Соотношение воздух-топливо

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Соотношение воздух-топливо»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2008 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Воздушно-топливное отношение ( AFR ) - это массовое отношение воздуха к твердому, жидкому или газообразному топливу, присутствующему в процессе сгорания . Сгорания могут происходить контролируемый образом , например , как в двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи, или могут привести к взрыву (например, взрывы пыли , газа или пара взрыва или в термобарическом оружии ).

Соотношение воздух-топливо определяет, является ли смесь горючей вообще, сколько энергии выделяется и сколько нежелательных загрязняющих веществ образуется в реакции. Обычно существует диапазон соотношений топлива и воздуха, за пределами которого воспламенение не происходит. Они известны как нижний и верхний пределы взрываемости.

В двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи соотношение воздух-топливо является важной мерой для предотвращения загрязнения и по причинам настройки производительности. Если воздуха достаточно для полного сжигания всего топлива, это соотношение называется стехиометрической смесью, часто сокращенно стехиометрической . Коэффициенты ниже стехиометрического считаются «богатыми». Богатые смеси менее эффективны, но могут производить больше мощности и гореть меньше. Коэффициенты выше стехиометрического считаются «худыми». Бедные смеси более эффективны, но могут вызывать более высокие температуры, что может привести к образованию оксидов азота . Некоторые двигатели разработаны с возможностью сжигания обедненной смеси . Для точных расчетов воздушно-топливного отношенияСодержание кислорода в воздухе для горения должно быть указано из-за разной плотности воздуха из-за разной высоты или температуры всасываемого воздуха, возможного разбавления окружающим водяным паром или обогащения кислородом.

Двигатели внутреннего сгорания [ править ]

Теоретически в стехиометрической смеси достаточно воздуха, чтобы полностью сжечь имеющееся топливо. На практике это никогда полностью не достигается, в первую очередь из-за очень короткого времени, доступного в двигателе внутреннего сгорания для каждого цикла сгорания. Большая часть процесса сгорания завершается примерно за 2 миллисекунды при частоте вращения двигателя6000  оборотов в минуту . (100 оборотов в секунду; 10 миллисекунд на один оборот коленчатого вала - что для четырехтактного двигателя обычно означает 5 миллисекунд на каждый ход поршня). Это время, которое проходит от зажигания свечи зажигания до тех пор, пока не сгорит 90% топливно-воздушной смеси, обычно примерно на 80 градусов вращения коленчатого вала позже. Каталитические нейтрализаторы предназначены для наилучшей работы, когда проходящие через них выхлопные газы являются результатом почти идеального сгорания.

К сожалению, стехиометрическая смесь горит очень горячо и может повредить компоненты двигателя, если двигатель находится под большой нагрузкой на этой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур в этой смеси детонация топливовоздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или вскоре после него возможна при высокой нагрузке (называемая детонацией).или pinging), а именно «предвзрывное» событие в контексте модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может вызвать серьезное повреждение двигателя, поскольку неконтролируемое горение топливовоздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только при условиях нагрузки от легкой до умеренной. В условиях ускорения и высоких нагрузок более богатая смесь (более низкое соотношение воздух-топливо) используется для получения более холодных продуктов сгорания и, таким образом, предотвращения перегрева головки блока цилиндров и, таким образом, предотвращения детонации.

Системы управления двигателем [ править ]

Стехиометрическая смесь для бензиновых двигателей является идеальным соотношением воздуха к топливу , который сжигает все топливо без какого - либо избыточного воздуха. Для бензинового топлива стехиометрическая смесь воздух-топливо составляет около 14,7: 1 ^[1], то есть на каждый грамм топлива требуется 14,7 грамма воздуха. Для топлива с чистым октановым числом реакция окисления выглядит так:

