Повітряно-паливний коефіцієнт
AvtoAd
16/08/2023
Зміст:
- Формула співвідношення повітря і палива
- Співвідношення повітря і палива для різних видів палива
- Як розраховується стехіометричне співвідношення повітря та палива
- Лямбда повітряно-паливний коефіцієнт
- Повітряно-паливне співвідношення і продуктивність двигуна
- Вплив співвідношення повітря та палива на викиди двигуна
- Лямбда-контроль із замкнутим контуром горіння
1. Визначення повітряно-паливного співвідношення
Теплові двигуни використовують паливо та кисень (з повітря) для виробництва енергії шляхом спалювання. Для забезпечення процесу горіння в камеру згоряння необхідно подавати певну кількість палива та повітря. Повне згоряння відбувається, коли все паливо згорає, у вихлопних газах не залишиться незгорілого палива.
Повітряно-паливний коефіцієнт визначається як співвідношення повітря і палива в суміші, підготовленій до спалювання. Наприклад, якщо ми маємо суміш метану та повітря, яка має співвідношення повітря і палива 17,5, це означає, що в суміші ми маємо 17,5 кг повітря та 1 кг метану.
Ідеальне (теоретичне) співвідношення повітря і палива для повного згоряння називається стехіометричним співвідношенням повітря і палива. Для бензинового (бензинового) двигуна стехіометричне співвідношення повітря і палива становить приблизно 14,7:1. Це означає, що для повного спалювання 1 кг палива нам потрібно 14,7 кг повітря. Спалювання можливе, навіть якщо AFR відрізняється від стехіометричного. Щоб процес згоряння відбувався в бензиновому двигуні, мінімальний AFR становить близько 6:1, а максимальний може досягати 20:1.
Коли співвідношення повітря і палива вище, ніж стехіометричне співвідношення, повітряно-паливна суміш називається бідною. Коли частка повітря в паливі нижча за стехіометричне співвідношення, повітряно-паливна суміш називається багатою . Наприклад, для бензинового двигуна AFR 16,5:1 є бідним, а 13,7:1 багатим.
2. Формула співвідношення повітря і палива
У контексті двигунів внутрішнього згоряння повітряно-паливний коефіцієнт (AF або AFR) визначається як співвідношення між масою повітря ma та масою палива mf , що використовується двигуном під час роботи:
AFR=mamf(1)
Зворотне співвідношення називається співвідношенням паливо-повітря (FA або FAR) і розраховується як:
FAR=mfma=1AFR(1)
3. Співвідношення повітря і палива для різних видів палива
У таблиці нижче ми можемо побачити стехіометричне співвідношення повітря та палива для кількох видів викопного палива.
| Паливо | Хімічна формула | AFR |
| Метанол | CH 3 OH | 6,47:1 |
| Етанол | C 2 H 5 OH | 9:1 |
| Бутанол | C 4 H 9 OH | 11,2:1 |
| Дизель | C 12 H 23 | 14,5:1 |
| Бензин | C 8 H 18 | 14,7:1 |
| Пропан | C 3 H 8 | 15,67:1 |
| Метан | CH 4 | 17,19:1 |
| Водень | H 2 | 34,3:1 |
Джерело: wikipedia.org
Наприклад, щоб повністю спалити 1 кг етанолу, потрібно 9 кг повітря, а щоб спалити 1 кг дизельного пального, потрібно 14,5 кг повітря.
Двигуни з іскровим запалюванням (ІЗ) зазвичай працюють на бензині (бензині). AFR двигунів SI коливається в діапазоні від 12:1 (збагачений) до 20:1 (збіднений) залежно від умов роботи двигуна (температура, швидкість, навантаження тощо). Сучасні двигуни внутрішнього згоряння працюють якомога більше навколо стехіометричного AFR (головним чином з міркувань подальшої обробки газу). У таблиці нижче ви можете побачити приклад двигуна SI AFR, функцію швидкості двигуна та крутного моменту.
Зображення: приклад функції співвідношення повітря і палива (AFR) від частоти обертання двигуна та крутного моменту
Двигуни із запалюванням від стиснення (CI) зазвичай працюють на дизельному пальному. Через характер процесу згоряння двигуни CI завжди працюють на збіднених сумішах з AFR від 18:1 до 70:1. Основна відмінність порівняно з двигунами SI полягає в тому, що двигуни CI працюють на стратифікованих (неоднорідних) повітряно-паливних сумішах, тоді як SI працюють на гомогенних сумішах (у випадку двигунів з портовим уприскуванням).
Наведена вище таблиця вводиться в сценарій Scilab і створюється контурна діаграма.
