เครื่องคำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (AFR) — AFR, Lambda & อัตราส่วนสมมูลภาพ

อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงคืออะไร?

อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (AFR) คือมวลอากาศที่เครื่องยนต์เผาไหม้ต่อมวลเชื้อเพลิงแต่ละหน่วย AFR เท่ากับ 14.7 หมายความว่าเครื่องยนต์เผาไหม้อากาศ 14.7 กรัมต่อเชื้อเพลิงหนึ่งกรัม เครื่องคำนวณนี้คำนวณ AFR จากมวลอากาศและมวลเชื้อเพลิง แล้วแปลงเป็นแลมบ์ดา (λ) และอัตราส่วนสมมูล (φ) ซึ่งเป็นสเกลสองแบบที่ใช้พิจารณาว่าส่วนผสมหนา อุดมคติ หรือบาง

สูตรอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

AFR เท่ากับมวลอากาศหารด้วยมวลเชื้อเพลิง:

$\text{AFR} = \frac{\text{มวลอากาศ}}{\text{มวลเชื้อเพลิง}}$

AFR เป็นอัตราส่วน ไม่ใช่การวัดปริมาตรหรือพลังงาน ดังนั้นหน่วยมวลใด ๆ ที่ใช้สอดคล้องกันก็ได้ กรัม กิโลกรัม และปอนด์ล้วนให้ค่าเดียวกัน ตราบใดที่วัดอากาศและเชื้อเพลิงด้วยหน่วยเดียวกัน

แลมบ์ดาและอัตราส่วนสมมูล

แลมบ์ดา (λ) ปรับสเกล AFR ใหม่เพื่อให้ 1.00 แสดงถึงส่วนผสมที่สมบูรณ์แบบเสมอ ไม่ว่าเชื้อเพลิงจะเป็นชนิดใด:

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

AFR_stoich คืออัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ ซึ่งเป็นอัตราส่วนที่เชื้อเพลิงทั้งหมดและออกซิเจนทั้งหมดถูกใช้หมดพร้อมกันพอดี โดยไม่มีสิ่งใดเหลืออยู่ ค่านี้แตกต่างกันไปตามเชื้อเพลิงแต่ละชนิด AFR เท่ากับ 14.7 ใกล้เคียงค่าที่เหมาะสมสำหรับน้ำมันเบนซิน แต่ถือว่าบางอย่างชัดเจนสำหรับ E85 เพราะ E85 ต้องการอากาศต่อเชื้อเพลิงหนึ่งกรัมน้อยกว่ามาก

ส่วนผสมที่มี λ ต่ำกว่า 1 ถือว่าหนา คือมีเชื้อเพลิงมากกว่าปริมาณที่เหมาะสม ส่วนผสมที่มี λ สูงกว่า 1 ถือว่าบาง คือมีอากาศมากกว่าปริมาณที่เหมาะสม อัตราส่วนสมมูล (φ) เป็นส่วนกลับของแลมบ์ดา ในสเกล φ ค่าที่สูงกว่า 1 หมายถึงส่วนผสมหนา และค่าที่ต่ำกว่า 1 หมายถึงส่วนผสมบาง

เซนเซอร์ออกซิเจนแบบไวด์แบนด์วัดค่าแลมบ์ดาโดยตรงจากก๊าซไอเสีย ค่า AFR ที่แสดงบนเกจคำนวณโดยนำค่าที่วัดได้ของแลมบ์ดาคูณด้วย AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิงที่เลือก การเลือกเชื้อเพลิงผิดชนิดทำให้ค่า AFR ที่อ่านได้ผิด แม้ตัวเซนเซอร์จะแม่นยำ

AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด

ส่วนผสมหนา ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ และบาง

แลมบ์ดาเป็นสเกลที่ไม่ขึ้นกับชนิดเชื้อเพลิงสำหรับอ่านค่าส่วนผสม:

วิธีคำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

1. เลือกเชื้อเพลิง ขั้นตอนนี้จะกำหนด AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ที่ใช้คำนวณแลมบ์ดาและคำวินิจฉัย
2. ป้อนมวลอากาศและมวลเชื้อเพลิงโดยใช้หน่วยเดียวกัน ในที่นี้ใช้กรัม แต่หน่วยมวลใด ๆ ที่สอดคล้องกันก็ให้ค่าอัตราส่วนเดียวกัน มวลเชื้อเพลิงต้องมากกว่าศูนย์ เพราะเป็นตัวหาร
3. อ่านค่า AFR แลมบ์ดา และ φ พร้อมคำวินิจฉัยว่าส่วนผสมหนา ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ หรือบาง
4. ใช้ตัวแก้โจทย์ย้อนกลับเพื่อป้อน AFR เป้าหมายและหามวลเชื้อเพลิงที่ต้องใช้สำหรับมวลอากาศที่กำหนด หรือหามวลอากาศที่ต้องใช้สำหรับมวลเชื้อเพลิงที่กำหนด

ตัวอย่างการคำนวณ

เครื่องยนต์ดูดอากาศเข้า 190 ก. และเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 12 ก.

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

λ = 1.08 อยู่ในช่วงส่วนผสมบาง (1.03 ถึง 1.10) ส่วนผสมมีอากาศมากกว่าปริมาณที่เหมาะสมสำหรับน้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของการตั้งค่าสำหรับภาระเบาและประหยัดเชื้อเพลิง

คำนวณด้วยโค้ด

แต่ละโค้ดรับมวลอากาศ มวลเชื้อเพลิง และ AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิง แล้วคืนค่า AFR และแลมบ์ดา

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

คำถามที่พบบ่อย

หน่วยมีผลหรือไม่ ไม่มีผล AFR เป็นอัตราส่วน ดังนั้นกรัม กิโลกรัม หรือปอนด์ล้วนให้ค่าเดียวกัน ตราบใดที่อากาศและเชื้อเพลิงใช้หน่วยเดียวกัน

AFR ที่สูงกว่าดีกว่าเสมอหรือไม่ ไม่เสมอไป AFR ที่สูงกว่าและมีส่วนผสมบางกว่าสามารถช่วยเพิ่มความประหยัดเชื้อเพลิง แต่ทำให้อุณหภูมิการเผาไหม้สูงขึ้น AFR ที่ต่ำกว่าและมีส่วนผสมหนากว่าช่วยเพิ่มกำลังและลดอุณหภูมิของไอดีที่กำลังเผาไหม้ แต่สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและเพิ่มการปล่อยมลพิษ ค่าเป้าหมายที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับภาระเครื่องยนต์และเชื้อเพลิง

เหตุใด AFR เดียวกันจึงดูแตกต่างกันสำหรับเชื้อเพลิงสองชนิด เพราะเชื้อเพลิงแต่ละชนิดมี AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ของตนเอง AFR เท่ากับ 14.7 เหมาะสมสำหรับน้ำมันเบนซิน แต่ถือว่าบางสำหรับ E85 แลมบ์ดา (λ = 1.00) แก้ปัญหานี้ด้วยการแสดงส่วนผสมที่เหมาะสมด้วยวิธีเดียวกันสำหรับเชื้อเพลิงทุกชนิด

AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์คืออะไร คืออัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่เชื้อเพลิงทั้งหมดและออกซิเจนทั้งหมดในอากาศถูกใช้หมดพร้อมกันพอดี โดยไม่มีสิ่งใดเหลืออยู่ ค่านี้เท่ากับ 14.7 สำหรับน้ำมันเบนซิน และ 9.76 สำหรับ E85

เซนเซอร์ออกซิเจนแบบไวด์แบนด์วัดอะไร เซนเซอร์วัดค่าแลมบ์ดาโดยตรงจากปริมาณออกซิเจนในก๊าซไอเสีย จากนั้นซอฟต์แวร์ปรับจูนจะแปลงค่าที่วัดได้ของแลมบ์ดาเป็น AFR โดยใช้ AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิงที่เลือก

แหล่งข้อมูล

• Air–fuel ratio — Wikipedia — คำจำกัดความและค่า AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด
• Air-Fuel Ratios, Lambda, and Stoichiometry Explained — HP Tuners — ความสัมพันธ์ระหว่างแลมบ์ดากับ AFR และค่าเป้าหมายในการปรับจูน
• Air fuel ratio — x-engineer.org — การอนุมาน AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์และแลมบ์ดาจากหลักการพื้นฐาน