o máximo pode ir até 20:1.
quando a relação ar-combustível é maior que a relação estequiométrica, a mistura ar-combustível é chamada de magra. Quando a relação ar-combustível é menor que a relação estequiométrica, a mistura ar-combustível é chamada de rica. Por exemplo, para um motor a gasolina, um AFR de 16,5:1 é magro e 13,7:1 é rico.
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fórmula da Relação Ar-Combustível
no contexto dos motores de combustão interna, a relação ar-combustível (AF ou AFR) é definida como a relação entre a massa de ar ma e o combustível em massa mf, usado pelo motor ao funcionar:
\{RFA = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1}\]
A razão inversa é chamada de mistura ar-combustível (FA ou MUITO) e é calculado como:
\
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Air fuel ratio para diferentes combustíveis
Na tabela abaixo podemos ver o estequiométrica de ar combustível taxa para vários combustíveis fósseis.
| Combustível | fórmula Química | AFR |
| o Metanol | CH3OH | 6.47:1 |
| Etanol | C2H5OH | 9:1 |
| Butanol | C4H9OH | 11.2:1 |
| Diesel | C12H23 | 14.5:1 |
| Gasolina | C8H18 | 14.7:1 |
| Propano | C3H8 | 15.67:1 |
| O metano | CH4 | 17.19:1 |
| Hidrogênio | H2 | 34.3:1 |
Fonte: wikipedia.org
Por exemplo, para queimar completamente 1 kg de etanol, precisamos de 9 kg de ar para queimar 1 kg de combustível diesel, precisamos de 14,5 kg de ar.
os motores de ignição por faísca (SI) geralmente funcionam com gasolina (gasolina) combustível. O AFR dos motores SI varia dentro da Faixa 12:1 (rich) a 20:1 (lean), dependendo da condição de operação do motor (temperatura, velocidade, carga, etc.). Os modernos motores de combustão interna operam o máximo possível em torno do Afr estequiométrico (principalmente por razões de pós-tratamento de gás). Na tabela abaixo você pode ver um exemplo de um motor si AFR, função da velocidade do motor e torque.
imagem: Exemplo de relação de combustível do ar (AFR) função da velocidade do motor e torque
motores de ignição por compressão (CI) geralmente funcionam com combustível diesel. Devido à natureza do processo de combustão, os motores CI sempre funcionam em misturas magras, com AFR entre 18:1 e 70:1. A principal diferença, em comparação com os motores SI, é que os motores CI funcionam em misturas de combustível de ar estratificadas (não homogêneas), enquanto o SI funciona em misturas homogêneas (no caso de motores de injeção de porta).
a tabela acima é inserida em um script Scilab e um gráfico de contorno é gerado.
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')
Executando o Scilab instruções acima irá gerar o seguinte contorno trama:
Imagem: Ar combustível contorno do terreno com o Scilab
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Como estequiométrica de ar combustível índice é calculado
para compreender como é que a estequiométrica de ar combustível índice é calculado, precisamos olhar para o processo de combustão do combustível. A combustão é basicamente uma reação química (chamada oxidação) na qual um combustível é misturado com oxigênio e produz dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e energia (calor). Leve em consideração que, para que ocorra a reação de oxidação, precisamos de uma energia de ativação (faísca ou alta temperatura). Além disso, a reação líquida é altamente exotérmica (com liberação de calor).
\{spark \text{ (SI)}} \text{carbon dioxide} + \text{Water} + \text{Energy}\]
exemplo 1. Para uma melhor compreensão, vejamos a reação de oxidação do metano. Esta é uma reação química bastante comum, uma vez que o metano é o principal componente do gás natural (na proporção de cerca de 94 %).
Passo 1. Escreva a reação química (oxidação)
\
Etapa 2. Equilibre a equação
\
Etapa 3. Anote o peso atômico padrão para cada átomo
\
Etapa 4. Calcule a massa de combustível, que é 1 mol de metano, composta por 1 átomo de carbono e 4 átomos de hidrogênio.
\
Passo 5. Calcule a massa de oxigênio, que consiste em 2 moles, cada mol composta por 2 átomos de oxigênio.
\
Passo 6. Calcule a massa necessária de ar que contém a massa calculada de oxigênio, levando em consideração que o ar contém cerca de 21% de oxigênio.
\
Passo 7. Calcule a relação ar-combustível usando a equação (1)
\
o AFR calculado para metano não é exatamente como especificado na literatura. A diferença pode vir do fato de que, em nosso exemplo, fizemos várias suposições (o ar contém apenas 21% de oxigênio, os produtos da combustão são apenas dióxido de carbono e água).
Exemplo 2. O mesmo método pode ser aplicado para a combustão da gasolina. Considerando que a gasolina é composta por ISO-octano (C8H18), calcule a relação estequiométrica de combustível aéreo para a gasolina.
Passo 1. Escreva a reação química (oxidação)
\
Etapa 2. Equilibre a equação
\
Etapa 3. Anote o peso atômico padrão para cada átomo
\
Etapa 4. Calcule a massa de combustível, que é 1 mol de iso-octano, composta por 8 átomos de carbono e 18 átomos de hidrogênio.
