air fuel ratio что это

Соотношение воздух-топливо определяет, является ли смесь горючей вообще, сколько энергии выделяется и сколько нежелательных загрязняющих веществ образуется в реакции. Обычно существует диапазон соотношения топлива к воздуху, за пределами которого воспламенение не происходит. Они известны как нижний и верхний пределы взрываемости.

СОДЕРЖАНИЕ

Двигатель внутреннего сгорания

К сожалению, стехиометрическая смесь горит очень горячо и может повредить компоненты двигателя, если двигатель находится под большой нагрузкой на этой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур в этой смеси детонация топливно-воздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или вскоре после него возможна при высокой нагрузке (называемой детонацией или звоном), в частности, в контексте «преддетонационного» события. модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может вызвать серьезное повреждение двигателя, поскольку неконтролируемое горение топливовоздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только при условиях нагрузки от легкой до умеренной. В условиях ускорения и высоких нагрузок более богатая смесь (более низкое соотношение воздух-топливо) используется для получения более холодных продуктов сгорания и, таким образом, предотвращения перегрева головки блока цилиндров и, таким образом, предотвращения детонации.

Системы управления двигателем

Другие типы двигателей

В типичной горелке для сжигания воздуха и природного газа используется стратегия двойного перекрестного ограничения, чтобы гарантировать регулирование соотношения. (Этот метод использовался во время Второй мировой войны). Стратегия включает добавление обратной обратной связи по потоку в ограничивающий контроль соответствующего газа (воздуха или топлива). Это обеспечивает контроль соотношения в пределах приемлемого запаса.

Другие используемые термины

При обсуждении смеси воздуха и топлива в двигателях внутреннего сгорания обычно используются другие термины.

Смесь

Для чистого октана стехиометрической смеси составляет приблизительно 15,1: 1, или λ 1,00 точно.

В двигателях без наддува с октановым числом максимальная мощность часто достигается при AFR от 12,5 до 13,3: 1 или λ от 0,850 до 0,901.

Соотношение воздух-топливо 12: 1 рассматривается как максимальное выходное отношение, тогда как соотношение воздух-топливо 16: 1 рассматривается как максимальное отношение экономии топлива.

Соотношение топливо-воздух (FAR)

Соотношение топливо-воздух обычно используется в газотурбинной промышленности, а также в государственных исследованиях двигателей внутреннего сгорания и относится к соотношению топлива и воздуха.

Коэффициент воздушно-топливного эквивалента ( λ )

λ знак равно А F р А F р стоич <\ displaystyle \ lambda = <\ frac <\ mathrm > <\ mathrm _ <\ text >>>>

Поскольку состав обычных видов топлива меняется в зависимости от сезона, и поскольку многие современные автомобили могут работать с разными видами топлива при настройке, имеет смысл говорить о значениях λ, а не о AFR.

Большинство практичных устройств AFR фактически измеряют количество остаточного кислорода (для бедных смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в выхлопных газах.

Соотношение топливно-воздушного эквивалента ( ϕ )

ϕ знак равно соотношение топлива к окислителю ( соотношение топлива к окислителю ) ул знак равно м топливо / м бык ( м топливо / м бык ) ул знак равно п топливо / п бык ( п топливо / п бык ) ул <\ displaystyle \ phi = <\ frac <\ mbox <отношение топлива к окислителю>> <(<\ mbox <отношение топлива к окислителю>>) _ <\ text >>> = <\ frac > / m _ <\ text >> <\ left (m _ <\ text > / m _ <\ text > \ right) _ <\ text >>> = <\ frac > / n _ <\ text >> <\ left (n _ <\ text > / n _ <\ text > \ right) _ <\ text >>>>

где m обозначает массу, n обозначает количество молей, индекс st обозначает стехиометрические условия.

