Luft / bränsleförhållande - Air–fuel ratio

Luft -bränsleförhållande ( AFR ) är massförhållandet mellan luft och ett fast, flytande eller gasformigt bränsle som finns i en förbränningsprocess . Förbränningen kan ske på ett kontrollerat sätt, t.ex. i en förbränningsmotor eller industriugn, eller kan resultera i en explosion (t.ex. en dammexplosion , gas- eller ångsexplosion eller i ett termobariskt vapen ).

Luft-bränsleförhållandet avgör om en blandning alls är brännbar, hur mycket energi som släpps ut och hur mycket oönskade föroreningar som produceras i reaktionen. Normalt finns det en rad bränsle till luft -förhållanden, utanför vilka tändning inte kommer att ske. Dessa är kända som de nedre och övre explosionsgränserna.

I en förbränningsmotor eller industriugn är luft-bränsleförhållandet en viktig åtgärd av föroreningar och prestandastämmande skäl. Om exakt tillräckligt med luft tillhandahålls för att helt bränna allt bränsle, är förhållandet känt som den stökiometriska blandningen, ofta förkortad till stök . Förhållanden som är lägre än stökiometriska anses vara "rika". Rika blandningar är mindre effektiva, men kan ge mer kraft och brinna svalare. Förhållanden högre än stökiometriska anses vara "magra". Mager blandningar är mer effektiva men kan orsaka högre temperaturer, vilket kan leda till bildning av kväveoxider . Vissa motorer är konstruerade med funktioner för att möjliggöra lean-burn . För exakta luft-bränsleförhållandeberäkningar bör syrehalten i förbränningsluften specificeras på grund av olika lufttäthet på grund av olika höjd eller insugsluftstemperatur, eventuell utspädning med omgivande vattenånga eller berikning med syretillskott.

Förbränningsmotorer

I teorin har en stökiometrisk blandning lagom mycket luft för att helt bränna det tillgängliga bränslet. I praktiken uppnås detta aldrig riktigt, främst på grund av den mycket korta tiden som finns i en förbränningsmotor för varje förbränningscykel. Det mesta av förbränningsprocessen slutförs på cirka 2 millisekunder vid ett motorvarvtal på6000  varv per minut . (100 varv per sekund; 10 millisekunder per varv på vevaxeln - vilket för en fyrtaktsmotor normalt skulle betyda 5 millisekunder för varje kolvslag). Detta är den tid som går från tändstiftet tänds tills 90% av bränsle -luftblandningen förbränns, vanligtvis cirka 80 grader vevaxelrotation senare. Katalysatorer är utformade för att fungera bäst när avgaserna som passerar genom dem är resultatet av nästan perfekt förbränning.

En perfekt stökiometrisk blandning brinner mycket varmt och kan skada motorkomponenter om motorn utsätts för hög belastning vid denna bränsle -luftblandning. På grund av de höga temperaturerna vid denna blandning är detonationen av bränsle-luftblandningen när den närmar sig eller kort efter maximalt cylindertryck möjlig under hög belastning (kallad knocking eller pinging), specifikt en "pre-detonation" -händelse i sammanhanget av en motor med gnisttändning. Sådan detonation kan orsaka allvarliga motorskador eftersom okontrollerad förbränning av bränsle-luftblandningen kan skapa mycket höga tryck i cylindern. Som en konsekvens används stökiometriska blandningar endast under lätta till låga måttliga belastningsförhållanden. För acceleration och hög belastningsförhållanden används en rikare blandning (lägre luft-bränsleförhållande) för att producera svalare förbränningsprodukter (därigenom utnyttja förångningskylning ), och undvika överhettning av cylinderhuvudet och därmed förhindra detonation.

Motorhanteringssystem

Den stökiometriska blandningen för en bensinmotor är det ideala förhållandet mellan luft och bränsle som förbränner allt bränsle utan överskottsluft. För bensinbränsle är den stökiometriska luft -bränsleblandningen cirka 14,7: 1, dvs för varje gram bränsle krävs 14,7 gram luft. För rent oktanbränsle är oxidationsreaktionen:

