Máy tính Tỷ lệ Không khí-Nhiên liệu (AFR) — AFR, Lambda & Tỷ lệ Tương đương

Tỷ lệ không khí–nhiên liệu là gì?

Tỷ lệ không khí–nhiên liệu (AFR) là khối lượng không khí mà động cơ đốt cho mỗi đơn vị khối lượng nhiên liệu. AFR bằng 14,7 nghĩa là động cơ đốt 14,7 gam không khí cho mỗi gam nhiên liệu. Máy tính này tính AFR từ khối lượng không khí và khối lượng nhiên liệu, sau đó chuyển đổi sang lambda (λ) và tỷ số tương đương (φ), là hai thang đo dùng để đánh giá hỗn hợp đậm, lý tưởng hay nghèo.

Công thức tỷ lệ không khí–nhiên liệu

AFR bằng khối lượng không khí chia cho khối lượng nhiên liệu:

$\text{AFR} = \frac{\text{khối lượng không khí}}{\text{khối lượng nhiên liệu}}$

AFR là một tỷ số, không phải phép đo thể tích hay năng lượng, nên có thể dùng bất kỳ đơn vị khối lượng nhất quán nào. Gam, kilôgam và pound đều cho cùng một giá trị, miễn là không khí và nhiên liệu được đo bằng cùng một đơn vị.

Lambda và tỷ số tương đương

Lambda (λ) quy đổi AFR về cùng một thang đo, trong đó 1,00 luôn biểu thị hỗn hợp hoàn hảo, bất kể loại nhiên liệu:

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

AFR_stoich là tỷ lệ không khí–nhiên liệu theo tỷ lượng, tức tỷ lệ chính xác tại đó toàn bộ nhiên liệu và toàn bộ oxy được sử dụng hết cùng lúc, không còn dư. Giá trị này khác nhau đối với từng loại nhiên liệu. AFR bằng 14,7 gần với mức lý tưởng đối với xăng nhưng nghèo rõ rệt đối với E85, vì E85 cần ít không khí hơn nhiều cho mỗi gam nhiên liệu.

Hỗn hợp có λ dưới 1 là hỗn hợp đậm: lượng nhiên liệu nhiều hơn mức lý tưởng. Hỗn hợp có λ trên 1 là hỗn hợp nghèo: lượng không khí nhiều hơn mức lý tưởng. Tỷ số tương đương (φ) là nghịch đảo của lambda. Trên thang φ, giá trị trên 1 biểu thị hỗn hợp đậm, còn giá trị dưới 1 biểu thị hỗn hợp nghèo.

Cảm biến oxy dải rộng đo trực tiếp lambda từ khí thải. AFR hiển thị trên đồng hồ được tính bằng cách nhân giá trị lambda đó với AFR theo tỷ lượng của loại nhiên liệu đã chọn. Chọn sai nhiên liệu sẽ cho số AFR sai, ngay cả khi bản thân cảm biến đo chính xác.

AFR theo tỷ lượng của từng loại nhiên liệu

Hỗn hợp đậm, theo tỷ lượng và nghèo

Lambda cung cấp một thang đo độc lập với nhiên liệu để đọc trạng thái hỗn hợp:

Cách tính tỷ lệ không khí–nhiên liệu

1. Chọn nhiên liệu. Việc này xác định AFR theo tỷ lượng được dùng để tính lambda và đưa ra kết luận.
2. Nhập khối lượng không khí và khối lượng nhiên liệu bằng cùng một đơn vị. Ở đây dùng gam, nhưng bất kỳ đơn vị khối lượng nhất quán nào cũng cho cùng một tỷ số. Khối lượng nhiên liệu phải lớn hơn 0, vì nó là số chia.
3. Đọc AFR, lambda và φ, cùng với kết luận hỗn hợp đậm, theo tỷ lượng hay nghèo.
4. Dùng bộ giải ngược để nhập AFR mục tiêu và tìm khối lượng nhiên liệu cần thiết cho một khối lượng không khí cho trước, hoặc khối lượng không khí cần thiết cho một khối lượng nhiên liệu cho trước.

Ví dụ minh họa

Một động cơ hút vào 190 g không khí và đốt 12 g xăng.

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

λ = 1,08 nằm trong khoảng nghèo (từ 1,03 đến 1,10). Hỗn hợp có nhiều không khí hơn mức lý tưởng đối với xăng, thường gặp ở chế độ tải nhẹ nhằm tiết kiệm nhiên liệu.

Tính bằng mã

Mỗi đoạn mã nhận khối lượng không khí, khối lượng nhiên liệu và AFR theo tỷ lượng của nhiên liệu, rồi trả về AFR và 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

Các câu hỏi thường gặp

Đơn vị có quan trọng không? Không. AFR là một tỷ số, nên gam, kilôgam hay pound đều cho cùng một giá trị, miễn là không khí và nhiên liệu dùng cùng một đơn vị.

AFR cao hơn có phải luôn tốt hơn không? Không. AFR cao hơn, tức hỗn hợp nghèo hơn, có thể cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu nhưng làm tăng nhiệt độ cháy. AFR thấp hơn, tức hỗn hợp đậm hơn, giúp tạo công suất và làm mát hỗn hợp nạp, nhưng lãng phí nhiên liệu và làm tăng khí thải. Mục tiêu phù hợp phụ thuộc vào tải động cơ và loại nhiên liệu.

Tại sao cùng một AFR lại cho kết quả khác nhau với hai loại nhiên liệu? Vì mỗi loại nhiên liệu có AFR theo tỷ lượng riêng. AFR bằng 14,7 là lý tưởng đối với xăng nhưng là nghèo đối với E85. Lambda (λ = 1,00) loại bỏ vấn đề này bằng cách biểu thị hỗn hợp lý tưởng theo cùng một cách với mọi loại nhiên liệu.

AFR theo tỷ lượng là gì? Đó là tỷ lệ không khí–nhiên liệu chính xác tại đó toàn bộ nhiên liệu và toàn bộ oxy trong không khí được tiêu thụ cùng lúc, không còn dư. Giá trị này là 14,7 đối với xăng và 9,76 đối với E85.

Cảm biến oxy dải rộng đo gì? Cảm biến đo trực tiếp lambda từ hàm lượng oxy trong khí thải. Sau đó, phần mềm hiệu chỉnh chuyển đổi giá trị lambda đó thành AFR bằng AFR theo tỷ lượng của nhiên liệu đã chọn.

Nguồn

• Air–fuel ratio — Wikipedia — các định nghĩa và giá trị AFR theo tỷ lượng của từng loại nhiên liệu.
• Air-Fuel Ratios, Lambda, and Stoichiometry Explained — HP Tuners — lambda so với AFR và các mục tiêu hiệu chỉnh.
• Air fuel ratio — x-engineer.org — suy dẫn AFR theo tỷ lượng và lambda từ các nguyên lý cơ bản.