Преимущество использования отношения эквивалентности перед соотношением топливо-окислитель состоит в том, что оно учитывает (и, следовательно, не зависит от) как массовые, так и молярные значения для топлива и окислителя. Рассмотрим, например, смесь одного моля этана ( C
2 ЧАС
6 ) и один моль кислорода ( O
2 ). Соотношение топливо-окислитель этой смеси, основанное на массе топлива и воздуха, равно

м C 2 ЧАС 6 м О 2 знак равно 1 × ( 2 × 12 + 6 × 1 ) 1 × ( 2 × 16 ) знак равно 30 32 знак равно 0,9375 <\ displaystyle <\ frac >>>> >>>> = <\ frac <1 \ times (2 12 + 6 1)><1 \ times (2 16)>> = <\ frac <30><32>> = 0,9375>

и соотношение топливо-окислитель этой смеси, основанное на количестве молей топлива и воздуха, равно

п C 2 ЧАС 6 п О 2 знак равно 1 1 знак равно 1 <\ displaystyle <\ frac >>>> >>>> = <\ frac <1><1>> = 1>

Ясно, что эти два значения не равны. Чтобы сравнить его с коэффициентом эквивалентности, необходимо определить соотношение топливо – окислитель смеси этана и кислорода. Для этого необходимо рассмотреть стехиометрическую реакцию этана и кислорода,

( соотношение топлива и окислителя по массе ) ул знак равно ( м C 2 ЧАС 6 м О 2 ) ул знак равно 1 × ( 2 × 12 + 6 × 1 ) 3.5 × ( 2 × 16 ) знак равно 30 112 знак равно 0,268 <\ displaystyle (<\ text <отношение количества топлива к окислителю в зависимости от массы>>) _ <\ text > = \ left (<\ frac >>>> >>>> \ right) _ <\ text > = <\ frac <1 \ times (2 12 + 6 1)><3,5 \ times (2 \ times 16 )>> = <\ frac <30><112>> = 0,268> ( соотношение топлива к окислителю в зависимости от количества молей ) ул знак равно ( п C 2 ЧАС 6 п О 2 ) ул знак равно 1 3.5 знак равно 0,286 <\ displaystyle (<\ text <отношение количества топлива к окислителю в зависимости от количества молей>>) _ <\ text > = \ left (<\ frac >>> < n _ <<\ ce >>>> \ right) _ <\ text > = <\ frac <1><3.5>> = 0,286>

Таким образом, мы можем определить степень эквивалентности данной смеси как

ϕ знак равно м C 2 ЧАС 6 / м О 2 ( м C 2 ЧАС 6 / м О 2 ) ул знак равно 0,938 0,268 знак равно 3.5 <\ displaystyle \ phi = <\ frac >> / m _ <<\ ce >>> <\ left (m _ <<\ ce >>> / m _ << \ ce >> \ right) _ <\ text >>> = <\ frac <0,938><0,268>> = 3,5>

или, что то же самое, как

ϕ знак равно п C 2 ЧАС 6 / п О 2 ( п C 2 ЧАС 6 / п О 2 ) ул знак равно 1 0,286 знак равно 3.5 <\ displaystyle \ phi = <\ frac >> / n _ <<\ ce >>> <\ left (n _ <<\ ce >>> / n _ << \ ce >> \ right) _ <\ text >>> = <\ frac <1><0,286>> = 3,5>

Еще одно преимущество использования коэффициента эквивалентности состоит в том, что отношения, превышающие единицу, всегда означают, что в смеси топливо-окислитель больше топлива, чем требуется для полного сгорания (стехиометрическая реакция), независимо от используемого топлива и окислителя, тогда как отношения меньше единицы представляют недостаток топлива или эквивалентный избыток окислителя в смеси. Это не тот случай, если используется соотношение топливо – окислитель, которое принимает разные значения для разных смесей.

