Воздушно-топливный коэффициент
AvtoAd
16/08/2023
Содержание:
- Формула соотношения воздуха и топлива
- Соотношение воздуха и топлива для разных видов топлива
- Как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздуха и топлива
- Лямбда воздушно-топливный коэффициент
- Воздушно-топливное соотношение и производительность двигателя
- Воздействие соотношения воздуха и топлива на выбросы двигателя
- Лямбда-контроль с замкнутым контуром горения
1. Определение воздушно-топливного соотношения
Тепловые двигатели используют топливо и кислород (из воздуха) для производства энергии сжиганием. Для обеспечения процесса горения в камеру сгорания необходимо подавать количество топлива и воздуха. Полное сгорание происходит, когда все топливо сгорает, в выхлопных газах не останется несгоревшее топливо.
Воздушно-топливный коэффициент определяется как соотношение воздуха и топлива в смеси, подготовленной к сжиганию. Например, если у нас есть смесь метана и воздуха, имеющая соотношение воздуха и топлива 17,5, это означает, что в смеси у нас есть 17,5 кг воздуха и 1 кг метана.
Идеальное (теоретическое) соотношение воздуха и топлива для полного сгорания называется стехиометрическим соотношением воздуха и топлива . Для бензинового (бензинового) двигателя стехиометрическое соотношение воздуха и топлива составляет примерно 14,7:1. Это значит, что для полного сжигания 1 кг топлива нам нужно 14,7 кг воздуха. Сжигание возможно даже если AFR отличается от стехиометрического. Чтобы процесс сгорания происходил в бензиновом двигателе, минимальный AFR составляет около 6:1, а максимальный может достигать 20:1.
Когда соотношение воздуха и топлива выше, чем стехиометрическое соотношение, воздушно-топливная смесь называется бедной . Когда доля воздуха в топливе ниже стехиометрического соотношения, воздушно-топливная смесь называется богатой . Например, для бензинового двигателя AFR 16,5:1 беден, а 13,7:1 богат.
2. Формула соотношения воздуха и топлива
В контексте двигателей внутреннего сгорания воздушно-топливный коэффициент (AF или AFR) определяется как соотношение между массой воздуха m a и массой топлива m f , используемым двигателем во время работы:
AFR=мам(1)
Обратное соотношение называется соотношением топливо-воздух (FA или FAR) и рассчитывается как:
FAR=mfma=1AFR(1)
3. Соотношение воздуха и топлива для разных видов топлива
В таблице ниже можно увидеть стехиометрическое соотношение воздуха и топлива для нескольких видов ископаемого топлива.
| Топливо | Химическая формула | AFR |
| Метанол | CH 3 OH | 6,47:1 |
| Этанол | 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 |
| Водород | H 2 | 34,3:1 |
Источник: wikipedia.org
К примеру, чтобы полностью сжечь 1 кг этанола, нужно 9 кг воздуха, а чтобы сжечь 1 кг дизельного горючего, нужно 14,5 кг воздуха.
Двигатели с искровым зажиганием (ИЗ) обычно работают на бензине (бензине). AFR двигателей SI колеблется в диапазоне от 12:1 (обогащенный) до 20:1 (обеднен) в зависимости от условий работы двигателя (температура, скорость, нагрузка и т.п.). Современные двигатели внутреннего сгорания работают как можно больше вокруг стехиометрического AFR (главным образом, из соображений дальнейшей обработки газа). В таблице ниже можно увидеть пример двигателя SI AFR, функцию скорости двигателя и крутящего момента.
Изображение: пример функции соотношения воздуха и топлива (AFR) от частоты вращения двигателя и крутящего момента
Двигатели с зажиганием от сжатия (CI) обычно работают на дизельном топливе. Из-за характера процесса сгорания двигатели CI всегда работают на обедненных смесях с AFR от 18:1 до 70:1. Основное отличие по сравнению с двигателями SI состоит в том, что двигатели CI работают на стратифицированных (неоднородных) воздушно-топливных смесях, тогда как SI работают на гомогенных смесях (в случае двигателей с портовым впрыском).
Вышеприведенная таблица вводится в сценарий Scilab и создается контурная диаграмма.