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

Varje blandning som är större än 14,7: 1 anses vara en mager blandning ; mindre än 14,7: 1 är en rik blandning - givet perfekt (idealiskt) "test" -bränsle (bensin bestående av enbart n - heptan och iso -oktan ). I verkligheten, de flesta bränslen består av en kombination av heptan, oktan, en handfull andra alkaner , plus tillsatser inklusive detergenter, och eventuellt oxygenatorer såsom MTBE ( metyl -tert -butyleter ) eller etanol / metanol . Dessa föreningar ändrar alla det stökiometriska förhållandet, med de flesta tillsatserna som skjuter förhållandet nedåt (syresättare ger extra syre till förbränningshändelsen i flytande form som frigörs vid förbränningstidpunkten; för MTBE -fyllt bränsle kan ett stökiometriskt förhållande vara som låg som 14,1: 1). Fordon som använder en syresensor eller andra återkopplingsslingor för att styra bränsle till luftförhållandet (lambdakontroll) kompenserar automatiskt denna förändring av bränslets stökiometriska hastighet genom att mäta avgassammansättningen och kontrollera bränslevolymen. Fordon utan sådana kontroller (som de flesta motorcyklar fram till nyligen och bilar före mitten av 1980-talet) kan ha svårt att köra vissa bränsleblandningar (särskilt vinterbränslen som används i vissa områden) och kan kräva olika förgasarstrålar (eller på annat sätt få bränsleförhållandena ändrade ) att kompensera. Fordon som använder syresensorer kan övervaka luft -bränsleförhållandet med en luft -bränsleförhållande mätare .

Andra typer av motorer

I den typiska förbränningsbrännaren för luft till naturgas används en dubbelgränsstrategi för att säkerställa förhållandekontroll. (Denna metod användes under andra världskriget). Strategin innebär att man lägger till motsatt flödesåterkoppling i den begränsande kontrollen av respektive gas (luft eller bränsle). Detta säkerställer förhållandekontroll inom en acceptabel marginal.

Andra termer som används

Det finns andra termer som vanligtvis används när man diskuterar blandningen av luft och bränsle i förbränningsmotorer.

Blandning

Blandning är det dominerande ordet som förekommer i utbildningstexter, driftmanualer och underhållshandböcker i flygvärlden.

Luft-bränsleförhållandet är förhållandet mellan massan av luft och massan av bränsle i bränsle-luft-blandning i varje givet ögonblick. Massan är massan av alla beståndsdelar som består av bränsle och luft, oavsett om det är brännbart eller inte. Till exempel en beräkning av massan av naturgas - som ofta innehåller koldioxid ( CO
₂), kväve ( N
₂) och olika alkaner - inkluderar massan av koldioxid, kväve och alla alkaner för att bestämma m _-bränslets värde .

För ren oktan är den stökiometriska blandningen ungefär 15,1: 1, eller λ på 1,00 exakt.

I naturligt aspirerade motorer som drivs av oktan uppnås ofta maximal effekt vid AFR: er från 12,5 till 13,3: 1 eller λ på 0,850 till 0,901.

Luftbränsleförhållandet 12: 1 anses vara det maximala uteffektförhållandet, medan luftbränsleförhållandet 16: 1 anses vara det maximala bränsleekonomi-förhållandet.

Bränsle -luft -förhållande (FAR)

Bränsle -luft -förhållande används vanligtvis i gasturbinindustrin såväl som i regeringsstudier av förbränningsmotor och hänvisar till förhållandet mellan bränsle och luft.

${\ displaystyle \ mathrm {FAR} = {\ frac {1} {\ mathrm {AFR}}}}$

Luft -bränsleekvivalensförhållande ( λ )

Luft -bränsleekvivalensförhållande, λ (lambda), är förhållandet mellan verklig AFR och stökiometri för en given blandning. λ  = 1,0 är vid stökiometri, rika blandningar λ  <1,0 och magra blandningar λ  > 1,0.

Det finns ett direkt samband mellan λ och AFR. För att beräkna AFR från en given λ multiplicerar du den uppmätta λ med den stökiometriska AFR för det bränslet. Alternativt, för att återvinna λ från en AFR, dividera AFR med den stökiometriska AFR för det bränslet. Denna sista ekvation används ofta som definitionen av λ :

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {\ mathrm {AFR}} {\ mathrm {AFR} _ {\ text {stoich}}}}}}$

Eftersom sammansättningen av vanliga bränslen varierar säsongsmässigt, och eftersom många moderna fordon kan hantera olika bränslen vid tuning, är det mer meningsfullt att tala om λ -värden snarare än AFR.