Отношение топливно-воздушного эквивалента связано с соотношением воздушно-топливного эквивалента (определенным ранее) следующим образом:

Фракция смеси

Относительные количества обогащения кислородом и разбавления топлива могут быть определены количественно долей смеси Z, определяемой как

Y _{F, 0} и Y _{O, 0} представляют собой массовые доли топлива и окислителя на входе, W _F и W _O представляют собой молекулярные массы компонентов, а v _F и v _O представляют собой стехиометрические коэффициенты топлива и кислорода соответственно. Доля стехиометрической смеси составляет

Доля стехиометрической смеси связана с λ (лямбда) и ϕ (phi) уравнениями

Z ул знак равно λ 1 + λ знак равно 1 1 + ϕ <\ displaystyle Z _ <\ text > = <\ frac <\ lambda><1+ \ lambda>> = <\ frac <1><1+ \ phi>>> ,

Процент избытка воздуха для горения

Контрольную точку горения можно определить, указав процент избыточного воздуха (или кислорода) в окислителе или указав процентное содержание кислорода в продукте сгорания. Метр соотношение воздух-топливо может быть использован для измерения процента кислорода в газообразных продуктах сгорания, из которого процент избытка кислорода может быть вычислена от стехиометрии и баланса массы для сжигания топлива. Например, для пропана ( C
3 ЧАС
8 ) при горении между стехиометрическим и 30-процентным избытком воздуха ( _масса AFR между 15,58 и 20,3) соотношение между процентом избытка воздуха и процентом кислорода составляет:

Источник

Соотношение воздух-топливо определяет, является ли смесь горючей вообще, сколько энергии выделяется и сколько нежелательных загрязняющих веществ образуется в реакции. Обычно существует диапазон соотношений топлива и воздуха, за пределами которого воспламенение не происходит. Они известны как нижний и верхний пределы взрываемости.

Содержание

Двигатель внутреннего сгорания

К сожалению, стехиометрическая смесь горит очень горячо и может повредить компоненты двигателя, если двигатель находится под большой нагрузкой на этой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур в этой смеси, детонация топливно-воздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или вскоре после него возможна при высокой нагрузке (называемой детонацией или звоном), особенно в случае «преддетонационного» события в контексте модель двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может вызвать серьезное повреждение двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание топливовоздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только при условиях нагрузки от легкой до умеренной. В условиях ускорения и высоких нагрузок более богатая смесь (более низкое соотношение воздух-топливо) используется для получения более холодных продуктов сгорания и, таким образом, предотвращения перегрева головки блока цилиндров и, таким образом, предотвращения детонации.

Системы управления двигателем

Другие типы двигателей

В типичной горелке для сжигания воздуха и природного газа используется стратегия двойного перекрестного ограничения для обеспечения контроля соотношения. (Этот метод использовался во время Второй мировой войны). Стратегия включает добавление обратной обратной связи по потоку в ограничивающий контроль соответствующего газа (воздуха или топлива). Это обеспечивает контроль соотношения в пределах приемлемого запаса.

Другие используемые термины

При обсуждении смеси воздуха и топлива в двигателях внутреннего сгорания обычно используются другие термины.

Смесь

Для чистого октана стехиометрической смеси составляет приблизительно 15,1: 1, или λ 1,00 точно.

В двигателях без наддува с октановым числом максимальная мощность часто достигается при AFR от 12,5 до 13,3: 1 или λ от 0,850 до 0,901.

Соотношение воздух-топливо 12: 1 считается максимальным выходным отношением, тогда как соотношение воздух-топливо 16: 1 считается максимальным коэффициентом экономии топлива.

Соотношение топливо-воздух (FAR)

Соотношение топливо-воздух обычно используется в газотурбинной промышленности, а также в правительственных исследованиях двигателей внутреннего сгорания и относится к соотношению топлива и воздуха.

Коэффициент воздушно-топливного эквивалента ( λ )

λ знак равно А F р А F р стоич <\ displaystyle \ lambda = <\ frac <\ mathrm > <\ mathrm _ <\ text >>>>

Поскольку состав обычных видов топлива меняется в зависимости от сезона, и поскольку многие современные автомобили могут работать с разными видами топлива, при настройке имеет больше смысла говорить о значениях λ, а не о AFR.

