cuprins
- raportul combustibilului aerian definiție
- raportul combustibilului aerian formula
- raportul combustibilului aerian pentru diferiți combustibili
- cum se calculează raportul stoichiometric al combustibilului aerian
- raportul combustibilului aerian Lambda
- raportul combustibilului aerian și performanța motorului
- calculatorul raportului combustibilului aerian
- impactul raportului combustibilului aerian asupra emisiilor motorului
- controlul combustiei în buclă închisă Lambda
definiția raportului combustibilului aerian
motoarele termice folosesc combustibil și oxigen (din aer) pentru a produce energie prin combustie. Pentru a garanta procesul de ardere, anumite cantități de combustibil și aer trebuie furnizate în camera de ardere. O combustie completă are loc atunci când tot combustibilul este ars, în gazele de eșapament nu vor exista cantități de combustibil nears.
raportul de combustibil al aerului este definit ca raportul dintre AER și combustibil al unui amestec pregătit pentru ardere. De exemplu, dacă avem un amestec de metan și aer care are raportul de combustibil al aerului de 17,5, înseamnă că în amestec avem 17,5 kg de aer și 1 kg de metan.
raportul ideal (teoretic) de combustibil al aerului, pentru o combustie completă, se numește raportul stoichiometric de combustibil al aerului. Pentru un motor pe benzină (benzină), raportul stoichiometric al combustibilului cu aer este de aproximativ 14,7:1. Aceasta înseamnă că, pentru a arde complet 1 kg de combustibil, avem nevoie de 14,7 kg de aer. Arderea este posibilă chiar dacă AFR este diferit de stoichiometric. Pentru ca procesul de ardere să aibă loc într-un motor pe benzină, AFR minim este în jur de 6:1, iar maximul poate ajunge până la 20:1.
când raportul combustibil aer este mai mare decât raportul stoichiometric, amestecul combustibil aer se numește lean. Când raportul de combustibil al aerului este mai mic decât raportul stoichiometric, amestecul de combustibil al aerului se numește bogat. De exemplu, pentru un motor pe benzină, un AFR de 16,5:1 este slab și 13,7:1 este bogat.
înapoi
Formula raportului aer-combustibil
în contextul motoarelor cu ardere internă, raportul aer-combustibil (AF sau AFR) este definit ca raportul dintre masa aerului ma și masa combustibilului MF, utilizat de motor atunci când funcționează:
\{AFR = \frac{m_a} {m_f}}\ tag {1}\]
raportul invers se numește raportul combustibil-aer (FA sau FAR) și este calculat ca:
\
înapoi
raportul combustibil aer pentru diferiți combustibili
în tabelul de mai jos putem vedea raportul combustibil aer stoichiometric pentru mai mulți combustibili fosili.
| combustibil | formula chimică | AFR |
| metanol | CH3OH | 6.47:1 |
| etanol | C2H5OH | 9:1 |
| Butanol | C4H9OH | 11, 2:1 |
| Diesel | C12H23 | 14.5:1 |
| benzină | C8H18 | 14.7:1 |
| propan | C3H8 | 15.67:1 |
| Metan | CH4 | 17.19:1 |
| hidrogen | H2 | 34.3:1 |
Sursa: wikipedia.org
de exemplu, pentru a arde complet 1 kg de etanol, avem nevoie de 9 kg de aer și pentru a arde 1 kg de motorină, avem nevoie de 14,5 kg de aer.
motoarele cu aprindere prin scânteie (SI) funcționează de obicei cu combustibil pe benzină (benzină). AFR-ul motoarelor SI variază în intervalul 12:1 (bogat) până la 20:1 (slab), în funcție de starea de funcționare a motorului (temperatură, viteză, sarcină etc.). Motoarele moderne cu combustie internă funcționează cât mai mult posibil în jurul AFR stoichiometric (în principal din motive de post-tratare a gazelor). În tabelul de mai jos puteți vedea un exemplu de AFR motor SI, funcție de turația motorului și cuplul.
imagine: Exemplu de funcție air fuel ratio (AFR) a turației și cuplului motorului
motoarele cu aprindere prin compresie (CI) funcționează de obicei cu motorină. Datorită naturii procesului de ardere, motoarele CI funcționează întotdeauna pe amestecuri slabe, cu AFR între 18:1 și 70:1. Principala diferență, în comparație cu motoarele SI, este că motoarele CI funcționează pe amestecuri de combustibil stratificat (neomogen), în timp ce SI funcționează pe amestecuri omogene (în cazul motoarelor cu injecție port).
tabelul de mai sus este introdus într-un script Scilab și este generat un complot contur.
