Соотношение воздух-топливо - Air–fuel ratio

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найдите источники: «Соотношение воздух – топливо»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Октябрь 2008 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Соотношение воздух-топливо (AFR) - отношение масс воздуха в твердое, жидкое или газообразное топливо присутствует в горение процесс. Горение может происходить контролируемым образом, например, в двигатель внутреннего сгорания или промышленной печи, или может привести к взрыву (например, взрыв пыли, взрыв газа или пара или в термобарическое оружие ).

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 двигатель внутреннего сгорания или промышленной печи, соотношение воздух-топливо является важной мерой по причинам предотвращения загрязнения и настройки производительности. Если подается ровно столько воздуха, чтобы полностью сжечь все топливо, соотношение известно как стехиометрический смесь, часто сокращенно стоич. 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 оксиды азота. Некоторые двигатели разработаны с функциями, позволяющими обедненный ожог. Для точных расчетов воздушно-топливного отношения кислород содержание воздуха для горения следует указывать из-за различных плотность воздуха из-за разной высоты или температуры всасываемого воздуха, возможное разбавление окружающей средой водяной пар, или обогащение кислородом.

Двигатель внутреннего сгорания

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 двигателя 6,000 число оборотов в минуту. (100 оборотов в секунду; 10 миллисекунд на оборот коленчатого вала - что для четырехтактного двигателя обычно означает 5 миллисекунд на каждый ход поршня). Это время, которое проходит от зажигания свечи зажигания до сгорания 90% топливно-воздушной смеси, обычно примерно на 80 градусов вращения коленчатого вала позже. Каталитические преобразователи разработаны для наилучшей работы, когда выхлопные газы проходящие через них 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 топливно-воздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или вскоре после него возможна при высокой нагрузке (называемой стучать или pinging), а именно «предвзрывное» событие в контексте модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может вызвать серьезное повреждение двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание 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 предотвращения детонации.

Системы управления двигателем

В стехиометрический Смесь для бензинового двигателя - это идеальное соотношение воздуха и топлива, при котором все топливо сжигается без лишнего воздуха. За бензин топлива, стехиометрическая топливовоздушная смесь составляет около 14,7: 1^[1] т.е. на каждый грамм топлива требуется 14,7 грамма воздуха. Для чистого октан топлива, реакция окисления:

25 O₂ + 2 С₈ЧАС₁₈ → 16 СО₂ + 18 часов₂O + энергия

Любая смесь более 14,7: 1 считается постная смесь; любое менее 14,7: 1 является богатая смесь - задано идеальное (идеальное) «тестовое» топливо (бензин, состоящий исключительно из п-гептан и изооктан ). На самом деле, большинство видов топлива состоит из комбинации гептана, октана и нескольких других веществ. алканы, плюс добавки, включая детергенты, и, возможно, оксигенаторы, такие как МТБЭ (метил терт-бутиловый эфир ) или же этиловый спирт /метанол. Все эти соединения изменяют стехиометрическое соотношение, при этом большинство добавок толкают соотношение вниз (оксигенаторы приносят дополнительный кислород к месту горения в жидкой форме, который выделяется во время горения; МТБЭ -загруженное топливо стехиометрическое соотношение может составлять всего 14,1: 1). Транспортные средства, использующие датчик кислорода или другой контур обратной связи для управления соотношением топлива к воздуху (лямбда-регулирование), автоматически компенсирует это изменение стехиометрического расхода топлива путем измерения состава выхлопных газов и управления объемом 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 требовать другого карбюратор форсунки (или иным образом изменили соотношение топлива) для компенсации. Транспортные средства, которые используют кислородные датчики может контролировать соотношение воздух-топливо с помощью измеритель отношения воздух-топливо.

Другие типы двигателей

В типичной горелке для сжигания воздуха и природного газа используется стратегия двойного перекрестного ограничения для обеспечения контроля соотношения. (Этот метод использовался во время Второй мировой войны).^{[нужна 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

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

Смесь

Смесь является преобладающим словом, которое встречается в учебных текстах, руководствах по эксплуатации и техническому обслуживанию в мире авиации.

Соотношение воздух-топливо - это соотношение между масса воздуха и масса топлива в топливно-воздушной смеси в любой момент времени. Масса - это масса всех компонентов, составляющих топливо и воздух, горючие или негорючие. Например, расчет массы природного газа, который часто содержит углекислый газ (CO
₂), азот (N
₂), и различные алканы - включает массу двуокиси углерода, азота и всех алканов при определении значения м_{топливо}.^[2]

Для чистого октан стехиометрическая смесь составляет примерно 15,1: 1, или λ ровно 1,00.