Большинство практичных устройств AFR фактически измеряют количество остаточного кислорода (для бедных смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в выхлопных газах.

Соотношение топливно-воздушного эквивалента ( ϕ )

ϕ знак равно соотношение топлива к окислителю ( соотношение топлива к окислителю ) ул знак равно м топливо / м бык ( м топливо / м бык ) ул знак равно п топливо / п бык ( п топливо / п бык ) ул <\ displaystyle \ phi = <\ frac <\ mbox <отношение топлива к окислителю>> <(<\ mbox <отношение топлива к окислителю>>) _ <\ text >>> = <\ frac > / m _ <\ text >> <\ left (m _ <\ text > / m _ <\ text > \ right) _ <\ text >>> = <\ frac > / n _ <\ text >> <\ left (n _ <\ text > / n _ <\ text > \ right) _ <\ text >>>>

где m обозначает массу, n обозначает количество молей, суффикс st обозначает стехиометрические условия.

Преимущество использования отношения эквивалентности по сравнению с соотношением топливо – окислитель состоит в том, что оно учитывает (и, следовательно, не зависит от) как массовые, так и молярные значения для топлива и окислителя. Рассмотрим, например, смесь одного моля этана ( C
2 ЧАС
6 ) и один моль кислорода ( O
2 ). Соотношение топливо-окислитель этой смеси в зависимости от массы топлива и воздуха составляет

м C 2 ЧАС 6 м О 2 знак равно 1 × ( 2 × 12 + 6 × 1 ) 1 × ( 2 × 16 ) знак равно 30 32 знак равно 0,9375 <\ displaystyle <\ frac >>>> >>>> = <\ frac <1 \ times (2 12 + 6 1)><1 \ times (2 16)>> = <\ frac <30><32>> = 0,9375>

и соотношение топливо-окислитель этой смеси, основанное на количестве молей топлива и воздуха, равно

п C 2 ЧАС 6 п О 2 знак равно 1 1 знак равно 1 <\ displaystyle <\ frac >>>> >>>> = <\ frac <1><1>> = 1>

Очевидно, что эти два значения не равны. Чтобы сравнить его с коэффициентом эквивалентности, необходимо определить соотношение топливо – окислитель смеси этана и кислорода. Для этого необходимо рассмотреть стехиометрическую реакцию этана и кислорода,

( отношение количества топлива к окислителю по массе ) ул знак равно ( м C 2 ЧАС 6 м О 2 ) ул знак равно 1 × ( 2 × 12 + 6 × 1 ) 3.5 × ( 2 × 16 ) знак равно 30 112 знак равно 0,268 <\ displaystyle (<\ text <отношение количества топлива к окислителю в зависимости от массы>>) _ <\ text > = \ left (<\ frac >>>> >>>> \ right) _ <\ text > = <\ frac <1 \ times (2 12 + 6 1)><3,5 \ times (2 \ times 16 )>> = <\ frac <30><112>> = 0,268> ( соотношение топлива к окислителю в зависимости от числа молей ) ул знак равно ( п C 2 ЧАС 6 п О 2 ) ул знак равно 1 3.5 знак равно 0,286 <\ displaystyle (<\ text <отношение топлива к окислителю в зависимости от числа молей>>) _ <\ text > = \ left (<\ frac >>> < n _ <<\ ce >>>> \ right) _ <\ text > = <\ frac <1><3.5>> = 0,286>

Таким образом, мы можем определить степень эквивалентности данной смеси как

ϕ знак равно м C 2 ЧАС 6 / м О 2 ( м C 2 ЧАС 6 / м О 2 ) ул знак равно 0,938 0,268 знак равно 3.5 <\ displaystyle \ phi = <\ frac >> / m _ <<\ ce >>> <\ left (m _ <<\ ce >>> / m _ << \ ce >> \ right) _ <\ text >>> = <\ frac <0,938><0,268>> = 3,5>