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')
rularea instrucțiunilor Scilab de mai sus va genera următorul grafic contur:
imagine: aer combustibil contur grafic cu Scilab
du-te înapoi
cum se calculează raportul stoichiometric aer combustibil
pentru a înțelege modul în care se calculează raportul stoichiometric aer combustibil, avem nevoie să se uite la procesul de ardere a combustibilului. Arderea este practic o reacție chimică (numită oxidare) în care un combustibil este amestecat cu oxigen și produce dioxid de carbon (CO2), apă (H2O) și energie (căldură). Luați în considerare faptul că, pentru ca reacția de oxidare să aibă loc, avem nevoie de o energie de activare (scânteie sau temperatură ridicată). De asemenea, reacția netă este foarte exotermă (cu eliberare de căldură).
\{spark \text{ (SI)}} \text{dioxid de Carbon} + \text{apă} + \text{energie}\]
Exemplul 1. Pentru o mai bună înțelegere, Să analizăm reacția de oxidare a metanului. Aceasta este o reacție chimică destul de comună, deoarece metanul este componenta primară a gazului natural (în proporție de aproximativ 94 %).
Pasul 1. Scrieți reacția chimică(oxidare)
\
Pasul 2. Echilibrați ecuația
\
Pasul 3. Notați greutatea atomică standard pentru fiecare atom
\
Pasul 4. Calculați masa de combustibil, care este de 1 mol de metan, formată din 1 atom de carbon și 4 atomi de hidrogen.
\
Pasul 5. Calculați masa de oxigen, care constă din 2 moli, fiecare mol format din 2 atomi de oxigen.
\
Pasul 6. Calculați masa necesară de aer care conține masa calculată de oxigen, ținând cont de faptul că aerul conține aproximativ 21% oxigen.
\
Pasul 7. Calculați raportul de combustibil al aerului folosind ecuația (1)
\
AFR calculat pentru metan nu este exact așa cum este specificat în literatură. Diferența ar putea proveni din faptul că, în exemplul nostru, am făcut mai multe ipoteze (aerul conține doar 21% oxigen, produsele combustiei sunt doar dioxid de carbon și apă).
Exemplul 2. Aceeași metodă poate fi aplicată și pentru arderea benzinei. Având în vedere că benzina este alcătuită din izo-octan (C8H18), calculați raportul stoichiometric al combustibilului pentru benzină.
Pasul 1. Scrieți reacția chimică(oxidare)
\
Pasul 2. Echilibrați ecuația
\
Pasul 3. Notați greutatea atomică standard pentru fiecare atom
\
Pasul 4. Calculați masa combustibilului, care este de 1 mol de izo-octan, formată din 8 atomi de carbon și 18 atomi de hidrogen.
\
Pasul 5. Calculați masa de oxigen, care constă din 12,5 moli, fiecare mol format din 2 atomi de oxigen.
\
Pasul 6. Calculați masa necesară de aer care conține masa calculată de oxigen, ținând cont de faptul că aerul conține aproximativ 21% oxigen.
\
Pasul 7. Calculați raportul de combustibil al aerului folosind ecuația (1)
\
din nou, raportul calculat stoichiometric al combustibilului pentru benzină este ușor diferit de cel furnizat în literatură. Astfel, rezultatul este acceptabil, deoarece am făcut o mulțime de ipoteze (benzina conține doar izo-octan, aerul conține doar oxigen în proporție de 21 %, singurele produse de ardere sunt dioxidul de carbon și apa, arderea este ideală).
înapoi
raportul Lambda air fuel
am văzut ce este și cum se calculează raportul stoichiometric (ideal) air fuel. În realitate, motoarele cu combustie internă nu funcționează exact cu AFR ideal, ci cu valori apropiate de acesta. Prin urmare, vom avea un ideal și un raport real de combustibil aer AFR. Raportul dintre raportul real al combustibilului în aer (AFRactual) și raportul ideal/stoichiometric al combustibilului în aer (AFRideal) se numește raport de echivalență a combustibilului în aer sau lambda (XV).
