Kalkulator Stosunku Powietrza do Paliwa (AFR) — AFR, Lambda i Stosunek Równoważności

Jaki jest stosunek powietrza do paliwa?

Stosunek powietrza do paliwa (AFR) to masa powietrza spalana przez silnik na każdą jednostkę masy paliwa. AFR równy 14,7 oznacza, że silnik spala 14,7 gramów powietrza na każdy gram paliwa. Ten kalkulator oblicza AFR na podstawie masy powietrza i masy paliwa, a następnie przelicza go na współczynnik lambda (λ) i współczynnik równoważności (φ) — dwie skale używane do oceny, czy mieszanka jest bogata, stechiometryczna czy uboga.

Wzór na stosunek powietrza do paliwa

AFR jest równy masie powietrza podzielonej przez masę paliwa:

$\text{AFR} = \frac{\text{masa powietrza}}{\text{masa paliwa}}$

AFR jest stosunkiem, a nie miarą objętości ani energii, dlatego można użyć dowolnej spójnej jednostki masy. Gramy, kilogramy i funty dają tę samą wartość, o ile powietrze i paliwo są mierzone w tej samej jednostce.

Lambda i współczynnik równoważności

Lambda (λ) przeskalowuje AFR tak, aby 1,00 zawsze oznaczało idealną mieszankę, niezależnie od paliwa:

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

AFR_stoich to stechiometryczny stosunek powietrza do paliwa, czyli dokładny stosunek, przy którym całe paliwo i cały tlen zostają zużyte jednocześnie, bez pozostałości. Jest on inny dla każdego paliwa. AFR równy 14,7 jest bliski wartości idealnej dla benzyny, ale wyraźnie oznacza mieszankę ubogą dla E85, ponieważ E85 potrzebuje znacznie mniej powietrza na gram paliwa.

Mieszanka o wartości λ poniżej 1 jest bogata: zawiera więcej paliwa niż ilość idealna. Mieszanka o wartości λ powyżej 1 jest uboga: zawiera więcej powietrza niż ilość idealna. Współczynnik równoważności (φ) jest odwrotnością lambdy. W skali φ wartość powyżej 1 oznacza mieszankę bogatą, a wartość poniżej 1 — ubogą.

Szerokopasmowa sonda lambda mierzy wartość lambda bezpośrednio w spalinach. AFR wyświetlany na wskaźniku jest obliczany przez pomnożenie odczytu lambda przez stechiometryczny AFR wybranego paliwa. Wybór niewłaściwego paliwa powoduje błędny odczyt AFR, nawet gdy sama sonda działa prawidłowo.

Stechiometryczny AFR według paliwa

Mieszanki bogate, stechiometryczne i ubogie

Lambda zapewnia niezależną od paliwa skalę do oceny mieszanki:

Jak obliczyć stosunek powietrza do paliwa

1. Wybierz paliwo. Ustala to stechiometryczny AFR używany do obliczenia lambdy i oceny mieszanki.
2. Wprowadź masę powietrza i masę paliwa w tej samej jednostce. W tym przykładzie używane są gramy, ale każda spójna jednostka masy daje ten sam stosunek. Masa paliwa musi być większa od zera, ponieważ jest dzielnikiem.
3. Odczytaj AFR, lambdę i φ oraz ocenę mieszanki jako bogatej, stechiometrycznej lub ubogiej.
4. Użyj odwrotnego solvera, aby wprowadzić docelowy AFR i znaleźć masę paliwa potrzebną dla danej masy powietrza albo masę powietrza potrzebną dla danej masy paliwa.

Przykład obliczeń

Silnik zasysa 190 g powietrza i spala 12 g benzyny.

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

λ = 1,08 mieści się w zakresie mieszanki ubogiej (od 1,03 do 1,10). Mieszanka zawiera więcej powietrza niż ilość idealna dla benzyny, co jest typowe dla ustawień zapewniających małe obciążenie i niskie zużycie paliwa.

Obliczanie w kodzie

Każdy fragment kodu przyjmuje masę powietrza, masę paliwa i stechiometryczny AFR paliwa, a następnie zwraca AFR i lambdę.

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

Najczęściej zadawane pytania

Czy jednostki mają znaczenie? Nie. AFR jest stosunkiem, więc gramy, kilogramy i funty dają tę samą wartość, o ile powietrze i paliwo są podane w tej samej jednostce.

Czy wyższy AFR zawsze jest lepszy? Nie. Wyższy, uboższy AFR może poprawić zużycie paliwa, ale zwiększa temperaturę spalania. Niższy, bogatszy AFR pomaga uzyskać większą moc i chłodzi ładunek mieszanki, ale powoduje straty paliwa i zwiększa emisję. Właściwa wartość docelowa zależy od obciążenia silnika i rodzaju paliwa.

Dlaczego ten sam AFR wygląda inaczej dla dwóch paliw? Ponieważ każde paliwo ma własny stechiometryczny AFR. AFR równy 14,7 jest idealny dla benzyny, ale oznacza mieszankę ubogą dla E85. Lambda (λ = 1,00) usuwa ten problem, oznaczając idealną mieszankę w taki sam sposób dla każdego paliwa.

Czym jest stechiometryczny AFR? To dokładny stosunek powietrza do paliwa, przy którym całe paliwo i cały tlen zawarty w powietrzu zostają zużyte jednocześnie, bez pozostałości. Dla benzyny wynosi 14,7, a dla E85 9,76.

Co mierzy szerokopasmowa sonda lambda? Mierzy lambdę bezpośrednio na podstawie zawartości tlenu w spalinach. Oprogramowanie do strojenia przelicza następnie odczyt lambda na AFR, korzystając ze stechiometrycznego AFR wybranego paliwa.

Źródła

• Air–fuel ratio — Wikipedia — definicje i wartości stechiometrycznego AFR dla różnych paliw.
• Air-Fuel Ratios, Lambda, and Stoichiometry Explained — HP Tuners — porównanie lambdy i AFR oraz docelowe wartości podczas strojenia.
• Air fuel ratio — x-engineer.org — wyprowadzenie stechiometrycznego AFR i lambdy z podstawowych zasad.