или, что то же самое, как

ϕ знак равно п C 2 ЧАС 6 / п О 2 ( п C 2 ЧАС 6 / п О 2 ) ул знак равно 1 0,286 знак равно 3.5 <\ displaystyle \ phi = <\ frac >> / n _ <<\ ce >>> <\ left (n _ <<\ ce >>> / n _ << \ ce >> \ right) _ <\ text >>> = <\ frac <1><0,286>> = 3,5>

Еще одно преимущество использования коэффициента эквивалентности состоит в том, что отношения, превышающие единицу, всегда означают, что в смеси топливо-окислитель больше топлива, чем требуется для полного сгорания (стехиометрическая реакция), независимо от используемого топлива и окислителя, в то время как отношения меньше единицы представляют недостаток топлива или эквивалентный избыток окислителя в смеси. Это не тот случай, если используется соотношение топливо – окислитель, которое принимает разные значения для разных смесей.

Отношение топливно-воздушного эквивалента связано с соотношением воздушно-топливного эквивалента (определенным ранее) следующим образом:

Фракция смеси

Относительные количества обогащения кислородом и разбавления топлива могут быть количественно определены долей смеси Z, определяемой как

Y _{F, 0} и Y _{O, 0} представляют собой массовые доли топлива и окислителя на входе, W _F и W _O представляют собой молекулярные массы компонентов, а v _F и v _O представляют собой стехиометрические коэффициенты топлива и кислорода соответственно. Доля стехиометрической смеси составляет

Доля стехиометрической смеси связана с λ (лямбда) и ϕ (phi) уравнениями

Z ул знак равно λ 1 + λ знак равно 1 1 + ϕ <\ displaystyle Z _ <\ text > = <\ frac <\ lambda><1+ \ lambda>> = <\ frac <1><1+ \ phi>>> ,

Процент избытка воздуха для горения

Контрольную точку горения можно определить, указав процент избытка воздуха (или кислорода) в окислителе или указав процент кислорода в продукте сгорания. Метр соотношение воздух-топливо может быть использован для измерения процента кислорода в газообразных продуктах сгорания, из которого процент избытка кислорода может быть вычислена от стехиометрии и баланса массы для сжигания топлива. Например, для пропана ( C
3 ЧАС
8 ) при горении между стехиометрическим и 30-процентным избытком воздуха ( _масса AFR между 15,58 и 20,3) соотношение между процентом избытка воздуха и процентом кислорода составляет:

Источник

Как указывалось выше, есть широкополосные измерители, которые устанавливаются отдельно или в корпусах. Почти все они показывают соотношение воздух-топливо на числовом дисплее, поскольку широкополосные датчики обеспечивают гораздо более точные показания. Поскольку в широкополосных датчиках используется более точная электроника, эти измерители более дорогие.

СОДЕРЖАНИЕ

Преимущества измерения состава топливовоздушной смеси

Холодным двигателям также обычно требуется больше топлива и более богатая смесь при первом запуске (см. Инжектор холодного пуска ), потому что топливо не испаряется, когда холодно, и, следовательно, требует большего количества топлива для надлежащего «насыщения» воздуха. Богатые смеси также горят быстрее и снижают риск детонации искры / детонации (детонации) двигателя, когда двигатель находится под нагрузкой. Однако богатые смеси резко увеличивают выбросы окиси углерода (CO).

Типы датчиков

Циркониевый датчик кислорода

Титановый кислородный датчик

Узкополосный датчик

Широкополосные датчики

Строительство и эксплуатация

Сравнение с датчиком массового расхода воздуха

Тестирование

Если PID сканера отображает «лямбда» или « коэффициент эквивалентности », показание должно быть 1,0 в стехиометрических условиях. Числа выше 1,0 указывают на бедную смесь, а числа ниже 1,0 указывают на богатые смеси. Контроллер ЭСУД использует информацию от датчиков для регулировки количества топлива, впрыскиваемого в двигатель, поэтому также должны быть видны соответствующие изменения в PID (-ах) краткосрочной корректировки топлива. Показания обедненной смеси от датчика AFR побудят ECM добавить топливо, что проявится как положительный (или более положительный) процент краткосрочной корректировки топлива.