25 O ₂ + 2 C ₈ H ₁₈ → 16 CO ₂ + 18 H ₂ O + энергия

Любая смесь более 14,7: 1 считается обедненной смесью ; любой меньше , чем 14,7: 1 является богатой смесью - с учетом совершенная (идеальная) топливо «тест» (бензин , состоящим из исключительно н - гептан и изооктано ). На самом деле, большинство видов топлива состоит из комбинации гептана, октана, нескольких других алканов , а также добавок, включая детергенты и, возможно, оксигенаторов, таких как МТБЭ ( метил- трет- бутиловый эфир ) или этанол / метанол.. Все эти соединения изменяют стехиометрическое соотношение, при этом большинство присадок толкают соотношение вниз (оксигенаторы приносят дополнительный кислород к месту сгорания в жидкой форме, который выделяется во время сгорания; для топлива, загруженного МТБЭ , стехиометрическое соотношение может быть таким, как низкое 14,1: 1). Транспортные средства, которые используют кислородный датчик или другие контуры обратной связи для управления соотношением топлива к воздуху (лямбда-регулирование), автоматически компенсируют это изменение стехиометрической скорости топлива, измеряя состав выхлопных газов и контролируя объем топлива. Транспортные средства без таких средств управления (например, большинство мотоциклов до недавнего времени и автомобили, выпущенные до середины 1980-х годов) могут испытывать трудности с использованием определенных топливных смесей (особенно зимнего топлива, используемого в некоторых регионах) и могут потребовать другогожиклеры карбюратора (или иным образом изменили соотношение топлива) для компенсации. Транспортные средства, которые используют датчики кислорода, могут контролировать соотношение воздух-топливо с помощью измерителя отношения воздух-топливо .

Другие типы двигателей [ править ]

В типичной горелке для сжигания воздуха и природного газа используется стратегия двойного перекрестного ограничения, чтобы гарантировать регулирование соотношения. (Этот метод использовался во время Второй мировой войны). ^{[ необходима цитата ]} Стратегия включает добавление обратной обратной связи по потоку в ограничивающий контроль соответствующего газа (воздуха или топлива). Это обеспечивает контроль соотношения в пределах приемлемого запаса.

Другие используемые термины [ править ]

При обсуждении смеси воздуха и топлива в двигателях внутреннего сгорания обычно используются другие термины.

Смесь [ править ]

Смесь - это преобладающее слово, которое встречается в учебных текстах, руководствах по эксплуатации и техническому обслуживанию в мире авиации.

Воздушно-топливное соотношение - это соотношение между массой воздуха и массой топлива в топливно-воздушной смеси в любой данный момент. Масса - это масса всех составляющих топлива и воздуха, горючих или негорючих. Например, расчет массы природного газа, который часто содержит диоксид углерода ( CO
₂), азот ( N
₂) и различных алканов - включает массу углекислого газа, азота и всех алканов при определении стоимости m _{топлива} . ^[2]

Для чистого октана стехиометрической смеси составляет приблизительно 15,1: 1, или λ 1,00 точно.

В двигателях без наддува с октановым числом максимальная мощность часто достигается при AFR от 12,5 до 13,3: 1 или λ от 0,850 до 0,901. ^{[ необходима цитата ]}

Соотношение воздух-топливо 12: 1 рассматривается как максимальное выходное отношение, тогда как соотношение воздух-топливо 16: 1 рассматривается как максимальное отношение экономии топлива. ^{[ необходима цитата ]}

Соотношение топливо-воздух (FAR) [ редактировать ]

Соотношение топливо-воздух обычно используется в газотурбинной промышленности, а также в государственных исследованиях двигателей внутреннего сгорания и относится к соотношению топлива и воздуха. ^{[ необходима цитата ]}

${\ displaystyle \ mathrm {FAR} = {\ frac {1} {\ mathrm {AFR}}}}$

Коэффициент воздушно-топливного эквивалента ( λ )[ редактировать ]

Отношение воздушно-топливного эквивалента λ (лямбда) - это отношение фактической AFR к стехиометрии для данной смеси. λ  = 1,0 соответствует стехиометрии, богатые смеси λ  <1,0 и бедные смеси λ  > 1,0.

Между λ и AFR существует прямая зависимость . Чтобы вычислить AFR из заданного λ , умножьте измеренное λ на стехиометрическое AFR для этого топлива. В качестве альтернативы, чтобы восстановить λ из AFR, разделите AFR на стехиометрическое AFR для этого топлива. Это последнее уравнение часто используется как определение λ :

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {\ mathrm {AFR}} {\ mathrm {AFR} _ {\ text {stoich}}}}}$

Поскольку состав обычных видов топлива меняется в зависимости от сезона, и поскольку многие современные автомобили могут работать с разными видами топлива при настройке, имеет смысл говорить о значениях λ, а не о AFR.

Большинство практичных устройств AFR фактически измеряют количество остаточного кислорода (для бедных смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в выхлопных газах.

Соотношение топливно-воздушного эквивалента ( ϕ )[ редактировать ]

Соотношение топливо-воздух эквивалентности , φ (фи), системы определяется как отношение коэффициента топлива к-окислителя к стехиометрическое соотношение количества топлива к-окислителя. Математически,

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ mbox {отношение топлива к окислителю}} {({\ mbox {отношение топлива к окислителю}}) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {m _ {\ text {fuel}} / m _ {\ text {ox}}} {\ left (m _ {\ text {fuel}} / m _ {\ text {ox}} \ right) _ {\ text {st} }}} = {\ frac {n _ {\ text {fuel}} / n _ {\ text {ox}}} {\ left (n _ {\ text {fuel}} / n _ {\ text {ox}} \ right) _ {\ text {st}}}}}$

где m обозначает массу, n обозначает количество молей, индекс st обозначает стехиометрические условия.