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.^{[нужна цитата ]}

Соотношение воздух-топливо 12: 1 считается максимальным выходным отношением, тогда как соотношение воздух-топливо 16: 1 считается максимальной степенью экономии топлива.^{[нужна цитата ]}

Соотношение топливо-воздух (FAR)

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

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

Коэффициент воздушно-топливного эквивалента (λ)

Коэффициент воздушно-топливного эквивалента, λ (лямбда) - это отношение реальной AFR к стехиометрии для данной смеси. λ = 1,0 находится на стехиометрии, богатые смеси λ <1,0, и бедные смеси λ > 1.0.

Существует прямая связь между λ и AFR. Чтобы рассчитать AFR из заданного λ, умножаем измеренные λ стехиометрическим AFR для этого топлива. В качестве альтернативы, чтобы восстановить λ от 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 больше смысла говорить о λ значения, а не AFR.

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

Отношение топливно-воздушного эквивалента (ϕ)

В соотношение топливно-воздушного эквивалента, ϕ (phi) системы определяется как отношение отношения топлива к окислителю к стехиометрическому соотношению топлива к окислителю. Математически,

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

куда, м представляет собой массу, п представляет количество молей, индекс st обозначает стехиометрические условия.

Преимущество использования отношения эквивалентности по сравнению с 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 этан (C
₂ЧАС
₆) и один моль кислород (О
₂). Соотношение топливо-окислитель этой смеси в зависимости от массы топлива и воздуха составляет

${ displaystyle { frac {m _ {{ ce {C2H6}}}}} {m _ {{ ce {O2}}}}} = { frac {1 times (2 times 12 + 6 times 1) } {1 times (2 times 16)}} = { frac {30} {32}} = 0,9375}$

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,

C₂ЧАС₆ + ​⁷⁄₂ О₂ → 2 СО₂ + 3 часа₂О

Это дает

${ displaystyle ({ text {отношение количества топлива к окислителю в зависимости от массы}}) _ { text {st}} = left ({ frac {m _ {{ ce {C2H6}}}}} {m_ { { ce {O2}}}}} right) _ { text {st}} = { frac {1 times (2 times 12 + 6 times 1)} {3,5 times (2 times 16 )}} = { frac {30} {112}} = 0,268}$

${ displaystyle ({ text {отношение количества топлива к окислителю в зависимости от числа молей}}) _ { text {st}} = left ({ frac {n _ {{ ce {C2H6}}}} { n _ {{ ce {O2}}}}} right) _ { text {st}} = { frac {1} {3.5}} = 0,286}$

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

Относительные количества обогащения кислородом и разбавления топлива могут быть определены количественно с помощью фракция смеси, Z, определяемый как

${ displaystyle Z = left [{ frac {sY _ { mathrm {F}} -Y _ { mathrm {O}} + Y _ { mathrm {O, 0}}} {sY _ { mathrm {F, 0 }} + Y _ { mathrm {O, 0}}}} right]}$,

куда

${ displaystyle s = mathrm {AFR} _ { mathrm {stoich}} = { frac {W _ { mathrm {O}} times v _ { mathrm {O}}} {W _ { mathrm {F} } times v _ { mathrm {F}}}}}$,

Y_{F, 0} и Y_{О, 0} представляют собой массовые доли топлива и окислителя на входе, W_F и W_О - молекулярные массы видов, и v_F и v_О - 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 избытка воздуха для горения

Идеальная стехиометрия

В промышленных топочные обогреватели, электростанция парогенераторы и большие газовые турбины, наиболее 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 избытка воздуха (или кислорода) в окислитель, или указав процентное содержание кислорода в продукте сгорания.^[7] An измеритель отношения воздух-топливо может использоваться для измерения процентного содержания кислорода в газообразных продуктах сгорания, исходя из которого процент избыточного кислорода может быть рассчитан из стехиометрии и баланс массы для сжигания топлива. Например, для пропана (C
₃ЧАС
₈) горение между стехиометрическим и 30-процентным избытком воздуха (AFR_масса между 15,58 и 20,3) соотношение между процентом избытка воздуха и процентом кислорода составляет:

${ Displaystyle { begin {выровнено} mathrm {Масса \% O_ {2} в пропане сгорании газе} & приблизительно -0,1433 ( mathrm {\% превышение O_ {2}}) ^ {2} +0,214 ( mathrm {\% Excess O_ {2}}) mathrm {Объем \% O_ {2} in propane горение газ} & приблизительно -0,1208 ( mathrm {\% Excess O_ {2}}) ^ {2} +0.186 ( mathrm {\% Extra O_ {2}}) end {выровнено}}}$

Смотрите также

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

Рекомендации

внешняя ссылка

• Как это работает: впрыск топлива, каталитический нейтрализатор
• Плимутский университет: Праймер для сгорания двигателя
• Камм, Ричард В. "Что-то не понимает в топливных смесях?". Техника обслуживания самолетов (Февраль 2002 г.). Архивировано из оригинал на 2010-11-20. Получено 2009-03-18.