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('Скорость вращения двигателя [об/мин]')
ylabel('Крутящий момент двигателя [Нм]')
title('x-engineer.org')
Выполнение приведенных выше инструкций Scilab создаст следующий контурный график:
Изображение: контур воздушного топлива с помощью Scilab
4. Как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздуха и топлива
Чтобы понять, как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздуха и топлива, нужно взглянуть на процесс сгорания топлива. Горение – это в основном химическая реакция (называемая окислением ), во время которой топливо смешивается с кислородом и производит углекислый газ ( CO2 ), воду ( H2O ) и энергию (тепло). Учитывайте, что для того чтобы прошла реакция окисления, нужна энергия активации (искра или высокая температура). Кроме того, чистая реакция сильно экзотермическая (с выделением тепла).
Пример 1. Для лучшего понимания рассмотрим реакцию окисления метана . Это довольно распространенная химическая реакция, поскольку метан является основным компонентом природного газа (в доле около 94%).
Шаг 1 Напишите химическую реакцию (окисление)
Шаг 2 Сбалансируйте уравнение
Шаг 3 Запишите стандартный атомный вес для каждого атома
Шаг 4 Вычислите массу топлива, составляющее 1 моль метана, состоящего из 1 атома Карбона и 4 атомов Гидрогена.
Шаг 5 Вычислите массу кислорода, состоящего из 2 моль, каждый моль состоит из 2 атомов кислорода.
Шаг 6 Вычислите необходимую массу воздуха, содержащую расчетную массу кислорода, учитывая, что воздух содержит около 21% кислорода.
Шаг 7 Вычислите соотношение воздуха и топлива с помощью уравнения (1)
Рассчитанный AFR для метана не совсем соответствует указанному в литературе. Разница может возникать из-за того, что в нашем примере мы сделали несколько предположений (воздух содержит только 21% кислорода, продуктами сгорания являются только углекислый газ и вода).
Пример 2. Этот же способ применим для сжигания бензина. Учитывая, что бензин состоит из изооктана (C 8 H 18 ), рассчитайте стехиометрическое соотношение воздуха и топлива для бензина .
Шаг 1 Напишите химическую реакцию (окисление)
Шаг 2 Сбалансируйте уравнение
Шаг 3 Запишите стандартный атомный вес для каждого атома
Шаг 4 Вычислите массу топлива, которое составляет 1 моль изооктана, состоящего из 8 атомов Карбона и 18 атомов Гидрогена.
Шаг 5 Вычислите массу кислорода, состоящего из 12,5 молей, каждый моль которых состоит из 2 атомов кислорода.
Шаг 6 Вычислите необходимую массу воздуха, содержащего расчетную массу кислорода, учитывая, что воздух содержит около 21% кислорода
Шаг 7 Вычислите соотношение воздуха и топлива с помощью уравнения (1)
Опять же рассчитанное стехиометрическое соотношение воздуха и топлива для бензина несколько отличается от предоставленного в литературе. Таким образом, результат приемлем, поскольку мы сделали много предположений (бензин содержит только изооктан, воздух содержит только кислород в соотношении 21%, единственными продуктами сгорания являются углекислый газ и вода, идеальное сгорание).
5. Лямбда воздушно-топливный коэффициент
Мы увидели, что такое и как рассчитать стехиометрическое (идеальное) соотношение воздуха и топлива. На самом деле двигатели внутреннего сгорания работают не с идеальным AFR, а с близкими к нему значениями. Поэтому у нас будет идеальное и фактическое соотношение AFR воздуха/топливо. Соотношение между фактическим соотношением воздуха и топлива (AFR fact ) и идеальным/стехиометрическим соотношением воздуха и топлива (AFR ideal ) называется эквивалентным соотношению воздуха и топлива или лямбда (λ).