Преимущество использования отношения эквивалентности перед соотношением топливо-окислитель состоит в том, что оно учитывает (и, следовательно, не зависит от) как массовые, так и молярные значения для топлива и окислителя. Рассмотрим, например, смесь одного моля этана ( C
₂ЧАС
₆) и один моль кислорода ( O
₂). Соотношение топливо-окислитель этой смеси, основанное на массе топлива и воздуха, равно

${\displaystyle {\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375}$

и соотношение топливо-окислитель этой смеси, основанное на количестве молей топлива и воздуха, равно

${\displaystyle {\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1}$

Очевидно, что эти два значения не равны. Чтобы сравнить его с коэффициентом эквивалентности, необходимо определить соотношение топливо – окислитель смеси этана и кислорода. Для этого необходимо рассмотреть стехиометрическую реакцию этана и кислорода,

С ₂ Н ₆ + 7 ⁄ 2  О ₂ → 2 СО ₂ + 3 Н ₂ О

Это дает

${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$

${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286}$

Таким образом, мы можем определить степень эквивалентности данной смеси как

${\displaystyle \phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5}$

или, что то же самое, как

${\displaystyle \phi ={\frac {n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}}{\left(n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {1}{0.286}}=3.5}$

Еще одно преимущество использования коэффициента эквивалентности состоит в том, что отношения, превышающие единицу, всегда означают, что в смеси топливо-окислитель больше топлива, чем требуется для полного сгорания (стехиометрическая реакция), независимо от используемого топлива и окислителя, тогда как отношения меньше единицы представляют недостаток топлива или эквивалентный избыток окислителя в смеси. Это не тот случай, если используется соотношение топливо – окислитель, которое принимает разные значения для разных смесей.

Отношение топливно-воздушного эквивалента связано с соотношением воздушно-топливного эквивалента (определенным ранее) следующим образом:

${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\lambda }}}$

Фракция смеси [ править ]

Относительные количества обогащения кислородом и разбавления топлива могут быть определены количественно долей смеси Z, определяемой как

${\displaystyle Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]}$,

где

${\displaystyle s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}$,

Y _{F, 0} и Y _{O, 0} представляют собой массовые доли топлива и окислителя на входе, W _F и W _O представляют собой молекулярные массы компонентов, а v _F и v _O представляют собой стехиометрические коэффициенты топлива и кислорода соответственно. Доля стехиометрической смеси составляет

${\displaystyle Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]}$^[3]

Доля стехиометрической смеси связана с λ (лямбда) и ϕ (phi) уравнениями

${\displaystyle Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}}$,

предполагая

${\displaystyle \mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}}$^[4]

Процент избыточного воздуха для горения [ править ]

В промышленных обогревателях , парогенераторах электростанций и больших газовых турбинах более распространенными терминами являются процент избыточного воздуха для горения и процент стехиометрического воздуха. ^{[5] [6]} Например, избыток воздуха для горения на 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше, чем требуется стехиометрический воздух (или 115 процентов от стехиометрического воздуха).

Контрольную точку горения можно определить, указав процент избыточного воздуха (или кислорода) в окислителе или указав процентное содержание кислорода в продукте сгорания. ^[7] метров соотношение воздух-топливо может быть использован для измерения процента кислорода в газообразных продуктах сгорания, из которого процент избытка кислорода может быть вычислена от стехиометрии и баланса массы для сжигания топлива. Например, для пропана ( C
₃ЧАС
₈) при горении между стехиометрическим и 30-процентным избытком воздуха ( _масса AFR между 15,58 и 20,3) соотношение между процентом избытка воздуха и процентом кислорода составляет:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Mass\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1433(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.214(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\\\mathrm {Volume\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1208(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.186(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\end{aligned}}}$

См. Также [ править ]

• Температура адиабатического пламени
• Датчик AFR
• Измеритель состава топливовоздушной смеси
• Датчик массового расхода
• Горение
• Стехиометрическое соотношение воздух-топливо обычных видов топлива

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• HowStuffWorks: впрыск топлива , каталитический нейтрализатор
• Плимутский университет: учебник по горению двигателя
• Камм, Ричард В. "Путаница в топливных смесях?" . Aircraft Maintenance Technology (февраль 2002 г.). Архивировано из оригинала на 2010-11-20 . Проверено 18 марта 2009 .