EngSpd_rpm_X = [500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500];
EngTq_Nm_Y = [10;20;30;40;50;60;70;80;90;100;110;120;130;140];
EngAFR_rat_Z = [14 14,7 16,4 17,5 19,8 19,8 18,8 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1;
14 14,7 14,7 16,4 16,4 16,4 16,5 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8;
14 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 15,7 15,7 15,3 14,9 14,9 14,9;
14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,9 13,3 13,3 13,3;
14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,5 12,9 12,9 12,9;
14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,3 13,3 12,6 12,1 11,8;
14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,6 12,9 12,2 11,8 11,3;
14,1 14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,3 12,5 11,9 11,4 10,9;
13,4 13,4 13,8 14,3 14,3 14,7 14,7 13,6 13,1 12,2 11,5 11,1 10,7;
13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,6 13,6 12,1 12,1 11,6 11,2 10,8 10,5;
13,4 13,4 13,4 13,4 13,1 13,1 13,1 11,8 11,8 11,2 10,7 10,5 10,3;
13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2;
13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2;
13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2];
контур(EngSpd_rpm_X,EngTq_Nm_Y,EngAFR_rat_Z',30)
xgrid()
xlabel('Швидкість обертання двигуна [об/хв]')
ylabel('Крутний момент двигуна [Нм]')
title('x-engineer.org')
Виконання наведених вище інструкцій Scilab створить такий контурний графік:
Зображення: контур повітряного палива за допомогою Scilab
4. Як розраховується стехіометричне співвідношення повітря та палива
Щоб зрозуміти, як розраховується стехіометричне співвідношення повітря та палива, нам потрібно поглянути на процес згоряння палива. Горіння — це в основному хімічна реакція (звана окисленням), під час якої паливо змішується з киснем і виробляє вуглекислий газ (CO 2), воду (H 2 O) та енергію (тепло). Враховуйте, що для того, щоб пройшла реакція окислення, потрібна енергія активації (іскра або висока температура). Крім того, чиста реакція є сильно екзотермічною (з виділенням тепла).
Приклад 1. Для кращого розуміння розглянемо реакцію окислення метану . Це досить поширена хімічна реакція, оскільки метан є основним компонентом природного газу (у частці близько 94%).
Крок 1. Напишіть хімічну реакцію (окислення)
Крок 2. Збалансуйте рівняння
Крок 3. Запишіть стандартну атомну вагу для кожного атома
Крок 4. Обчисліть масу палива, яке становить 1 моль метану, що складається з 1 атома Карбону і 4 атомів Гідрогену.
Крок 5. Обчисліть масу кисню, який складається з 2 моль, кожен моль складається з 2 атомів кисню.
Крок 6. Обчисліть необхідну масу повітря, яке містить розрахункову масу кисню, враховуючи, що повітря містить близько 21 % кисню.
Крок 7. Обчисліть співвідношення повітря та палива за допомогою рівняння (1)
Розрахований AFR для метану не зовсім відповідає вказаному в літературі. Різниця може виникати через те, що в нашому прикладі ми зробили кілька припущень (повітря містить лише 21 % кисню, продуктами згоряння є лише вуглекислий газ і вода).
Приклад 2. Цей же спосіб можна застосувати для спалювання бензину. Враховуючи, що бензин складається з ізооктану (C 8 H 18 ), розрахуйте стехіометричне співвідношення повітря та палива для бензину .
Крок 1. Напишіть хімічну реакцію (окислення)
Крок 2. Збалансуйте рівняння
Крок 3. Запишіть стандартну атомну вагу для кожного атома
Крок 4. Обчисліть масу палива, яке становить 1 моль ізооктану, що складається з 8 атомів Карбону та 18 атомів Гідрогену
Крок 5. Обчисліть масу кисню, який складається з 12,5 молей, кожен моль яких складається з 2 атомів кисню
Крок 6. Обчисліть необхідну масу повітря, яке містить розрахункову масу кисню, враховуючи, що повітря містить близько 21 % кисню
Крок 7. Обчисліть співвідношення повітря та палива за допомогою рівняння (1)
Знову ж таки, розраховане стехіометричне співвідношення повітря та палива для бензину дещо відрізняється від наданого в літературі. Таким чином, результат прийнятний, оскільки ми зробили багато припущень (бензин містить лише ізооктан, повітря містить лише кисень у співвідношенні 21 %, єдиними продуктами згоряння є вуглекислий газ і вода, згоряння ідеальне).
5. Лямбда повітряно-паливний коефіцієнт
Ми побачили, що таке і як розрахувати стехіометричне (ідеальне) співвідношення повітря і палива. Насправді двигуни внутрішнього згоряння працюють не з ідеальним AFR, а з близькими до нього значеннями. Тому ми матимемо ідеальне та фактичне співвідношення AFR повітря/паливо. Співвідношення між фактичним співвідношенням повітря і палива (AFR fact) і ідеальним/стехіометричним співвідношенням повітря і палива (AFR ideal) називається еквівалентним співвідношенням повітря і палива або лямбда (λ).