De flesta praktiska AFR -enheter mäter faktiskt mängden kvarvarande syre (för magra blandningar) eller oförbrända kolväten (för rika blandningar) i avgaserna.

Bränsle -luft -ekvivalensförhållande ( ϕ )

Den bränsle-luft ekvivalensförhållande , φ (phi), av ett system definieras som förhållandet av bränsle-till-oxidationsmedel förhållandet till det stökiometriska bränsle-oxidationsmedel förhållande. Matematiskt,

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ mbox {bränsle-till-oxidationsförhållande}} {({\ mbox {bränsle-till-oxidationsförhållande}}) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {m _ {\ text {bränsle}}/m _ {\ text {ox}}} {\ vänster (m _ {\ text {bränsle}}/m _ {\ text {ox}} \ höger) _ {\ text {st} }}} = {\ frac {n _ {\ text {fuel}}/n _ {\ text {ox}}} {\ vänster (n _ {\ text {fuel}}/n _ {\ text {ox}} \ höger) _ {\ text {st}}}}}$

där m representerar massan, n representerar ett antal mol, står subscript st för stökiometriska förhållanden.

Fördelen med att använda ekvivalensförhållande framför bränsle -oxidationsförhållande är att det tar hänsyn till (och är därför oberoende av) både massa och molära värden för bränslet och oxideraren. Tänk till exempel på en blandning av en mol etan ( C
₂H
₆) och en mol syre ( O
₂). Bränsle -oxidationsförhållandet för denna blandning baserat på massan av bränsle och luft är

${\ displaystyle {\ frac {m _ {{\ ce {C2H6}}}} {m _ {{\ ce {O2}}}}} = {\ frac {1 \ gånger (2 \ gånger 12+6 \ gånger 1) } {1 \ gånger (2 \ gånger 16)}} = {\ frac {30} {32}} = 0.9375}$

och bränsle-oxidationsförhållandet för denna blandning baserat på antalet mol bränsle och luft är

${\ displaystyle {\ frac {n _ {{\ ce {C2H6}}}} {n _ {{\ ce {O2}}}}} = {\ frac {1} {1}} = 1}$

De två värdena är uppenbarligen inte lika. För att jämföra det med ekvivalensförhållandet måste vi bestämma bränsle -oxidationsförhållandet mellan etan och syreblandning. För detta måste vi överväga den stökiometriska reaktionen av etan och syre,

C ₂ H ₆ + 7 ⁄ 2  O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O

Detta ger

${\ displaystyle ({\ text {bränsle-till-oxidationsförhållande baserat på massa}}) _ {\ text {st}} = \ vänster ({\ frac {m _ {{\ ce {C2H6}}}}} m_ { {\ ce {O2}}}}} \ höger) _ {\ text {st}} = {\ frac {1 \ gånger (2 \ gånger 12+6 \ gånger 1)} {3.5 \ gånger (2 \ gånger 16 )}} = {\ frac {30} {112}} = 0.268}$

${\ displaystyle ({\ text {bränsle-till-oxidationsförhållande baserat på antalet mol)}) _ {\ text {st}} = \ left ({\ frac {n _ {{\ ce {C2H6}}}}}} { n _ {{\ ce {O2}}}}} \ höger) _ {\ text {st}} = {\ frac {1} {3.5}} = 0.286}$

Således kan vi bestämma ekvivalensförhållandet för den givna blandningen som

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {m _ {{\ ce {C2H6}}}/m _ {{\ ce {O2}}}} {\ vänster (m _ {{\ ce {C2H6}}}/m _ {{ \ ce {O2}}} \ höger) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {0.938} {0.268}} = 3.5}$

eller, likvärdigt, som

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {n _ {{\ ce {C2H6}}}/n _ {{\ ce {O2}}}} {\ vänster (n _ {{\ ce {C2H6}}}/n _ {{ \ ce {O2}}} \ höger) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {1} {0.286}} = 3.5}$

En annan fördel med att använda ekvivalensförhållandet är att förhållanden som är större än ett alltid betyder att det finns mer bränsle i bränsle -oxideringsblandningen än vad som krävs för fullständig förbränning (stökiometrisk reaktion), oavsett bränsle och oxidator som används - medan förhållanden mindre än en representerar brist på bränsle eller motsvarande överskott av oxidationsmedel i blandningen. Detta är inte fallet om man använder bränsle -oxidationsförhållande, som tar olika värden för olika blandningar.

