Stosunek powietrza do paliwa - Air–fuel ratio

Stosunek powietrza do paliwa ( AFR ) to stosunek masowy powietrza do paliwa stałego, ciekłego lub gazowego obecnego w procesie spalania . Spalanie może mieć miejsce w kontrolowany sposób, jak w silniku spalinowym wewnętrznego spalania lub piecu przemysłowym, lub może prowadzić do eksplozji (na przykład pył wybuchem , wybuchem gazu lub pary lub w thermobaric broni ).

Stosunek powietrza do paliwa określa, czy mieszanka jest w ogóle palna, ile energii jest uwalniane i ile niepożądanych zanieczyszczeń powstaje w reakcji. Zazwyczaj istnieje szereg stosunków paliwa do powietrza, poza którymi zapłon nie nastąpi. Są one znane jako dolna i górna granica wybuchowości.

W silniku spalinowym lub piecu przemysłowym stosunek powietrza do paliwa jest ważną miarą ze względu na zapobieganie zanieczyszczeniom i dostrajanie wydajności. Jeśli wystarczająco dokładnie powietrze jest dostarczane do całkowitego spalenia całego paliwa, stosunek jest znany jako stechiometrycznej mieszaniny, często skracane do stechiometrycznego . Stosunki niższe niż stechiometryczne są uważane za „bogaty”. Bogate mieszanki są mniej wydajne, ale mogą wytwarzać więcej mocy i spalać chłodniej. Stosunki wyższe niż stechiometryczne są uważane za „szczupłe”. Mieszanki ubogie są bardziej wydajne, ale mogą powodować wyższe temperatury, co może prowadzić do powstawania tlenków azotu . Niektóre silniki są wyposażone w funkcje umożliwiające spalanie ubogie . Dla dokładnych obliczeń stosunku powietrza do paliwa, zawartość tlenu w powietrzu spalania powinna być określona ze względu na różną gęstość powietrza z powodu różnej wysokości lub temperatury powietrza wlotowego, możliwego rozcieńczenia parą wodną z otoczenia lub wzbogacenia dodatkami tlenu.

Silniki z zapłonem wewnętrznym

Teoretycznie mieszanka stechiometryczna ma wystarczającą ilość powietrza, aby całkowicie spalić dostępne paliwo. W praktyce nigdy nie jest to całkowicie osiągane, głównie z powodu bardzo krótkiego czasu dostępnego w silniku spalinowym na każdy cykl spalania. Większość procesu spalania jest zakończona w około 2 milisekundy przy obrotach silnika6000  obrotów na minutę . (100 obrotów na sekundę; 10 milisekund na obrót wału korbowego - co dla silnika czterosuwowego oznaczałoby typowo 5 milisekund na każdy skok tłoka). Jest to czas, który upływa od wypalenia świecy zapłonowej, aż do spalenia 90% mieszanki paliwowo-powietrznej, zwykle około 80 stopni obrotu wału korbowego później. Konwertery katalityczne są zaprojektowane tak, aby działały najlepiej, gdy przepływające przez nie spaliny są wynikiem prawie doskonałego spalania.

Idealnie stechiometryczna mieszanka pali się bardzo gorąco i może uszkodzić elementy silnika, jeśli silnik zostanie umieszczony pod dużym obciążeniem przy tej mieszance paliwowo-powietrznej. Ze względu na wysokie temperatury w tej mieszance, detonacja mieszanki paliwowo-powietrznej przy zbliżaniu się lub krótko po osiągnięciu maksymalnego ciśnienia w cylindrze jest możliwa przy dużym obciążeniu (określanym jako stukanie lub pingowanie), w szczególności zdarzenie „przed detonacją” w kontekście modelu silnika o zapłonie iskrowym. Taka detonacja może spowodować poważne uszkodzenie silnika, ponieważ niekontrolowane spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej może wytworzyć bardzo wysokie ciśnienia w cylindrze. W konsekwencji mieszaniny stechiometryczne są używane tylko w warunkach obciążenia od lekkiego do umiarkowanego. W przypadku przyspieszania i warunków dużego obciążenia, bogatsza mieszanka (niższy stosunek powietrza do paliwa) jest wykorzystywana do wytwarzania chłodniejszych produktów spalania (dzięki czemu wykorzystuje się chłodzenie wyparne ), a tym samym zapobiega przegrzaniu głowicy cylindrów , a tym samym zapobiega detonacji.