λ=AFRactualAFRideal(3)
Наприклад, ідеальне співвідношення повітря і палива для бензинового двигуна становить 14,7:1. Якщо фактичний/реальний AFR становить 13,5, коефіцієнт еквівалентності лямбда буде:
λ=13,514,7=0,92
Залежно від значення лямбда двигун працює з бідною, стехіометричною або багатою повітряно-паливною сумішшю.
| Фактор еквівалентності | Тип повітряно-паливної суміші | опис |
| λ < 1,00 | Багатий | Не вистачає повітря для повного спалювання кількості палива; після згоряння у вихлопних газах залишається незгоріле паливо |
| λ = 1,00 | Стехіометричний (ідеальний) | Маса повітря достатня для повного згоряння палива; після згоряння у вихлопних газах немає надлишку кисню та незгорілого палива |
| λ > 1,00 | Худий | Кисню більше, ніж потрібно для повного спалювання палива; після згоряння у вихлопних газах є надлишок кисню |
Залежно від типу палива (бензин або дизель) і типу впорскування (пряме або непряме) двигун внутрішнього згоряння може працювати з бідною, стехіометричною або збагаченою повітряно-паливною сумішшю.
Зображення: 3-циліндровий бензиновий двигун із прямим упорскуванням Ecoboost (лямбда-карта)
Авторство: Ford
Наприклад, 3-циліндровий двигун Ford Ecoboost працює зі стехіометричним співвідношенням повітря та палива для холостого ходу та середніх обертів двигуна та повного діапазону навантажень, а також із багатою повітряно-паливною сумішшю на високій швидкості та навантаженні. Причиною, по якій він працює з багатою сумішшю при високих обертах і навантаженні, є охолодження двигуна. Додаткове паливо (яке залишиться незгорілим) впорскується для поглинання тепла (через випаровування), знижуючи таким чином температуру в камері згоряння.
Зображення: дизельний двигун (лямбда-карта)
Зображення: wtz.de
Двигун із запалюванням від стиснення (дизельний) весь час працює на збідненій повітряно-паливній суміші, значення коефіцієнта еквівалентності (λ) залежить від робочої точки двигуна (швидкість і крутний момент). Причиною цього є принцип роботи дизельного двигуна: управління навантаженням відбувається не через масу повітря (яка завжди в надлишку), а через масу палива (час уприскування).
Пам'ятайте, що стехіометричний коефіцієнт еквівалентності (λ = 1,00) означає співвідношення повітря і палива 14,7:1 для бензинових двигунів і 14,5:1 для дизельних двигунів.
6. Повітряно-паливне співвідношення і продуктивність двигуна
Продуктивність двигуна з точки зору потужності та споживання палива сильно залежить від співвідношення повітря та палива. Для бензинового двигуна найнижча витрата палива досягається при бідному AFR. Основна причина полягає в тому, що кисню достатньо для повного спалювання всього палива, що перетворюється на механічну роботу. З іншого боку, максимальну потужність досягають багаті повітряно-паливні суміші. Як пояснювалося раніше, подача більшої кількості палива в циліндр при високому навантаженні та швидкості двигуна охолоджує камеру згоряння (через випаровування палива та поглинання тепла), що дозволяє двигуну виробляти максимальний крутний момент двигуна, отже, максимальну потужність.
Зображення: функція потужності двигуна та споживання палива співвідношення повітря та палива (лямбда)
На малюнку вище ми бачимо, що ми не можемо отримати максимальну потужність двигуна та найменше споживання палива за однакового співвідношення повітря та палива. Найменшу витрату палива (найкращу економію палива) досягають збіднені повітряно-паливні суміші з AFR 15,4:1 і коефіцієнтом еквівалентності (λ) 1,05. Максимальна потужність двигуна досягається збагаченими повітряно-паливними сумішами з AFR 12,6:1 і коефіцієнтом еквівалентності (λ) 0,86. За стехіометричної повітряно-паливної суміші (λ = 1) існує компроміс між максимальною потужністю двигуна та мінімальною витратою палива.
Двигуни із запалюванням від стиснення (дизельні) завжди працюють на збідненій повітряно-паливній суміші (λ > 1,00). Більшість сучасних дизельних двигунів працюють з λ від 1,65 до 1,10. Максимальна ефективність (найнижча витрата палива) досягається біля λ = 1,65. Збільшення кількості палива вище цього значення (до 1,10) призведе до утворення більше сажі (незгорілих частинок палива).
Існує цікаве дослідження, виконане Р. Дугласом на 2-тактних двигунах. У своїй докторській дисертації «Дослідження замкнутого циклу двигуна з двотактним циклом» Р. Дуглас пропонує математичний вираз функції ефективності згоряння (η λ) від коефіцієнта еквівалентності (λ).