λ=AFRactualAFRideal(3)
К примеру, идеальное соотношение воздуха и топлива для бензинового двигателя составляет 14,7:1. Если фактический/реальный AFR составляет 13,5, коэффициент эквивалентности лямбда будет:
λ=13,514,7=0,92
В зависимости от значения лямбда двигатель работает с бедной, стехиометрической или богатой воздушно-топливной смесью.
| Фактор эквивалентности | Тип воздушно-топливной смеси | описание |
| λ < 1,00 | Богатый | Не хватает воздуха для полного сжигания топлива; после сгорания в выхлопных газах остается несгоревшее топливо |
| λ = 1,00 | Стехиометрический (идеальный) | Масса воздуха достаточна для полного сгорания топлива; после сгорания в выхлопных газах нет избытка кислорода и несгоревшего топлива |
| λ > 1,00 | Худой | Кислорода больше, чем нужно для полного сжигания топлива; после сгорания в выхлопных газах имеется избыток кислорода |
В зависимости от типа топлива (бензин или дизель) и типа впрыска (прямого или косвенного) двигатель внутреннего сгорания может работать с бедной, стехиометрической или обогащенной воздушно-топливной смесью.
Изображение: 3-цилиндровый бензиновый двигатель с прямым впрыском Ecoboost (лямбда-карта)
Авторство: Ford
К примеру, 3-цилиндровый двигатель Ford Ecoboost работает со стехиометрическим соотношением воздуха и топлива для холостого хода и средних оборотов двигателя и полного диапазона нагрузок, а также с богатой воздушно-топливной смесью на высокой скорости и нагрузке. Причиной, по которой он работает с обильной смесью при высоких оборотах и нагрузке, является охлаждение двигателя . Дополнительное топливо (оставшееся несгоревшим) впрыскивается для поглощения тепла (через испарение), снижая таким образом температуру в камере сгорания.
Изображение: дизельный двигатель (лямбда-карта)
Изображение: wtz.de
Двигатель с зажиганием от сжатия (дизельный) постоянно работает на обедненной воздушно-топливной смеси , значение коэффициента эквивалентности (λ) зависит от рабочей точки двигателя (скорость и крутящий момент). Причиной этого принцип работы дизельного двигателя: управление нагрузкой происходит не из-за массы воздуха (которая всегда в избытке), а из-за массы топлива (время впрыска).
Помните, что стехиометрический коэффициент эквивалентности (λ = 1,00) означает соотношение воздуха и топлива 14,7:1 для бензиновых двигателей и 14,5:1 для дизельных двигателей.
6. Воздушно-топливное соотношение и производительность двигателя
Производительность двигателя с точки зрения мощности и потребления топлива сильно зависит от соотношения воздуха и топлива. Для бензинового двигателя самый низкий расход топлива достигается при бедном AFR. Основная причина состоит в том, что кислорода достаточно для полного сжигания всего топлива, превращающегося в механическую работу. Кроме того, максимальную мощность достигают обильные воздушно-топливные смеси. Как объяснялось ранее, подача большего количества топлива в цилиндр при высокой нагрузке и скорости двигателя охлаждает камеру сгорания (через испарение топлива и поглощение тепла), что позволяет двигателю производить максимальный крутящий момент двигателя, следовательно, максимальную мощность.
Изображение: функция мощности двигателя и потребление топлива соотношение воздуха и топлива (лямбда)
На рисунке выше мы видим, что мы не можем получить максимальную мощность двигателя и минимальное потребление топлива при одинаковом соотношении воздуха и топлива. Наименьший расход топлива (лучшую экономию топлива) достигают обедненные воздушно-топливные смеси с AFR 15,4:1 и коэффициентом эквивалентности (λ) 1,05. Максимальная мощность двигателя достигается обогащенными воздушно-топливными смесями с AFR 12,6:1 и коэффициентом эквивалентности (λ) 0,86. При стехиометрической воздушно-топливной смеси (λ = 1) существует компромисс между максимальной мощностью двигателя и минимальным расходом топлива.
Двигатели с зажиганием от сжатия (дизельные) всегда работают на обедненной воздушно-топливной смеси (λ > 1,00). Большинство современных дизельных двигателей работают с от 1,65 до 1,10. Максимальная эффективность (самый низкий расход топлива) достигается около λ = 1,65. Увеличение количества топлива выше этого значения (до 1,10) приведет к образованию больше сажи (несгоревших частиц топлива).
Существует интересное исследование, проделанное Р. Дугласом на 2-тактных двигателях. В своей докторской диссертации « Исследование замкнутого цикла двигателя с двухтактным циклом » Р. Дуглас предлагает математическое выражение функции эффективности сгорания ( ηλ ) от коэффициента эквивалентности (λ).