Systemy zarządzania silnikiem

Stechiometryczne mieszanki dla silnika spalinowego jest idealny stosunek powietrza do paliwa, która spala się wszystkie paliwa bez dostarczania nadmiaru powietrza. W przypadku paliwa benzynowego stechiometryczna mieszanka paliwowo-powietrzna wynosi około 14,7:1, tj. na każdy gram paliwa wymagane jest 14,7 gramów powietrza. W przypadku czystego paliwa oktanowego reakcja utleniania to:

25 O 2 + 2 C 8 H 18 → 16 CO 2 + 18 H 2 O + energia

Każda mieszanka większa niż 14,7:1 jest uważana za mieszankę ubogą ; mniej niż 14,7:1 to bogata mieszanka – przy idealnym (idealnym) paliwie „testowym” (benzyna składająca się wyłącznie z n - heptanu i izooktanu ). W rzeczywistości większość paliw składa się z kombinacji heptanu, oktanu, kilku innych alkanów oraz dodatków, w tym detergentów i prawdopodobnie utleniaczy, takich jak MTBE ( eter metylowo - tert -butylowy ) lub etanol / metanol . Wszystkie te związki zmieniają stosunek stechiometryczny, przy czym większość dodatków obniża stosunek (natleniacze dostarczają dodatkowy tlen do spalania w postaci ciekłej, która jest uwalniana w czasie spalania; dla paliwa obciążonego MTBE stosunek stechiometryczny może wynosić niski jak 14,1:1). Pojazdy, które wykorzystują czujnik tlenu lub inne pętle sprzężenia zwrotnego do kontrolowania stosunku paliwa do powietrza (kontrola lambda), automatycznie kompensują tę zmianę szybkości stechiometrycznej paliwa, mierząc skład spalin i kontrolując objętość paliwa. Pojazdy bez takich elementów sterujących (takie jak większość motocykli do niedawna i samochody sprzed połowy lat 80.) mogą mieć trudności z eksploatacją niektórych mieszanek paliwowych (zwłaszcza paliw zimowych stosowanych w niektórych obszarach) i mogą wymagać różnych dysz gaźnika (lub w inny sposób zmieniać proporcje paliwa ) zrekompensować. Pojazdy z czujnikami tlenu mogą monitorować stosunek powietrza do paliwa za pomocą miernika stosunku powietrza do paliwa .

Inne typy silników

W typowym palniku do spalania powietrza na gaz ziemny stosuje się strategię podwójnego przekroczenia granic, aby zapewnić kontrolę stosunku. (Ta metoda była używana podczas II wojny światowej). Strategia polega na dodaniu przeciwnego sprzężenia zwrotnego przepływu do ograniczającej kontroli odpowiedniego gazu (powietrza lub paliwa). Zapewnia to kontrolę proporcji w akceptowalnym marginesie.

Inne użyte terminy

Przy omawianiu mieszanki powietrza i paliwa w silnikach spalinowych często stosuje się inne terminy.

Mieszanina

Mieszanina jest dominującym słowem, które pojawia się w tekstach szkoleniowych, instrukcjach obsługi i instrukcjach konserwacji w świecie lotniczym.

Stosunek powietrze-paliwo to stosunek masy powietrza do masy paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej w danym momencie. Masa to masa wszystkich składników, które składają się na paliwo i powietrze, niezależnie od tego, czy są palne, czy nie. Na przykład obliczenie masy gazu ziemnego, który często zawiera dwutlenek węgla ( CO
2
), azot ( N
2
) oraz różne alkany — uwzględnia masę dwutlenku węgla, azotu i wszystkich alkanów przy określaniu wartości m paliwa .

Dla czystego oktanu mieszanina stechiometryczna wynosi około 15,1:1, czyli λ dokładnie 1,00.

W wolnossących silnikach napędzanych oktanami, maksymalna moc jest często osiągana przy AFR w zakresie od 12,5 do 13,3:1 lub λ od 0,850 do 0,901.

Stosunek powietrza do paliwa 12:1 jest uważany za maksymalny stosunek mocy, podczas gdy stosunek powietrza do paliwa 16:1 jest uważany za maksymalny stosunek zużycia paliwa.

Stosunek paliwo-powietrze (FAR)

Stosunek paliwo-powietrze jest powszechnie stosowany w przemyśle turbin gazowych , a także w rządowych badaniach silników spalinowych i odnosi się do stosunku paliwa do powietrza.

Stosunek równoważnikowy powietrze-paliwo ( λ )

Stosunek równoważnikowy powietrze-paliwo, λ (lambda), to stosunek rzeczywistego AFR do stechiometrii dla danej mieszanki. λ  = 1,0 oznacza stechiometrię, mieszaniny bogate λ  < 1,0 i mieszanki ubogie λ  > 1,0.