Для іскрового запалювання (бензиновий двигун) із коефіцієнтом еквівалентності від 0,80 до 1,20 ефективність згоряння становить:
ηλ=−1,6082+4,6509⋅λ–2,0746⋅λ2(4)
Для запалювання від стиснення (дизельний двигун) із коефіцієнтом еквівалентності від 1,00 до 2,00 ефективність згоряння становить:
ηλ=−4,18+8,87⋅λ–5,14⋅λ2+λ3(5)
Для дизельних двигунів, якщо коефіцієнт еквівалентності перевищує 2,00, ефективність згоряння є максимальною (1,00 або 100%).
Ми можемо використовувати сценарій Scilab, щоб побудувати графік зміни функції ефективності спалювання фактора еквівалентності.
lmbd_g = [0,80:0,01:1,20];
lmbd_d = [1,00:0,01:2,00];
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)
утримувати
plot(lmbd_d,eff_lmbd_d,'r','LineWidth',2)
xgrid()
xlabel('$\lambda \text{ [-]}$')
ylabel('$\eta_{\lambda} \text{ [-]}$')
title('x-engineer.org')
legend('gasoline','diesel',4)
Виконання наведених вище інструкцій Scilab виводить таке графічне вікно.
Зображення: функція ефективності спалювання коефіцієнта еквівалентності
Як бачимо, двигун із запалюванням від стиснення (дизельний) при стехіометричному співвідношенні повітря і палива має дуже низьку ефективність згоряння. Найкраща ефективність згоряння досягається при λ = 2,00 для дизельних і λ = 1,12 для двигунів з іскровим запалюванням (бензинових).
7. Вплив співвідношення повітря та палива на викиди двигуна
Викиди вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння значною мірою залежать від співвідношення повітря та палива (фактор еквівалентності). Основні викиди вихлопних газів у ДВС наведені в таблиці нижче.
| Викид вихлопних газів | опис |
| CO | окис вуглецю |
| HC | вуглеводень |
| NOx | оксиди азоту |
| Сажа | незгорілі частинки палива |
Для бензинового двигуна на викиди вихлопних газів CO, HC та NOx значною мірою впливає співвідношення повітря та палива. CO і HC в основному виробляються з багатою повітряно-паливною сумішшю, тоді як NOx з бідними сумішами. Отже, немає фіксованої повітряної паливної суміші, для якої ми можемо отримати мінімум для всіх вихлопних газів.
Зображення: функція ефективності каталізатора бензинового двигуна від співвідношення повітря та палива
Трикомпонентний каталізатор (TWC), який використовується для бензинових двигунів, має найвищу ефективність, коли двигун працює у вузькому діапазоні навколо стехіометричного співвідношення повітря та палива. TWC перетворює від 50 до 90 % вуглеводнів і 90 до 99 % окису вуглецю та оксидів азоту, коли двигун працює з λ = 1,00.
8. Лямбда-контроль із замкнутим контуром горіння
Щоб відповідати нормам щодо викидів вихлопних газів, для двигунів внутрішнього згоряння (особливо бензинових) дуже важливо мати точний контроль співвідношення повітря та палива. Таким чином, усі сучасні двигуни внутрішнього згоряння мають замкнутий контур регулювання співвідношення повітря та палива (лямбда).
Зображення: двигун внутрішнього згоряння із замкнутим контуром лямбда-контролю (бензинові двигуни)
- Датчик витрати повітря
- Первинний каталізатор
- Вторинний каталізатор
- Паливний інжектор
- Передній лямбда (кисневий) датчик
- Лямбда (кисневий) датчик
- Контур подачі палива
- Впускний колектор
- Вихлопний колектор
Критичним компонентом для роботи системи є лямбда (кисневий) датчик. Цей датчик вимірює рівень молекул кисню у вихлопних газах і надсилає інформацію до електронного блоку керування двигуном (ECU). Базуючись на значенні показань датчика кисню, ЕБК бензинового двигуна регулює рівень маси палива, щоб підтримувати співвідношення повітря та палива на стехіометричному рівні (λ = 1,00).
Наприклад (у бензинових двигунах), якщо рівень молекул кисню вище порогового значення для стехіометричного рівня (отже ми маємо бідну суміш), під час наступного циклу вприскування кількість впорскуваного палива буде збільшено, щоб використати надлишок повітря. Майте на увазі, що двигун завжди буде переходити від збідненої суміші до збагаченої суміші між циклами впорскування, що дасть «середнє» стехіометричне співвідношення повітря та палива.
Для дизельних двигунів, оскільки вони завжди працюють на збідненому паливному співвідношенні, лямбда-контроль виконується іншим способом. Кінцева мета залишається незмінною – контроль викидів вихлопних газів.