Для искрового зажигания (бензиновый двигатель) с коэффициентом эквивалентности от 0,80 до 1,20 эффективность сгорания составляет:
ηλ=−1,6082+4,6509⋅λ–2,0746⋅λ2(4)
Для зажигания от сжатия (дизельный двигатель) с коэффициентом эквивалентности от 1,00 до 2,00 эффективность сгорания составляет:
ηλ=−4,18+8,87⋅λ–5,14⋅λ2+λ3(5)
Для дизельных двигателей, если коэффициент эквивалентности превышает 2,00, эффективность сгорания максимальна (1,00 или 100%).
Мы можем использовать сценарий Scilab, чтобы построить график изменения функции эффективности сжигания фактора эквивалентности.
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)
удерживать
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)
Выполнение указанных выше инструкций Scilab выводит следующее графическое окно.
Изображение: функция эффективности сжигания коэффициента эквивалентности
Как видим, двигатель с зажиганием от сжатия (дизельный) при стехиометрическом соотношении воздуха и топлива имеет очень низкую эффективность сгорания. Лучшая эффективность сгорания достигается при λ = 2,00 для дизельных и λ = 1,12 для двигателей с искровым зажиганием (бензиновым).
7. Воздействие соотношения воздуха и топлива на выбросы двигателя
Выброс выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания в значительной степени зависит от соотношения воздуха и топлива (фактор эквивалентности). Основные выбросы выхлопных газов в ГИС приведены в таблице ниже.
| Выброс выхлопных газов | описание |
| CO | окись углерода |
| HC | углеводород |
| NOx | оксиды азота |
| Сажа | несгоревшие частицы топлива |
Для бензинового двигателя на выбросы выхлопных газов CO, HC и NOx в значительной степени влияет соотношение воздуха и топлива . CO и HC в основном производятся с богатой воздушно-топливной смесью, в то время как NOx с бедными смесями. Следовательно, нет фиксированной воздушной топливной смеси, для которой мы можем получить минимум для всех выхлопных газов.
Изображение: функция эффективности катализатора бензинового двигателя от соотношения воздуха и топлива
Трехкомпонентный катализатор (TWC), используемый для бензиновых двигателей, имеет высокую эффективность, когда двигатель работает в узком диапазоне вокруг стехиометрического соотношения воздуха и топлива. TWC превращает от 50 до 90 % углеводородов и 90 до 99 % окиси углерода и оксидов азота, когда двигатель работает с λ = 1,00.
8. Лямбда-контроль с замкнутым контуром горения
Чтобы соответствовать нормам выбросов выхлопных газов, для двигателей внутреннего сгорания (особенно бензиновых) очень важно иметь точный контроль соотношения воздуха и топлива. Таким образом, все современные двигатели внутреннего сгорания имеют замкнутый контур регулирования соотношения воздуха и топлива (лямбда) .
Изображение: двигатель внутреннего сгорания с замкнутым контуром лямбда-контроля (бензиновые двигатели)
- Датчик расхода воздуха
- Первичный катализатор
- Вторичный катализатор
- Топливный инжектор
- Передний лямбда (кислородный) датчик
- Лямбда (кислородный) датчик
- Контур подачи топлива
- Впускной коллектор
- Выхлопный коллектор
Критическим компонентом для работы системы является лямбда (кислородный) датчик . Этот датчик измеряет уровень молекул кислорода в выхлопных газах и передает информацию в электронный блок управления двигателем (ECU). Основываясь на значении показаний датчика кислорода, ЭБК бензинового двигателя регулирует уровень массы топлива, чтобы поддерживать соотношение воздуха и топлива на стехиометрическом уровне (λ = 1,00).
Например (в бензиновых двигателях), если уровень молекул кислорода выше порогового значения для стехиометрического уровня (следовательно, мы имеем бедную смесь), во время следующего цикла впрыска количество впрыскиваемого топлива будет увеличено, чтобы использовать избыток воздуха. Имейте в виду, что двигатель всегда будет переходить от обедненной смеси к обогащенной смеси между циклами впрыска, что даст "среднее" стехиометрическое соотношение воздуха и топлива.
Для дизельных двигателей, поскольку они всегда работают на обедненном топливном соотношении, лямбда-контроль выполняется другим способом. Конечная цель остается неизменной – контроль выбросов выхлопных газов.