Калкулатор за съотношението въздух-гориво (AFR) — AFR, Lambda и съотношение на еквивалентност

Какво представлява съотношението въздух–гориво?

Съотношението въздух–гориво (AFR) е масата на въздуха, която двигателят изгаря за всяка единица маса гориво. AFR от 14,7 означава, че двигателят изгаря 14,7 грама въздух за всеки грам гориво. Този калкулатор изчислява AFR от масата на въздуха и масата на горивото, след което го преобразува в ламбда (λ) и коефициент на еквивалентност (φ) — две скали, използвани за определяне дали сместа е богата, идеална или бедна.

Формула за съотношението въздух–гориво

AFR е равно на масата на въздуха, разделена на масата на горивото:

$\text{AFR} = \frac{\text{маса на въздуха}}{\text{маса на горивото}}$

AFR е съотношение, а не измерване на обем или енергия, затова може да се използва всяка съгласувана единица за маса. Грамове, килограми и фунтове дават едно и също число, стига въздухът и горивото да са измерени в една и съща единица.

Ламбда и коефициентът на еквивалентност

Ламбда (λ) преизчислява AFR така, че 1,00 винаги обозначава идеалната смес, независимо от горивото:

$\lambda = \frac{\text{AFR}}{\text{AFR}_{\text{стехиометрично}}} \qquad \varphi = \frac{1}{\lambda}$

AFR_stoich е стехиометричното съотношение въздух–гориво — точното съотношение, при което цялото гориво и целият кислород се изразходват едновременно, без да остава излишък. То е различно за всяко гориво. AFR от 14,7 е близо до идеалното за бензин, но е забележимо бедно за E85, тъй като E85 се нуждае от много по-малко въздух за грам гориво.

Смес с λ под 1 е богата: тя съдържа повече гориво от идеалното количество. Смес с λ над 1 е бедна: тя съдържа повече въздух от идеалното количество. Коефициентът на еквивалентност (φ) е реципрочната стойност на ламбда. При скалата φ стойност над 1 означава богата смес, а стойност под 1 означава бедна смес.

Широколентов кислороден датчик измерва ламбда директно от отработените газове. AFR, показано на измервателен уред, се изчислява, като показанието за ламбда се умножи по стехиометричното AFR на избраното гориво. Изборът на грешно гориво води до неправилно показание за AFR, дори когато самият датчик е точен.

Стехиометрично AFR според горивото

Богати, стехиометрични и бедни смеси

Ламбда предоставя независима от горивото скала за определяне на състава на сместа:

Как се изчислява съотношението въздух–гориво

1. Изберете горивото. Така се задава стехиометричното AFR, използвано за изчисляване на ламбда и за определяне на резултата.
2. Въведете масата на въздуха и масата на горивото в една и съща единица. Тук се използват грамове, но всяка съгласувана единица за маса дава същото съотношение. Масата на горивото трябва да е по-голяма от нула, тъй като тя е делителят.
3. Вижте AFR, ламбда и φ, както и резултата — богата, стехиометрична или бедна смес.
4. Използвайте обратното изчисление, за да въведете целево AFR и да намерите необходимата маса гориво за дадена маса въздух или необходимата маса въздух за дадена маса гориво.

Решен пример

Двигателят засмуква 190 g въздух и изгаря 12 g бензин.

$\text{AFR} = \frac{190}{12} = 15.83 \qquad \lambda = \frac{15.83}{14.7} \approx 1.08$

λ = 1,08 попада в бедния диапазон (от 1,03 до 1,10). Сместа съдържа повече въздух от идеалното количество за бензин, което е типично за режим с малко натоварване и икономия на гориво.

Изчисляване с код

Всеки откъс приема масата на въздуха, масата на горивото и стехиометричното AFR за горивото и връща AFR и ламбда.

1=A2/B2                     ' AFR  (A2 = air mass, B2 = fuel mass)
2=(A2/B2)/C2                ' Lambda  (C2 = stoichiometric AFR, e.g. 14.7)
3

1def afr_lambda(air_mass, fuel_mass, stoich=14.7):
2    afr = air_mass / fuel_mass
3    return afr, afr / stoich
4
5print(afr_lambda(190, 12))  # (15.8333..., 1.0770...)
6

1function afrLambda(airMass, fuelMass, stoich = 14.7) {
2  const afr = airMass / fuelMass;
3  return { afr, lambda: afr / stoich };
4}
5console.log(afrLambda(190, 12)); // { afr: 15.8333..., lambda: 1.0770... }
6

1double afr = airMass / fuelMass;
2double lambda = afr / stoich;   // stoich e.g. 14.7
3

1double afr = airMass / fuelMass;
2double lambda = afr / stoich;   // stoich e.g. 14.7
3

1double afr = airMass / fuelMass;
2double lambda = afr / stoich;   // stoich e.g. 14.7
3

1afr := airMass / fuelMass
2lambda := afr / stoich // stoich e.g. 14.7
3

1let afr = air_mass / fuel_mass;
2let lambda = afr / stoich; // stoich e.g. 14.7
3

1$afr = $airMass / $fuelMass;
2$lambda = $afr / $stoich; // $stoich e.g. 14.7
3

1afr = air_mass / fuel_mass
2lambda = afr / stoich # stoich e.g. 14.7
3

1afr <- air_mass / fuel_mass
2lambda <- afr / stoich  # stoich e.g. 14.7
3

Често задавани въпроси

Имат ли значение единиците? Не. AFR е съотношение, затова грамове, килограми или фунтове дават едно и също число, стига въздухът и горивото да са в една и съща единица.

Винаги ли по-високото AFR е по-добро? Не. По-високо и по-бедно AFR може да подобри икономията на гориво, но повишава температурата на горене. По-ниско и по-богато AFR помага за развиване на мощност и охлажда горивния заряд, но разхищава гориво и увеличава емисиите. Подходящата цел зависи от натоварването на двигателя и от горивото.

Защо едно и също AFR изглежда различно при две горива? Защото всяко гориво има собствено стехиометрично AFR. AFR от 14,7 е идеално за бензин, но е бедно за E85. Ламбда (λ = 1,00) отстранява този проблем, като обозначава идеалната смес по един и същ начин за всяко гориво.

Какво е стехиометричното AFR? Това е точното съотношение въздух–гориво, при което цялото гориво и целият кислород във въздуха се изразходват едновременно, без да остава излишък. За бензин то е 14,7, а за E85 — 9,76.

Какво измерва широколентовият кислороден датчик? Той измерва ламбда директно от съдържанието на кислород в отработените газове. След това софтуерът за настройка преобразува показанието за ламбда в AFR, като използва стехиометричното AFR на избраното гориво.

Източници

• Air–fuel ratio — Wikipedia — определения и стойности на стехиометричното AFR според горивото.
• Обяснение на съотношенията въздух–гориво, ламбда и стехиометрията — HP Tuners — ламбда спрямо AFR и целеви стойности при настройване.
• Air fuel ratio — x-engineer.org — извеждане на стехиометричното AFR и ламбда от първи принципи.