Bränsle -luft -ekvivalensförhållandet är relaterat till luft -bränsleekvivalensförhållandet (definierat tidigare) enligt följande:

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {1} {\ lambda}}}$

Blandningsfraktion

De relativa mängderna syreberikning och bränsleutspädning kan kvantifieras med blandningsfraktionen , Z, definierad som

${\ displaystyle Z = \ left [{\ frac {sY _ {\ mathrm {F}} -Y _ {\ mathrm {O}}+Y _ {\ mathrm {O, 0}}} {sY _ {\ mathrm {F, 0 }}+Y _ {\ mathrm {O, 0}}}} \ höger]}$,

var

${\ displaystyle s = \ mathrm {AFR} _ {\ mathrm {stoich}} = {\ frac {W _ {\ mathrm {O}} \ gånger v _ {\ mathrm {O}}} {W _ {\ mathrm {F} } \ gånger v _ {\ mathrm {F}}}}}$,

Y _{F, 0} och Y _{O, 0} representerar bränsle- och oxidationsmassans fraktioner vid inloppet, W _F och W _O är artens molekylvikter, och v _F och v _O är bränsle- och syre -stökiometriska koefficienter. Den stökiometriska blandningsfraktionen är

${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {st}} = \ vänster [{\ frac {1} {1+{\ frac {Y _ {\ mathrm {F, 0}} \ gånger W _ {\ mathrm {O}} \ gånger v _ {\ mathrm {O}}} {Y _ {\ mathrm {O, 0}} \ gånger W _ {\ mathrm {F}} \ gånger v _ {\ mathrm {F}}}}}}} höger]}$

Den stökiometriska blandningsfraktionen är relaterad till λ (lambda) och ϕ (phi) genom ekvationerna

${\ displaystyle Z _ {\ text {st}} = {\ frac {\ lambda} {1+ \ lambda}} = {\ frac {1} {1+ \ phi}}}$,

antar

${\ displaystyle \ mathrm {AFR} = {\ frac {Y _ {\ mathrm {O, 0}}} {Y _ {\ mathrm {F, 0}}}}}}$

Procent överskott av förbränningsluft

I industrieldade värmare , ånggeneratorer för kraftverk och stora gaseldade turbiner är de vanligare termerna procentöverskott av förbränningsluft och procent stökiometrisk luft. Till exempel innebär överskott av förbränningsluft på 15 procent att 15 procent mer än den nödvändiga stökiometriska luften (eller 115 procent av stökiometrisk luft) används.

En förbränningskontrollpunkt kan definieras genom att specificera procentuell överskottsluft (eller syre) i oxidationsmedlet , eller genom att specificera procent syre i förbränningsprodukten. En luft -bränsleförhållande -mätare kan användas för att mäta procent syre i förbränningsgasen, från vilken procentuellt överskott av syre kan beräknas från stökiometri och en massbalans för bränsleförbränning. Till exempel för propan ( C
₃H
₈) förbränning mellan stökiometrisk och 30 procent överskottsluft (AFR _-massa mellan 15,58 och 20,3), förhållandet mellan procent överflödig luft och procent syre är:

${\ displaystyle {\ begin {align} \ mathrm {Mass \%\ O_ {2} \ in \ propan \ combustion \ gas} & \ approx -0.1433 (\ mathrm {\%\ överskott \ O_ {2}})^ {2} +0.214 (\ mathrm {\%\ överskott \ O_ {2}}) \\\ mathrm {Volume \%\ O_ {2} \ in \ propan \ combustion \ gas} & \ approx -0.1208 (\ mathrm {\%\ överskott \ O_ {2}})^{2} +0.186 (\ mathrm {\%\ överskott \ O_ {2}}) \ slut {anpassat}}}$

Se även

• Adiabatisk flamtemperatur
• AFR -sensor
• Luft -bränsleförhållande mätare
• Massflödesgivare
• Förbränning
• Stokiometriskt luft-bränsle-förhållande för vanliga bränslen

Referenser

externa länkar

• HowStuffWorks: bränsleinsprutning , katalysator
• University of Plymouth: Primer för motorförbränning
• Kamm, Richard W. "Blandat om bränsleblandningar?" . Flygplansunderhållsteknik (februari 2002). Arkiverad från originalet 2010-11-20 . Hämtad 2009-03-18 .