Некоторые техники заставляют двигатель работать на обедненной смеси, создавая утечку вакуума после датчика массового расхода воздуха, а затем следят за реакцией ФИД сканера. Двигатель можно принудительно обогатить, добавив отмеренное количество пропана во входящий поток воздуха. В любом случае, если датчик не реагирует, скорее всего, это проблема. Однако эти тесты не исключают другие проблемы со схемой или проблемы с ECM. Рекомендуется тщательная систематическая диагностика.

Рабочая Температура

Еще одно важное различие между широкополосным датчиком AFR и датчиком из диоксида циркония O ₂ заключается в том, что он имеет рабочую температуру около 750 ° C (1380 ° F). В этих устройствах температура очень важна, и по этой причине для точного контроля температуры нагревателя используется специальная схема нагревателя с широтно-импульсным управлением. ЕСМ управляет цепью нагревателя.

Преимущества

Широкий рабочий диапазон в сочетании с присущей датчику AFR быстродействием всегда приводит систему к стехиометрии, что значительно снижает выбросы. При этом типе управления подачей топлива соотношение воздух / топливо всегда составляет около 14,7: 1. Если смесь становится слегка обогащенной, ЕСМ регулирует ток в цепи насоса для поддержания заданного рабочего напряжения. Ток обнаруживается схемой обнаружения контроллера ЭСУД, и выдается результат команды на уменьшение пульсации форсунки. Как только топливно-воздушная смесь вернется к стехиометрии, из-за уменьшения пульсации форсунки ECM соответственно отрегулирует ток. Конечным результатом является отсутствие тока (0,00 ампер ) при соотношении воздух-топливо 14,7: 1. В этом случае на амперметре виден небольшой отрицательный горб, показание которого почти сразу возвращается к 0,00. Коррекция расхода топлива происходит очень быстро.

Практичность эксплуатации

«Холодный» двигатель заставляет компьютер изменять соотношение топлива и воздуха, поэтому выходное напряжение датчика o2 переключается между примерно 100 и 850/900 мВ, а через некоторое время датчик может выдавать напряжение переключения между примерно 200 и 700/750 мВ, для машин с турбонаддувом еще меньше.

Блок управления двигателем (ЭБУ) при работе в «замкнутом контуре» стремится поддерживать нулевой кислород (таким образом, стехиометрический баланс), при этом воздушно-топливная смесь примерно в 14,7 раз превышает массу воздуха по отношению к топливу для бензина. Это соотношение поддерживает «нейтральные» характеристики двигателя (меньший расход топлива, но приличная мощность двигателя и минимальное загрязнение окружающей среды).

Средний уровень датчика близок к 450 мВ. Поскольку для каталитических нейтрализаторов требуется циклическое соотношение a / f, кислородному датчику не разрешается удерживать фиксированное напряжение, ЭБУ управляет двигателем, обеспечивая смесь бедной (и богатой) смеси таким достаточно быстрым способом с помощью более коротких (или более длинных) ) время подачи сигнала на форсунки, поэтому средний уровень становится заявленным около 450 мВ.

С другой стороны, широкополосный датчик имеет очень линейный выходной сигнал, 0–5 В, и требует гораздо более высокой рабочей температуры.

Какой тип измерителя состава топливовоздушной смеси следует использовать

Если целью измерителя воздушно-топливного отношения является обнаружение также существующей или возможной проблемы с указанным выше датчиком проверки общей смеси и характеристик, достаточно узкополосного измерителя воздушно-топливного отношения.

В высокопроизводительных приложениях настройки желательна широкополосная система.

Источник