空気燃料比（AFR）計算機 — AFR、ラムダ＆当量比

空燃比とは何か？

空燃比（AFR）は、エンジンが燃料の質量1単位を燃焼させるために消費する空気の質量です。AFRが14.7の場合、エンジンは燃料1グラムにつき14.7グラムの空気を燃焼させます。この計算機は空気質量と燃料質量からAFRを計算し、混合気がリッチ、理想、リーンのいずれであるかを判定するために使われる2つの尺度、ラムダ（λ）と当量比（φ）に変換します。

空燃比の計算式

AFRは、空気の質量を燃料の質量で割った値です。

$\text{AFR} = \frac{\text{空気の質量}}{\text{燃料の質量}}$

AFRは体積やエネルギーの測定値ではなく比率なので、同じ単位系で質量を測ればどの単位でも使えます。空気と燃料を同じ単位で測る限り、グラム、キログラム、ポンドのいずれでも同じ数値になります。

ラムダと当量比

ラムダ（λ）はAFRを換算したもので、燃料の種類にかかわらず1.00が常に理想混合気を示します。

$\lambda = \frac{\text{AFR}}{\text{AFR}_{\text{化学量論}}} \qquad \varphi = \frac{1}{\lambda}$

AFR_stoichは化学量論空燃比であり、燃料と酸素がすべて同時に使い切られ、残留物が何も残らない正確な比率です。これは燃料ごとに異なります。AFR14.7はガソリンには理想に近い値ですが、E85には明らかにリーンです。E85は燃料1グラムあたりに必要な空気がはるかに少ないためです。

λが1未満の混合気はリッチです。理想量より燃料が多く含まれています。λが1を超える混合気はリーンです。理想量より空気が多く含まれています。当量比（φ）はラムダの逆数です。φの尺度では、1を超える値はリッチ、1未満の値はリーンを意味します。

広帯域酸素センサーは、排気ガスからラムダを直接測定します。メーターに表示されるAFRは、そのラムダの測定値に選択した燃料の化学量論空燃比を掛けて計算されます。センサー自体が正確でも、燃料の選択を誤るとAFRの表示は間違ったものになります。

燃料別の化学量論空燃比

リッチ、化学量論、リーンの混合気

ラムダは、燃料に依存しない混合気の判定尺度です。

空燃比の計算方法

1. 燃料を選択します。これにより、ラムダと判定結果の計算に使う化学量論空燃比が設定されます。
2. 空気質量と燃料質量を同じ単位で入力します。ここではグラムを使いますが、同じ単位系であればどの質量単位でも比率は同じです。燃料質量は除数となるため、0より大きくなければなりません。
3. リッチ、化学量論、リーンの判定結果とともに、AFR、ラムダ、φを確認します。
4. 逆算機能を使うと、目標AFRを入力して、特定の空気質量に必要な燃料質量、または特定の燃料質量に必要な空気質量を求められます。

計算例

エンジンが190 gの空気を吸入し、12 gのガソリンを燃焼させるとします。

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

λ = 1.08はリーンの範囲（1.03～1.10）に入ります。混合気はガソリンにとって理想量より空気が多く、軽負荷で燃費を優先する設定に典型的な状態です。

コードで計算する

各コード例は、空気質量、燃料質量、燃料の化学量論空燃比を受け取り、AFRとラムダを返します。

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

よくある質問

単位は重要ですか？ いいえ。AFRは比率なので、空気と燃料に同じ単位を使う限り、グラム、キログラム、ポンドのいずれでも同じ数値になります。

AFRは高いほど常に良いのですか？ いいえ。高くてリーンなAFRは燃費を改善できますが、燃焼温度を上昇させます。低くてリッチなAFRは出力を高め、燃焼混合気を冷却しますが、燃料を浪費し、排出ガスを増やします。適切な目標値はエンジン負荷と燃料によって異なります。

同じAFRでも燃料によって見え方が異なるのはなぜですか？ 燃料ごとに化学量論空燃比が異なるためです。AFR14.7はガソリンには理想的ですが、E85ではリーンです。ラムダ（λ = 1.00）を使えば、燃料の種類にかかわらず理想混合気を同じ基準で示せるため、この問題を解消できます。

化学量論空燃比とは何ですか？ 燃料と空気中の酸素がすべて同時に消費され、何も残らないときの正確な空燃比です。ガソリンでは14.7、E85では9.76です。

広帯域酸素センサーは何を測定しますか？ 排気ガス中の酸素含有量からラムダを直接測定します。その後、チューニングソフトウェアが選択した燃料の化学量論空燃比を使って、そのラムダの測定値をAFRに変換します。

出典

• Air–fuel ratio — Wikipedia — 燃料別の定義と化学量論空燃比の値。
• Air-Fuel Ratios, Lambda, and Stoichiometry Explained — HP Tuners — ラムダとAFRの関係、およびチューニング目標。
• Air fuel ratio — x-engineer.org — 化学量論空燃比とラムダの第一原理による導出。