\{\lambda = \frac{AFR_{real}}{AFR_{ideal}}}\ tag{3}\]
de exemplu, raportul ideal de combustibil pentru un motor pe benzină (benzină) este de 14,7:1. Dacă AFR real / real este 13,5, factorul de echivalență lambda va fi:
\
în funcție de valoarea lambda, motorului i se spune să lucreze cu amestec de combustibil de aer slab, stoichiometric sau bogat.
| Echivalența factor | Aer amestec de carburant de tip | Descriere |
| λ < 1.00 | Bogat | nu Există suficient aer pentru a arde complet cantitatea de combustibil; după ardere este combustibilul nears din gazele de evacuare |
| λ = 1.00 | Stoichiometric (ideal) | masa de aer este exact pentru o ardere completă a combustibilului; după ardere nu există nici un exces de oxigen în evacuare și nici combustibilul nears |
| λ > 1.00 | Lean | Există mai mult oxigen decât este necesar pentru a arde complet cantitatea de combustibil; după ardere, există exces de oxigen în gazele de eșapament |
în funcție de tipul de combustibil (benzină sau motorină) și de tipul de injecție (directă sau indirectă), un motor cu ardere internă poate funcționa cu amestecuri de combustibil cu aer slab, stoichiometric sau bogat.
imagine: Ecoboost motor pe benzină cu injecție directă cu 3 cilindri(harta lambda)
Credit: Ford
de exemplu, motorul Ford Ecoboost cu 3 cilindri funcționează cu raportul stoichiometric de combustibil pentru turația motorului la ralanti și medie și gama completă de încărcare și cu amestec bogat de combustibil de aer la viteză mare și sarcină. Motivul pentru care funcționează cu amestec bogat la turație și sarcină ridicată a motorului este răcirea motorului. Combustibilul suplimentar (care va rămâne nears) este injectat pentru a absorbi căldura (prin evaporare), reducând astfel temperatura din camera de ardere.
imagine: motor Diesel (lambda map)
Credit: wtz.de
un motor cu aprindere prin compresie (diesel) funcționează tot timpul cu un amestec de combustibil cu aer slab, valoarea factorului de echivalență (XV) în funcție de punctul de funcționare al motorului (turație și cuplu). Motivul pentru aceasta este principiul de funcționare al unui motor diesel: controlul sarcinii nu prin masa de aer (care este întotdeauna în exces), ci prin masa combustibilului (timpul de injecție).
amintiți-vă că un factor de echivalență stoichiometrică (XV = 1,00) înseamnă un raport al combustibilului în aer de 14,7:1 pentru motoarele pe benzină și 14,5:1 pentru motoarele diesel.
înapoi
raportul de combustibil în aer și performanța motorului
performanța motorului în ceea ce privește puterea și consumul de combustibil depinde în mare măsură de raportul de combustibil în aer. Pentru un motor pe benzină, cel mai mic consum de combustibil este obținut la Lean AFR. Motivul principal este că există suficient oxigen disponibil pentru a arde complet tot combustibilul care se traduce în lucrări mecanice. Pe de altă parte, puterea maximă este obținută cu amestecuri bogate de combustibil de aer. Așa cum s-a explicat anterior, punând mai mult combustibil în cilindru la sarcină și viteză ridicată a motorului, răcește camera de ardere (prin evaporarea combustibilului și absorbția căldurii), ceea ce permite motorului să producă Cuplul maxim al motorului, astfel puterea maximă.
imagine: puterea motorului și consumul de combustibil funcția de aer combustibil raport (lambda)
în figura de mai sus putem vedea că nu putem obține puterea maximă a motorului și cel mai mic consum de combustibil cu același raport de combustibil al aerului. Cel mai mic consum de combustibil (cea mai bună economie de combustibil) este obținut cu amestecurile de combustibil cu aer slab, cu un AFR de 15,4:1 și un factor de echivalență (XV) de 1,05. Puterea maximă a motorului este produsă cu amestecuri bogate de combustibil pentru aer, cu un AFR de 12,6:1 și un factor de echivalență (centimetric) de 0,86. Cu un amestec de combustibil stoechiometric de aer (XV = 1), există un compromis între puterea maximă a motorului și consumul minim de combustibil.
motoarele cu aprindere prin compresie (diesel) funcționează întotdeauna cu amestecuri de combustibil cu aer slab (XV > 1.00). Cele mai multe dintre motoarele diesel moderne funcționează cu valori de la 1.65 la 1.10. Eficiența maximă (cel mai mic consum de combustibil) este obținută în jurul valorii de 1,65. Creșterea cantității de combustibil peste această valoare (mergând spre 1,10) va produce mai multă funingine (particule de combustibil nears).
există un studiu interesant realizat de R. Douglas pe motoarele cu ciclu în 2 timpi. În teza sa de doctorat „studii cu Ciclu închis ale unui motor cu ciclu în doi timpi”, R. Douglas vine cu o expresie matematică a eficienței arderii (VIII) funcția factorului de echivalență (XV).
pentru aprindere prin scânteie (motor pe benzină) cu un factor de echivalență între 0,80 și 1.20, eficiența de ardere este:
\
pentru aprinderea prin compresie (motor diesel) cu un factor de echivalență între 1,00 și 2,00, eficiența de ardere este:
\
pentru motoarele diesel, dacă factorul de echivalență depășește 2,00, eficiența de ardere este maximă (1,00 sau 100%).
putem folosi un script Scilab pentru a trasa variația funcției de eficiență a arderii a factorului de echivalență.