\
Passo 5. Calcule a massa de oxigênio, que consiste em 12,5 moles, cada mol composto por 2 átomos de oxigênio.
\
Passo 6. Calcule a massa necessária de ar que contém a massa calculada de oxigênio, levando em consideração que o ar contém cerca de 21% de oxigênio.
\
Passo 7. Calcule a relação ar-combustível usando a equação (1)
\
mais uma vez, a relação estequiométrica calculada de combustível de ar para a gasolina é ligeiramente diferente da fornecida na literatura. Assim, o resultado é aceitável, pois fizemos muitas suposições (a gasolina contém apenas iso-octano, o ar contém apenas oxigênio na proporção de 21%, os únicos produtos de combustão são dióxido de carbono e água, a combustão é ideal).
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Lambda air fuel ratio
vimos o que é e como calcular a relação estequiométrica (ideal) Air fuel. Na realidade, os motores de combustão interna não funcionam exatamente com o AFR ideal, mas com valores próximos a ele. Portanto, teremos uma relação AFR de combustível de ar ideal e real. A relação entre a relação de combustível de ar real (AFRactual) e a relação de combustível de ar ideal/estequiométrico (AFRideal) é chamada de relação de combustível de ar de equivalência ou lambda (λ).
\ {\lambda = \ frac {AFR_ {real}} {AFR_{ideal}}} \tag {3}\]
por exemplo, a relação ideal de combustível de ar para um motor a gasolina (gasolina) é 14,7:1. Se o AFR real / real for 13,5, o Fator de equivalência lambda será:
\
dependendo do valor do lambda, o motor é instruído a trabalhar com mistura de combustível de ar magra, estequiométrica ou Rica.
| fator de Equivalência | Ar de mistura de combustível tipo | Descrição |
| λ < 1.00 | Rico | não Há ar suficiente para queimar completamente a quantidade de combustível; depois da combustão, há não queimados de combustível nos gases de escape, |
| λ = 1.00 | Estequiométrica (ideal) | A massa de ar é exata para uma combustão completa do combustível; depois da combustão, não há excesso de oxigênio nos gases de escape e sem combustível não queimados |
| λ > 1.00 | Lean | não Há mais oxigênio do que o necessário para queimar completamente a quantidade de combustível; depois da combustão, há excesso de oxigênio nos gases de escape, |
Dependendo do tipo de combustível (gasolina ou diesel) e o tipo de injeção (direta ou indireta), um motor de combustão interna que pode funcionar com o lean, estequiométrica ou ar rico em misturas de combustível.
imagem: Ecoboost motor a gasolina de injeção direta de 3 cilindros(mapa lambda)
crédito: Ford
por exemplo, o motor Ford Ecoboost de 3 cilindros funciona com relação estequiométrica de combustível de ar para marcha lenta a média e faixa de carga completa, e com rica mistura de combustível de ar em alta velocidade e carga. A razão pela qual ele funciona com uma mistura rica em alta velocidade e carga do motor é o resfriamento do motor. O combustível adicional (que permanecerá não queimado) é injetado para absorver o calor (através da evaporação), reduzindo assim a temperatura na câmara de combustão.
imagem: Motor Diesel (mapa lambda)
crédito: wtz.de
um motor de ignição por compressão (diesel) funciona o tempo todo com mistura de combustível de ar magro, o valor do fator de equivalência (λ) dependendo do ponto de operação do motor (velocidade e torque). A razão para isso é o princípio de funcionamento de um motor diesel: controlar a carga não através da massa de ar (que está sempre em excesso), mas através da massa de combustível (tempo de injeção).
lembre-se de que um fator de equivalência estequiométrica (λ = 1,00) significa uma relação ar-combustível de 14,7:1 para motores a gasolina e 14,5:1 para motores a diesel.
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Air fuel ratio e o desempenho do motor
O desempenho do motor em termos de potência e o consumo de combustível é altamente dependente do ar combustível proporção. Para um motor a gasolina, o menor consumo de combustível é obtido no lean AFR. A principal razão é que há oxigênio suficiente disponível para queimar completamente todo o combustível que se traduz em trabalho mecânico. Por outro lado, a potência máxima é obtida com ricas misturas de combustível de ar. Como explicado antes, colocar mais combustível no cilindro em alta carga e velocidade do motor, esfria a câmara de combustão (através da evaporação do combustível e absorção de calor), o que permite ao motor produzir torque máximo do motor, portanto, potência máxima.
