Ilma-polttoaine-suhde (AFR) laskin — AFR, Lambda ja ekvivalenssisuhde

Mikä on ilman ja polttoaineen massasuhde?

Ilman ja polttoaineen massasuhde (AFR) tarkoittaa ilmamassaa, jonka moottori polttaa jokaista polttoaineen massayksikköä kohden. AFR-arvo 14,7 tarkoittaa, että moottori polttaa 14,7 grammaa ilmaa jokaista polttoainegrammaa kohden. Tämä laskin laskee AFR-arvon ilman ja polttoaineen massojen perusteella ja muuntaa sen sitten lambdaksi (λ) ja ekvivalenssisuhteeksi (φ), jotka ovat kaksi asteikkoa seoksen rikkauden, ideaalisen koostumuksen tai laihuuden arviointiin.

Ilman ja polttoaineen massasuhteen kaava

AFR on ilmamassan ja polttoainemassan osamäärä:

$\text{AFR} = \frac{\text{ilmamassa}}{\text{polttoainemassa}}$

AFR on suhdeluku, ei tilavuuden tai energian mitta, joten mikä tahansa yhdenmukainen massayksikkö sopii. Grammilla, kilogrammalla ja paunalla saadaan sama luku, kunhan ilma ja polttoaine mitataan samassa yksikössä.

Lambda ja ekvivalenssisuhde

Lambda (λ) skaalaa AFR-arvon uudelleen niin, että 1,00 merkitsee aina täydellistä seosta polttoaineesta riippumatta:

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

AFR_stoich on stoikiometrinen ilman ja polttoaineen massasuhde eli täsmällinen suhde, jossa kaikki polttoaine ja kaikki happi kuluvat loppuun samanaikaisesti eikä mitään jää jäljelle. Se on erilainen jokaiselle polttoaineelle. AFR-arvo 14,7 on lähellä ihanteellista bensiiniä käytettäessä mutta selvästi laiha E85-polttoaineelle, koska E85 tarvitsee paljon vähemmän ilmaa polttoainegrammaa kohden.

Seos, jonka λ on alle 1, on rikas: siinä on polttoainetta enemmän kuin ihannemäärä. Seos, jonka λ on yli 1, on laiha: siinä on ilmaa enemmän kuin ihannemäärä. Ekvivalenssisuhde (φ) on lambdan käänteisluku. φ-asteikolla arvo yli 1 tarkoittaa rikasta seosta ja arvo alle 1 laihaa seosta.

Laajakaistainen happianturi mittaa lambdan suoraan pakokaasusta. Mittarissa näkyvä AFR lasketaan kertomalla kyseinen lambda-arvo valitun polttoaineen stoikiometrisellä AFR-arvolla. Väärän polttoaineen valitseminen tuottaa väärän AFR-lukeman, vaikka anturi itsessään olisi tarkka.

Stoikiometrinen AFR polttoaineittain

Rikkaat, stoikiometriset ja laihat seokset

Lambda tarjoaa polttoaineesta riippumattoman asteikon seoksen tulkitsemiseen:

Ilman ja polttoaineen massasuhteen laskeminen

1. Valitse polttoaine. Tämä määrittää lambdan ja tuloksen laskennassa käytettävän stoikiometrisen AFR-arvon.
2. Syötä ilman ja polttoaineen massa samassa yksikössä. Tässä käytetään grammoja, mutta mikä tahansa yhdenmukainen massayksikkö antaa saman suhdeluvun. Polttoainemassan on oltava suurempi kuin nolla, koska se on jakaja.
3. Lue AFR-, lambda- ja φ-arvot sekä tulos, joka ilmaisee seoksen rikkaaksi, stoikiometriseksi tai laihaksi.
4. Käytä käänteislaskentaa syöttääksesi tavoite-AFR-arvon ja selvittääksesi tietylle ilmamassalle tarvittavan polttoainemassan tai tietylle polttoainemassalle tarvittavan ilmamassan.

Laskuesimerkki

Moottori imee 190 g ilmaa ja polttaa 12 g bensiiniä.

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

λ = 1,08 kuuluu laihalle alueelle (1,03–1,10). Seoksessa on bensiinin ihannemäärään nähden enemmän ilmaa, mikä on tyypillistä pienen kuormituksen ja hyvän polttoainetalouden asetukselle.

Laske se koodilla

Kukin koodiesimerkki ottaa syötteeksi ilman massan, polttoaineen massan ja polttoaineen stoikiometrisen AFR-arvon sekä palauttaa AFR- ja lambda-arvon.

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

Usein kysyttyä

Vaikuttavatko yksiköt? Eivät. AFR on suhdeluku, joten grammoilla, kilogrammoilla ja paunoilla saadaan sama luku, kunhan ilma ja polttoaine ilmoitetaan samassa yksikössä.

Onko suurempi AFR aina parempi? Ei. Suurempi eli laihempi AFR voi parantaa polttoainetaloutta, mutta nostaa palamislämpötilaa. Pienempi eli rikkaampi AFR auttaa tuottamaan tehoa ja jäähdyttää palamisseosta, mutta kuluttaa polttoainetta ja lisää päästöjä. Sopiva tavoite riippuu moottorin kuormituksesta ja polttoaineesta.

Miksi sama AFR näyttää erilaiselta kahdella polttoaineella? Koska jokaisella polttoaineella on oma stoikiometrinen AFR-arvonsa. AFR-arvo 14,7 on ihanteellinen bensiinille mutta laiha E85:lle. Lambda (λ = 1,00) poistaa tämän ongelman merkitsemällä ihanteellisen seoksen samalla tavalla kaikille polttoaineille.

Mikä on stoikiometrinen AFR? Se on täsmällinen ilman ja polttoaineen suhde, jossa kaikki polttoaine ja ilmassa oleva happi kuluvat loppuun samanaikaisesti eikä mitään jää jäljelle. Bensiinille se on 14,7 ja E85:lle 9,76.

Mitä laajakaistainen happianturi mittaa? Se mittaa lambdan suoraan pakokaasun happipitoisuudesta. Säätöohjelmisto muuntaa lambda-arvon sitten AFR-arvoksi valitun polttoaineen stoikiometrisen AFR-arvon avulla.

Lähteet

• Ilman ja polttoaineen massasuhde — Wikipedia — määritelmät ja polttoainekohtaiset stoikiometriset AFR-arvot.
• Ilman ja polttoaineen massasuhteet, lambda ja stoikiometria selitettynä — HP Tuners — lambda suhteessa AFR-arvoon ja säätötavoitteet.
• Ilman ja polttoaineen massasuhde — x-engineer.org — stoikiometrisen AFR-arvon ja lambdan johtaminen perusperiaatteista.