Calculadora de Razão Ar-Combustível (AFR) — AFR, Lambda & Razão de Equivalência

Qual é a relação ar-combustível?

A relação ar-combustível (AFR) é a massa de ar que um motor queima para cada unidade de massa de combustível. Um valor de AFR de 14,7 significa que o motor queima 14,7 gramas de ar para cada grama de combustível. Esta calculadora calcula a AFR a partir de uma massa de ar e de uma massa de combustível e, em seguida, converte-a em lambda (λ) e na razão de equivalência (φ), duas escalas usadas para avaliar se uma mistura é rica, ideal ou pobre.

Fórmula da relação ar-combustível

O valor de AFR é igual à massa de ar dividida pela massa de combustível:

$\text{AFR} = \frac{\text{massa de ar}}{\text{massa de combustível}}$

A AFR é uma razão, não uma medida de volume ou energia, portanto qualquer unidade de massa consistente funciona. Gramas, quilogramas e libras produzem o mesmo número, desde que o ar e o combustível sejam medidos na mesma unidade.

Lambda e a razão de equivalência

Lambda (λ) reescala a AFR de modo que 1,00 sempre marque a mistura perfeita, independentemente do combustível:

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

AFR_stoich é a relação ar-combustível estequiométrica, a razão exata na qual todo o combustível e todo o oxigênio são consumidos juntos, sem deixar resíduos. Ela é diferente para cada combustível. Uma AFR de 14,7 é próxima do ideal para a gasolina, mas notavelmente pobre para E85, porque o E85 precisa de muito menos ar por grama de combustível.

Uma mistura com λ abaixo de 1 é rica: ela contém mais combustível do que a quantidade ideal. Uma mistura com λ acima de 1 é pobre: ela contém mais ar do que a quantidade ideal. A razão de equivalência (φ) é o inverso de lambda. Na escala φ, um valor acima de 1 significa mistura rica, e um valor abaixo de 1 significa mistura pobre.

Um sensor de oxigênio de banda larga mede lambda diretamente nos gases de escape. O valor de AFR exibido em um indicador é calculado multiplicando essa leitura de lambda pelo valor estequiométrico de AFR do combustível escolhido. A seleção do combustível errado produz uma leitura de AFR incorreta, mesmo quando o sensor é preciso.

Relação ar-combustível estequiométrica por combustível

Misturas ricas, estequiométricas e pobres

Lambda fornece uma escala independente do combustível para interpretar uma mistura:

Como calcular a relação ar-combustível

1. Selecione o combustível. Isso estabelece o valor estequiométrico de AFR usado para calcular lambda e o diagnóstico.
2. Informe a massa de ar e a massa de combustível na mesma unidade. Gramas são usadas aqui, mas qualquer unidade de massa consistente produz a mesma razão. A massa de combustível deve ser maior que zero, pois é o divisor.
3. Leia os valores de AFR, lambda e φ, juntamente com o diagnóstico de mistura rica, estequiométrica ou pobre.
4. Use o cálculo inverso para informar uma AFR-alvo e descobrir a massa de combustível necessária para uma determinada massa de ar, ou a massa de ar necessária para uma determinada massa de combustível.

Exemplo resolvido

Um motor admite 190 g de ar e queima 12 g de gasolina.

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

λ = 1,08 está na faixa pobre (de 1,03 a 1,10). A mistura tem mais ar do que a quantidade ideal para a gasolina, algo típico de uma configuração de baixa carga voltada à economia de combustível.

Calcule em código

Cada trecho recebe uma massa de ar, uma massa de combustível e o valor estequiométrico de AFR do combustível, e devolve os valores de AFR e 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

Perguntas frequentes

As unidades fazem diferença? Não. A AFR é uma razão, portanto gramas, quilogramas ou libras produzem o mesmo número, desde que o ar e o combustível usem a mesma unidade.

Uma AFR mais alta é sempre melhor? Não. Uma mistura mais pobre, com AFR mais alta, pode melhorar a economia de combustível, mas eleva a temperatura de combustão. Uma mistura mais rica, com AFR mais baixa, favorece a produção de potência e resfria a carga de combustão, mas desperdiça combustível e aumenta as emissões. O alvo adequado depende da carga do motor e do combustível.

Por que o mesmo valor de AFR parece diferente para dois combustíveis? Porque cada combustível tem seu próprio valor estequiométrico de AFR. Uma AFR de 14,7 é ideal para a gasolina, mas pobre para o E85. Lambda (λ = 1,00) elimina esse problema ao marcar a mistura ideal da mesma forma para qualquer combustível.

O que é a relação ar-combustível estequiométrica? É a relação ar-combustível exata na qual todo o combustível e todo o oxigênio do ar são consumidos juntos, sem deixar resíduos. Ela é 14,7 para a gasolina e 9,76 para o E85.

O que um sensor de oxigênio de banda larga mede? Ele mede lambda diretamente a partir do teor de oxigênio dos gases de escape. O software de calibração converte então essa leitura de lambda em um valor de AFR usando o valor estequiométrico de AFR do combustível selecionado.

Fontes

• Relação ar–combustível — Wikipédia — definições e valores estequiométricos de AFR para cada combustível.
• Relações ar-combustível, lambda e estequiometria explicadas — HP Tuners — lambda em comparação com AFR e alvos de calibração.
• Relação ar-combustível — x-engineer.org — derivação baseada em princípios fundamentais da AFR estequiométrica e de lambda.