Calculadora de Relación Aire-Combustible (AFR) — AFR, Lambda y Relación de Equivalencia

¿Qué es la relación aire-combustible?

La relación aire-combustible (AFR) es la masa de aire que quema un motor por cada unidad de masa de combustible. Una AFR de 14,7 significa que el motor quema 14,7 gramos de aire por cada gramo de combustible. Esta calculadora obtiene la AFR a partir de una masa de aire y una masa de combustible, y luego la convierte en lambda (λ) y en la relación de equivalencia (φ), dos escalas utilizadas para determinar si una mezcla es rica, ideal o pobre.

Fórmula de la relación aire-combustible

La AFR es igual a la masa de aire dividida entre la masa de combustible:

$\text{AFR} = \frac{\text{masa de aire}}{\text{masa de combustible}}$

La AFR es una relación, no una medida de volumen ni de energía, por lo que sirve cualquier unidad de masa coherente. Gramos, kilogramos y libras producen el mismo número, siempre que el aire y el combustible se midan en la misma unidad.

Lambda y la relación de equivalencia

Lambda (λ) reescala la AFR para que 1,00 siempre indique la mezcla perfecta, independientemente del combustible:

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

AFR_stoich es la relación aire-combustible estequiométrica, la relación exacta en la que todo el combustible y todo el oxígeno se consumen conjuntamente, sin que sobre nada. Es diferente para cada combustible. Una AFR de 14,7 es casi ideal para la gasolina, pero notablemente pobre para el E85, porque el E85 necesita mucho menos aire por gramo de combustible.

Una mezcla con λ inferior a 1 es rica: contiene más combustible que la cantidad ideal. Una mezcla con λ superior a 1 es pobre: contiene más aire que la cantidad ideal. La relación de equivalencia (φ) es la inversa de lambda. En la escala de φ, un valor superior a 1 indica una mezcla rica, y un valor inferior a 1 indica una mezcla pobre.

Un sensor de oxígeno de banda ancha mide directamente la lambda a partir de los gases de escape. La AFR que aparece en un indicador se calcula multiplicando esa lectura de lambda por la AFR estequiométrica del combustible seleccionado. Seleccionar el combustible equivocado produce una lectura de AFR incorrecta aunque el sensor sea preciso.

AFR estequiométrica según el combustible

Mezclas ricas, estequiométricas y pobres

Lambda proporciona una escala independiente del combustible para interpretar una mezcla:

Cómo calcular la relación aire-combustible

1. Seleccione el combustible. Esto establece la AFR estequiométrica utilizada para calcular lambda y el resultado.
2. Introduzca la masa de aire y la masa de combustible en la misma unidad. Aquí se utilizan gramos, pero cualquier unidad de masa coherente produce la misma relación. La masa de combustible debe ser mayor que cero, porque es el divisor.
3. Consulte la AFR, lambda y φ, junto con el resultado: mezcla rica, estequiométrica o pobre.
4. Use la calculadora inversa para introducir una AFR objetivo y determinar la masa de combustible necesaria para una masa de aire dada, o la masa de aire necesaria para una masa de combustible dada.

Ejemplo resuelto

Un motor aspira 190 g de aire y quema 12 g de gasolina.

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

λ = 1,08 se encuentra en el intervalo pobre (de 1,03 a 1,10). La mezcla contiene más aire que la cantidad ideal para la gasolina, algo habitual con una carga ligera y una configuración orientada al ahorro de combustible.

Calcularla mediante código

Cada fragmento recibe una masa de aire, una masa de combustible y la AFR estequiométrica del combustible, y devuelve la AFR y lambda.

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

Preguntas frecuentes

¿Importan las unidades? No. La AFR es una relación, por lo que gramos, kilogramos o libras producen el mismo número, siempre que el aire y el combustible utilicen la misma unidad.

¿Una AFR más alta siempre es mejor? No. Una AFR más alta y más pobre puede mejorar el consumo de combustible, pero aumenta la temperatura de combustión. Una AFR más baja y más rica ayuda a generar potencia y enfría la mezcla de combustión, pero desperdicia combustible y aumenta las emisiones. El objetivo adecuado depende de la carga del motor y del combustible.

¿Por qué la misma AFR parece diferente para dos combustibles? Porque cada combustible tiene su propia AFR estequiométrica. Una AFR de 14,7 es ideal para la gasolina, pero pobre para el E85. Lambda (λ = 1,00) elimina este problema al indicar la mezcla ideal de la misma manera para cualquier combustible.

¿Qué es la AFR estequiométrica? Es la relación aire-combustible exacta en la que todo el combustible y todo el oxígeno del aire se consumen conjuntamente, sin que sobre nada. Es 14,7 para la gasolina y 9,76 para el E85.

¿Qué mide un sensor de oxígeno de banda ancha? Mide directamente la lambda a partir del contenido de oxígeno de los gases de escape. Después, el software de ajuste convierte esa lectura de lambda en una AFR utilizando la AFR estequiométrica del combustible seleccionado.

Fuentes

• Relación aire-combustible — Wikipedia — definiciones y valores estequiométricos de la relación aire-combustible según el combustible.
• Relaciones aire-combustible, lambda y estequiometría explicadas — HP Tuners — diferencia entre lambda y la relación aire-combustible, y objetivos de ajuste.
• Relación aire-combustible — x-engineer.org — deducción basada en primeros principios de la relación aire-combustible estequiométrica y lambda.