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)
rularea instrucțiunilor Scilab de mai sus afișează următoarea fereastră grafică.
Image: funcția de eficiență a combustiei factorului de echivalență
după cum puteți vedea, motorul cu aprindere prin compresie (diesel), la raportul stoichiometric al combustibilului cu aer are o eficiență de ardere foarte scăzută. Cea mai bună eficiență a arderii este obținută la motoarele cu aprindere prin scânteie (pe benzină) la motoarele cu aprindere prin scânteie (2,00) și la motoarele cu aprindere prin scânteie (1,12).
du-te înapoi
aer combustibil raport calculator
| ma | Tipul de combustibil se calculează |
|
| mf |
observație: eficiența arderii se calculează numai pentru combustibilul diesel și benzină (benzină), folosind ecuațiile (4) și (5). Pentru ceilalți combustibili, calculul eficienței arderii nu este disponibil (NA).
înapoi
impactul raportului combustibilului în aer asupra emisiilor motorului
emisiile gazelor de eșapament ale motorului cu ardere internă depind în mare măsură de raportul combustibilului în aer (factorul de echivalență). Principalele emisii de gaze de eșapament din ICE sunt rezumate în tabelul de mai jos.
| emisii de gaze de eșapament | descriere |
| CO | monoxid de carbon |
| HC | hidrocarbură |
| NOx | oxizi de azot |
| funingine | particule de combustibil nears |
pentru un motor pe benzină, emisiile de gaze de eșapament CO, HC și NOx sunt puternic influențate de raportul de combustibil al aerului. CO și HC sunt produse în principal cu amestec de combustibil bogat în aer, în timp ce NOx cu amestecuri slabe. Deci, nu există în nici un amestec de combustibil aer fix pentru care putem obține minimul pentru toate emisiile de evacuare.
imagine: funcția de eficiență a catalizatorului motorului pe benzină a raportului combustibil aer
un catalizator cu trei căi (TWC), utilizat pentru motoarele pe benzină, are cea mai mare eficiență atunci când motorul funcționează într-o bandă îngustă în jurul raportului combustibil aer stoichiometric. TWC convertește între 50 … 90% hidrocarburi și 90 … 99% monoxid de carbon și oxizi de azot, atunci când motorul funcționează cu hectolix = 1,00.
du-te înapoi
Lambda control al combustiei în buclă închisă
pentru a respecta reglementările privind emisiile de gaze de eșapament, este esențial ca motoarele cu ardere internă (în special Benzina) să aibă un control precis al raportului de combustibil al aerului. Prin urmare, toate motoarele moderne cu combustie internă au control în buclă închisă pentru raportul de combustibil al aerului (lambda).
imagine: Controlul lambda cu buclă închisă a motorului cu ardere internă (motoare pe benzină)
- senzor de debit masic de aer
- catalizator primar
- catalizator secundar
- injector de combustibil
- senzor Lambda (oxigen) în amonte
- senzor Lambda (oxigen) în aval
- circuit de alimentare cu combustibil
- galerie de admisie
- colector
componenta critică pentru funcționarea sistemului este senzorul lambda (oxigen). Acest senzor măsoară nivelul moleculelor de oxigen din gazele de eșapament și trimite informațiile către unitatea de comandă electronică a motorului (ECU). Pe baza valorii citirii senzorului de oxigen, ECU-ul motorului pe benzină va regla nivelul masei de combustibil pentru a menține raportul de combustibil în aer în jurul nivelului stoechiometric (00).
de exemplu (motoare pe benzină), dacă nivelul moleculelor de oxigen este peste pragul pentru nivelul stoichiometric (deci avem un amestec slab), la următorul ciclu de injecție, cantitatea de combustibil injectat va fi crescută pentru a face uz de excesul de aer. Rețineți că motorul va trece întotdeauna de la amestec slab la amestec bogat între ciclurile de injecție, ceea ce va da o „medie” a amestecurilor/raportului de combustibil stoichiometric.
pentru motoarele diesel, deoarece funcționează întotdeauna pe raportul de combustibil cu aer slab, controlul lambda este efectuat într-un mod diferit. Obiectivul final fiind în continuare același, Controlul emisiilor de gaze de eșapament.