Calculatrice du rapport air-carburant (AFR) — AFR, Lambda et rapport d'équivalence

Quel est le rapport air-carburant ?

Le rapport air-carburant (AFR) est la masse d’air qu’un moteur brûle pour chaque unité de masse de carburant. Un AFR de 14,7 signifie que le moteur brûle 14,7 grammes d’air pour chaque gramme de carburant. Ce calculateur détermine l’AFR à partir d’une masse d’air et d’une masse de carburant, puis le convertit en lambda (λ) et en rapport d’équivalence (φ), deux échelles utilisées pour déterminer si un mélange est riche, idéal ou pauvre.

Formule du rapport air-carburant

L’AFR est égal à la masse d’air divisée par la masse de carburant :

$\text{AFR} = \frac{\text{masse d’air}}{\text{masse de carburant}}$

L’AFR est un rapport, et non une mesure de volume ou d’énergie ; toute unité de masse cohérente convient donc. Les grammes, les kilogrammes et les livres donnent tous le même résultat, à condition que l’air et le carburant soient mesurés dans la même unité.

Lambda et le rapport d’équivalence

Le lambda (λ) remet l’AFR à l’échelle de sorte que 1,00 indique toujours le mélange parfait, quel que soit le carburant :

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

AFR_stœchiométrique est le rapport air-carburant stœchiométrique, c’est-à-dire le rapport exact auquel tout le carburant et tout l’oxygène sont consommés ensemble, sans aucun résidu. Il diffère selon le carburant. Un AFR de 14,7 est proche de l’idéal pour l’essence, mais nettement pauvre pour l’E85, car l’E85 nécessite beaucoup moins d’air par gramme de carburant.

Un mélange dont le λ est inférieur à 1 est riche : il contient davantage de carburant que la quantité idéale. Un mélange dont le λ est supérieur à 1 est pauvre : il contient davantage d’air que la quantité idéale. Le rapport d’équivalence (φ) est l’inverse du lambda. Sur l’échelle φ, une valeur supérieure à 1 indique un mélange riche, et une valeur inférieure à 1 un mélange pauvre.

Un capteur d’oxygène à large bande mesure directement le lambda dans les gaz d’échappement. L’AFR affiché sur un indicateur est calculé en multipliant cette valeur de lambda par l’AFR stœchiométrique du carburant sélectionné. La sélection du mauvais carburant produit une valeur d’AFR incorrecte, même si le capteur est lui-même précis.

AFR stœchiométrique selon le carburant

Mélanges riches, stœchiométriques et pauvres

Le lambda fournit une échelle indépendante du carburant pour évaluer un mélange :

Comment calculer le rapport air-carburant

1. Sélectionnez le carburant. Cette sélection définit l’AFR stœchiométrique utilisé pour calculer le lambda et le diagnostic.
2. Saisissez la masse d’air et la masse de carburant dans la même unité. Les grammes sont utilisés ici, mais toute unité de masse cohérente donne le même rapport. La masse de carburant doit être supérieure à zéro, puisqu’elle constitue le diviseur.
3. Consultez l’AFR, le lambda et le φ, ainsi que le diagnostic indiquant si le mélange est riche, stœchiométrique ou pauvre.
4. Utilisez le calculateur inverse pour saisir un AFR cible et déterminer la masse de carburant nécessaire pour une masse d’air donnée, ou la masse d’air nécessaire pour une masse de carburant donnée.

Exemple de calcul

Un moteur aspire 190 g d’air et brûle 12 g d’essence.

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

λ = 1,08 se situe dans la plage pauvre (de 1,03 à 1,10). Le mélange contient davantage d’air que la quantité idéale pour l’essence, ce qui correspond généralement à un réglage privilégiant la faible charge et l’économie de carburant.

Calcul en code

Chaque extrait prend en entrée une masse d’air, une masse de carburant et l’AFR stœchiométrique du carburant, puis renvoie l’AFR et le 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

Foire aux questions

Les unités ont-elles de l’importance ? Non. L’AFR est un rapport : les grammes, les kilogrammes et les livres donnent donc tous le même résultat, à condition d’utiliser la même unité pour l’air et le carburant.

Un AFR plus élevé est-il toujours préférable ? Non. Un AFR plus élevé, donc un mélange plus pauvre, peut améliorer la consommation de carburant, mais augmente la température de combustion. Un AFR plus faible, donc un mélange plus riche, favorise la puissance et refroidit la charge de combustion, mais gaspille du carburant et augmente les émissions. La valeur cible appropriée dépend de la charge du moteur et du carburant.

Pourquoi le même AFR donne-t-il une indication différente avec deux carburants ? Parce que chaque carburant possède son propre AFR stœchiométrique. Un AFR de 14,7 est idéal pour l’essence, mais pauvre pour l’E85. Le lambda (λ = 1,00) élimine ce problème en indiquant le mélange idéal de la même manière pour tous les carburants.

Qu’est-ce que l’AFR stœchiométrique ? C’est le rapport air-carburant exact auquel tout le carburant et tout l’oxygène présent dans l’air sont consommés ensemble, sans aucun résidu. Il vaut 14,7 pour l’essence et 9,76 pour l’E85.

Que mesure un capteur d’oxygène à large bande ? Il mesure directement le lambda à partir de la teneur en oxygène des gaz d’échappement. Le logiciel de réglage convertit ensuite cette valeur de lambda en AFR à l’aide de l’AFR stœchiométrique du carburant sélectionné.

Sources

• Air–fuel ratio — Wikipedia — définitions et valeurs de l’AFR stœchiométrique selon le carburant.
• Air-Fuel Ratios, Lambda, and Stoichiometry Explained — HP Tuners — comparaison entre lambda et AFR, et valeurs cibles pour le réglage.
• Air fuel ratio — x-engineer.org — dérivation à partir des principes fondamentaux de l’AFR stœchiométrique et du lambda.