Imagem: potência do Motor e o consumo de combustível em função da air fuel ratio (lambda)
Na figura acima podemos ver que não podemos obter o máximo de potência do motor e menor consumo de combustível com o mesmo ar de combustível proporção. O menor consumo de combustível (melhor economia de combustível) é obtido com misturas de combustível de ar magro, com um AFR de 15,4:1 e um fator de equivalência (λ) de 1,05. A potência máxima do motor é produzida com ricas misturas de combustível de ar, com um AFR de 12,6:1 e um fator de equivalência (λ) de 0,86. Com uma mistura estequiométrica de combustível de ar (λ = 1), há um compromisso entre a potência máxima do motor e o consumo mínimo de combustível.
os motores de ignição por compressão (diesel) funcionam sempre com misturas de combustível de ar magro (λ > 1,00). A maioria dos motores diesel modernos funciona com λ entre 1,65 e 1,10. A eficiência máxima (menor consumo de combustível) é obtida em torno de λ = 1,65. Aumentar a quantidade de combustível acima desse valor (indo para 1,10) produzirá mais fuligem (partículas de combustível não queimadas).
há um estudo interessante realizado por R. Douglas em motores de ciclo de 2 tempos. Em sua tese de doutorado “estudos de ciclo fechado de um motor de ciclo de dois tempos”, R. Douglas vem com uma expressão matemática da eficiência de combustão (ηλ) função do fator de equivalência (λ).
para ignição por faísca (motor a gasolina) com um fator de equivalência entre 0,80 e 1.20, a eficiência de combustão é:
\
Para ignição por compressão (motor diesel) com um fator de equivalência entre 1,00 e 2,00, a eficiência de combustão é:
\
Para motores a diesel, se o fator de equivalência vai acima de 2.00, a eficiência de combustão é de, no máximo (1.00 ou 100 %).
podemos usar um script Scilab para traçar a variação da função de eficiência de combustão do fator de equivalência.
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)
executar as instruções do Scilab acima gera a seguinte janela gráfica.
Imagem: eficiência de Combustão em função do fator de equivalência
Como você pode ver, de ignição por compressão (diesel) do motor, em estequiométrica de ar combustível proporção muito baixa eficiência de combustão. A melhor eficiência de combustão é obtida em λ = 2,00 para diesel e λ = 1,12 para motores de ignição por faísca (gasolina).
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Air fuel ratio calculadora
| ma | tipo de Combustível Calcular |
λ |
| mf | ηλ |
Observação: A eficiência de combustão é calculado apenas para o diesel e a gasolina (a gasolina) de combustível, utilizando as equações (4) e (5). Para os outros combustíveis, o cálculo da eficiência de combustão não está disponível (NA).
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impacto da relação de combustível do ar nas emissões do motor
as emissões de gases de escape do motor de combustão interna dependem fortemente da relação de combustível do ar (fator de equivalência). As principais emissões de gases de escape no gelo estão resumidas na tabela abaixo.
| emissões de gases de Escape | Descrição |
| CO | monóxido de carbono |
| HC | hidrocarbonetos |
| NOx | óxidos de nitrogênio |
| Fuligem | não queimados partículas de combustível |
Para um motor a gasolina, CO, HC e NOx emissões de gases de escape são fortemente influenciados pela air fuel ratio. CO e HC são produzidos principalmente com rica mistura de combustível de ar, enquanto NOx com misturas magras. Portanto, não existe uma mistura fixa de combustível de ar para a qual possamos obter o mínimo para todas as emissões de escape.
Imagem: motor a Gasolina de catalisador a eficiência da função de ar e combustível, taxa de
Um catalisador de três vias (TWC), usado para os motores a gasolina, tem a maior eficiência quando o motor opera em uma faixa estreita em torno de estequiométrica de ar combustível proporção. O TWC converte entre 50 … 90% de hidrocarbonetos e 90 … 99% de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio, quando o motor funciona com λ = 1,00.
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Lambda controle de combustão em circuito fechado
para atender aos regulamentos de emissões de gases de escape, é fundamental que os motores de combustão interna (especialmente a gasolina) tenham um controle preciso da relação ar-combustível. Portanto, todos os modernos motores de combustão interna têm controle de circuito fechado para relação de combustível de ar (lambda).
imagem: Motor de combustão interna ciclo fechado lambda (controle de motores a gasolina)
- massa de ar sensor de fluxo
- principal catalisador
- secundário catalisador
- injetor de combustível
- a montante lambda (oxigênio) sensor
- a jusante lambda (oxigênio) sensor
- circuito de alimentação de combustível
- coletor de admissão
- colector de escape
O componente crítico para o sistema funcionar é o lambda (oxigênio) do sensor. Este sensor mede o nível de moléculas de oxigênio no gás de exaustão e envia as informações para a unidade de controle eletrônico do motor (ECU). Com base no valor da leitura do sensor de oxigênio, a ECU do motor a gasolina ajusta o nível de massa de combustível para manter a relação ar-combustível em torno do nível estequiométrico (λ = 1,00).
Por exemplo, (motores a gasolina), se o nível de moléculas de oxigênio estiver acima do limite para estequiométrica nível (por isso temos uma magra mistura), no próximo ciclo de injeção, o combustível injetado quantia será aumentada, a fim de fazer uso do excesso de ar. Tenha em mente que o motor sempre fará a transição da mistura magra para a mistura rica entre os ciclos de injeção, o que dará uma “média” de misturas/proporção de combustível de ar estequiométrico.
para motores a diesel, uma vez que sempre funciona com relação de combustível de ar magra, o controle lambda é realizado de maneira diferente. O objetivo final ainda é o mesmo, controle das emissões de gases de escape.