Istnieje bezpośredni związek między λ i AFR. Aby obliczyć AFR z danego λ , pomnóż zmierzoną λ przez stechiometryczną AFR dla tego paliwa. Alternatywnie, aby odzyskać λ z AFR, podziel AFR przez stechiometryczną AFR dla tego paliwa. To ostatnie równanie jest często używane jako definicja λ :

Ponieważ skład typowych paliw zmienia się sezonowo, a wiele nowoczesnych pojazdów może obsługiwać różne paliwa podczas tuningu, bardziej sensowne jest mówienie o wartościach λ niż o AFR.

Większość praktycznych urządzeń AFR faktycznie mierzy ilość tlenu resztkowego (w przypadku mieszanek ubogich) lub niespalonych węglowodorów (w przypadku mieszanek bogatych) w spalinach.

Stosunek równoważnika paliwo-powietrze ( ϕ )

Stosunek równoważności paliwo-powietrze , φ (fi) systemu jest zdefiniowany jako iloraz stosunku paliwa do utleniacza, w stosunku stechiometrycznym paliwa do-utleniacza. Matematycznie,

gdzie m oznacza masę, n oznacza liczbę moli, indeks dolny st oznacza warunki stechiometryczne.

Zaletą stosowania stosunku równoważności nad stosunkiem paliwo-utleniacz jest to, że bierze on pod uwagę (a zatem jest niezależny od) zarówno wartości masy, jak i molowych paliwa i utleniacza. Rozważmy na przykład mieszaninę jednego mola etanu ( C
2
h
6
) i jeden mol tlenu ( O
2
). Stosunek paliwo-utleniacz tej mieszanki w oparciu o masę paliwa i powietrza wynosi

a stosunek paliwo-utleniacz tej mieszaniny na podstawie liczby moli paliwa i powietrza wynosi

Oczywiście te dwie wartości nie są równe. Aby porównać go ze stosunkiem równoważności, musimy określić stosunek paliwa do utleniacza w mieszaninie etanu i tlenu. W tym celu musimy wziąć pod uwagę reakcję stechiometryczną etanu i tlenu,

C 2 H 6 + 72  O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O

To daje

W ten sposób możemy określić stosunek równoważności danej mieszaniny jako

lub, równoważnie, jako

Inną zaletą stosowania stosunku równoważności jest to, że stosunki większe niż jeden zawsze oznaczają, że w mieszaninie paliwo-utleniacz jest więcej paliwa niż jest wymagane do pełnego spalania (reakcja stechiometryczna), niezależnie od użytego paliwa i utleniacza, podczas gdy stosunki mniejsze niż jeden reprezentują niedobór paliwa lub równoważny nadmiar utleniacza w mieszaninie. Inaczej jest, gdy stosuje się stosunek paliwo-utleniacz, który przyjmuje różne wartości dla różnych mieszanek.

Stosunek równoważnikowy paliwo-powietrze jest powiązany ze stosunkiem równoważnikowym powietrze-paliwo (zdefiniowanym wcześniej) w następujący sposób:

Frakcja mieszaniny

Względne ilości wzbogacenia tlenem i rozcieńczenia paliwa można określić ilościowo za pomocą frakcji mieszanki , Z, określonej jako

,

gdzie

,

Y F 0 i Y O 0 reprezentują ułamki masowe utleniacza i paliwa na wlocie, W K i W O są gatunku, ciężary cząsteczkowe i V K i V O są współczynnikami stechiometryczne tlenu i paliwa, odpowiednio. Frakcja mieszaniny stechiometrycznej wynosi

Frakcja mieszaniny stechiometrycznej jest powiązana z λ (lambda) i ϕ (phi) równaniami

,

zarozumiały

Procentowy nadmiar powietrza do spalania

Idealna stechiometria

W przemysłowych ogrzewaczach , generatorach pary w elektrowniach i dużych turbinach opalanych gazem , bardziej powszechnymi określeniami są procent nadmiaru powietrza do spalania i procent powietrza stechiometrycznego. Na przykład nadmiar powietrza do spalania wynoszący 15 procent oznacza, że ​​stosuje się 15 procent więcej niż wymagane powietrze stechiometryczne (lub 115 procent powietrza stechiometrycznego).

Punkt kontrolny spalania można określić, określając procentowy nadmiar powietrza (lub tlenu) w utleniaczu lub określając procentowy udział tlenu w produkcie spalania. Stosunek powietrza do paliwa w licznik może być używany do pomiaru procentowej tlenu w gazach spalinowych, z której procent nadmiaru tlenu może być obliczony na podstawie stechiometrii i bilansu masy do spalania paliwa. Na przykład dla propanu ( C
3
h
8
) spalanie między stechiometrycznym a 30 procentowym nadmiarem powietrza ( masa AFR między 15,58 a 20,3), zależność między procentowym nadmiarem powietrza a procentowym nadmiarem tlenu wynosi:

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki