Кіріспе

Ауа мен отынның массалық қатынасы – жану процесіндегі қатты, сұйық немесе газ тәрізді отынға шаққандағы ауаның массалық қатынасы. Жану ішкі жанатын қозғалтқыш немесе өнеркәсіптік пеш сияқты бақыланатын жағдайда жүруі мүмкін, немесе жарылысқа (мысалы, шаң жарылысы, газ немесе бу жарылысы, немесе термобарикалық қаруда) әкелуі мүмкін. Ауа-отын қатынасы қоспаның жанғыш болуын, бөлінетін энергия мөлшерін және реакцияда пайда болатын зиянды ластаушы заттардың көлемін анықтайды. Әдетте, тұтану жүрмейтін отын-ауа қатынасының белгілі бір диапазоны болады. Бұл диапазонның шектері – төменгі және жоғарғы жарылғыш шектер деп аталады. Ішкі жанатын қозғалтқыштарда немесе өнеркәсіптік пештерде ауа-отын қатынасы ластануды азайту және жұмысты жақсарту үшін маңызды өлшем болып табылады. Егер отынды толық жағу үшін дәл мөлшерде ауа берілсе, онда бұл қатынас стехиометриялық қоспа деп аталады, көбінесе «стейх» деп қысқартылады. Стехиометриялық қатынастан төменгі көрсеткіштер (отынның артық болуы) «бай» деп есептеледі. Бай қоспалар тиімділігі төмен, бірақ күштірек болуы мүмкін және салқындата алады. Стехиометриялық қатынастан жоғары көрсеткіштер (ауаның артық болуы) «жеңіл» деп есептеледі. Жеңіл қоспалар тиімдірек, бірақ температураның көтерілуіне әкелуі мүмкін, бұл азот оксидтерінің түзілуіне ықпал етеді. Кейбір қозғалтқыштар жеңіл жағу режимін қолдауға арналған конструкциялық ерекшеліктермен жабдықталған. Ауа-отын қатынасын дұрыс есептеу үшін, жану ауасының оттегі құрамын анықтау қажет, өйткені биіктікке, кіріс ауа температурасына байланысты ауа тығыздығының өзгеруі, атмосферадағы су буының болуы немесе оттегі қосылуы оның құрамын өзгертуі мүмкін.

Ауа-отын арақатынасын өлшегіштер

Ауа-отын қатынасын өлшегіш ішкі жану қозғалтқышының ауа-отын қатынасын бақылайды. Ауа-отын арақатынасы өлшегіші, ауа-отын бақылаушы немесе ауа-отын көрсеткіші деп те аталатын ол, оттегі сенсорының кернеу шығысын оқиды, кейде бұл сенсорды AFR сенсоры немесе лямбда сенсоры деп те атайды. Алғашқы тар жолақты оттегі сенсорлары 1970-ші жылдардың соңы мен 1980-ші жылдардың басында зауыттарда стандартты түрде орнатыла бастады. Соңғы жылдары жаңа әрі әлдеқайда дәл кең жолақты сенсор қолжетімді болды, бірақ ол қымбатқа түседі. Көптеген дербес тар жолақты өлшегіштерде 10 LED болады, ал кейбіреулерінде одан да көп. Автомобильдің басқа "көрсеткіштері" сияқты, стандартты орнату диаметрі бар дөңгелек корпустағы тар жолақты өлшегіштер де жиі кездеседі. Олар әдетте 10 немесе 20 LED-тен тұрады. Аналогты "мұңдықша" стиліндегі көрсеткіштер де қолданылады.

Ішкі жанатын қозғалтқыштар

Теориялық тұрғыдан алғанда, стехиометриялық қоспада қол жетімді отынды толық жағуға жеткілікті ауа мөлшері болады. Іс жүзінде, бұл толыққанды орындалмайды, себебі ішкі жану қозғалтқышындағы әрбір жану циклына өте қысқа уақыт бөлінеді. Жану процесінің көп бөлігі қозғалтқыш жылдамдығы fmt=үтірлі болғанда шамамен 2 миллисекунд ішінде аяқталады. (100 айналым/секунд; коленвалдың бір айналымына 10 миллисекунд. Төрт тактілі қозғалтқыш үшін әрбір поршень тактісіне 5 миллисекунд, ал толық төрт тактілі, 720 градустық циклді (Отто циклі) аяқтауға 20 миллисекунд жұмсалады. Бұл тұтану шамның тұтанған сәтінен бастап отын-ауа қоспасының 90%-ы жанғанға дейін, әдетте коленвал 80 градусқа бұрылғаннан кейін болатын уақыт. Катализаторлар олар арқылы өтетін түтін газдары дерлік толық жану нәтижесінде пайда болғанда ең жақсы жұмыс істейді. Толық стехиометриялық қоспа өте ыстық жанып, қозғалтқыш осы отын-ауа қоспасына жоғары жүктеме түсірілгенде, қозғалтқыш компоненттеріне зақым келтіруі мүмкін. Бұл қоспадағы жоғары температуралардың салдарынан, цилиндрдегі максималды қысымға жақындағанда немесе одан кейін отын-ауа қоспасының детонациялануы жоғары жүктемеде мүмкін (бұл "соққы немесе діріл" деп аталады), атап айтқанда, тұтандыру қозғалтқыштарында "детонацияға дейінгі" оқиға. Мұндай детонация отын-ауа қоспасының бақылаусыз жануынан цилиндрде өте жоғары қысым тудыратындықтан, қозғалтқышқа ауыр зақым келтіруі мүмкін. Осылайша, стехиометриялық қоспалар тек жеңіл және орташа жүктеме жағдайларында қолданылады. Үдеу және жоғары жүктеме жағдайларында, салқындату үшін (булану салқындатуын пайдалану арқылы) байытылған қоспа (төменгі ауа-отын қатынасы) қолданылады, осылайша цилиндр басының қызып кетуінің алдын алып, детонацияны болдырмайды.

Басқа қозғалтқыш түрлері

Әдеттегі ауа-табиғи газбен жану оттегішінде қатынасты басқару үшін қос шектеу стратегиясы қолданылады. (Бұл әдіс Екінші дүниежүзілік соғыста қолданылған). Стратегия тиісті газдың (ауа немесе отын) шектеулі бақылауына қарама-қарсы ағынның кері байланысын қосуды қамтиды. Бұл қатынасты қабылданатын шекте сақтауды қамтамасыз етеді.

Басқа терминдер

Ішкі жану қозғалтқыштарында ауа мен отын қоспасын талқылауда жиі қолданылатын тағы да басқа терминдер бар.

Қоспа

Аралас – авиация саласындағы оқу материалдарында, пайдалану және техникалық қызмет көрсету нұсқаулықтарында ең көп кездесетін сөз. Ауа-отын қатынасы – берілген сәттегі отын-ауа қоспасындағы ауа массасы мен отын массасы арасындағы пропорция. Масса – отын мен ауаны құрайтын барлық компоненттердің массасы, олар жанғыш немесе жанғыш емес болуы мүмкін. Мысалы, көмірқышқыл газы, азот және түрлі алкандардан тұратын табиғи газдың массасын есептеу кезінде, отын массасын (mfuel) анықтау үшін көмірқышқыл газының, азоттың және барлық алкандардың массасы ескеріледі. Таза октан үшін стехиометриялық қоспа шамамен 15,1:1, ал λ көрсеткіші – дәл 1,00-ге тең. Октанмен жұмыс істейтін, атмосфералық қысымда жұмыс істейтін қозғалтқыштарда максималды қуат көбінесе 12,5-тен 13,3:1 аралығындағы немесе λ 0,850-ден 0,901-ге дейінгі АФР көрсеткіштерінде жетеді. 12:1 ауа-отын қатынасы максималды өнімділік ретінде, ал 16:1 ауа-отын қатынасы максималды отын экономиясы ретінде қарастырылады.

Отын-ауа қатынасы (FAR)

Отын-ауа арақатынасы газ турбиналық өнеркәсіпте, сондай-ақ ішкі жану қозғалтқыштарын мемлекеттік зерттеулерде кеңінен қолданылады және отынның ауаға қатынасын көрсетеді.

Ауа мен отынның баламалылық қатынасы (λ)

Ауа-отынның баламалылық коэффициенті, λ (лямбда), – берілген қоспа үшін нақты AFR-нің стехиометриялық қатынасына тең. λ = 1,0 стехиометриялық жағдайды білдіреді, бай қоспалар үшін λ < 1,0, ал жұқа қоспалар үшін λ > 1,0. λ және AFR арасында тікелей байланыс бар. Белгілі бір λ-дан AFR-ді есептеу үшін өлшенген λ-ны сол отынның стехиометриялық AFR-іне көбейтіңіз. Керісінше, AFR-ден λ-ны табу үшін AFR-ді сол отынның стехиометриялық AFR-іне бөліңіз. Осы соңғы теңдеу λ-ның анықтамасы ретінде жиі қолданылады:

Құрамы маусымға қарай өзгеретін жанармайлар көп болғандықтан және қазіргі көптеген көліктер күйіндеу кезінде әртүрлі жанармайды қолдана алатындықтан, AFR-ге қарағанда λ мәндерін талқылау ыңғайлырақ. Көптеген практикалық AFR құрылғылары шығарылатын газдағы қалдық оттегінің мөлшерін (жұқа қоспалар үшін) немесе жанылмаған көмірсутектердің мөлшерін (бай қоспалар үшін) өлшейді.

Өте көп жану ауасының пайызы

Өнеркәсіптік қыздырғыштарда, электр станцияларының бу генераторларында және ірі газ турбиналарында, көбінесе қолданылатын терминдер – жану үшін артық ауаның проценті және стехиометриялық ауаның проценті. Мысалы, 15 процент артық жану ауасы дегеніміз, қажетті стехиометриялық ауадан 15 процент көп (немесе стехиометриялық ауаның 115 проценті) қолданылады. Жануды басқару нүктесін тотықтырғыштағы артық ауаның (немесе оттегінің) процентін немесе жану өнімдеріндегі оттегінің процентін анықтау арқылы белгілеуге болады. Отынның жануындағы оттегінің процентін өлшеу үшін ауа-отын қатынасы өлкіші қолданылуы мүмкін, одан артық оттегінің процентін стехиометрия және отын жануының массалық балансы арқылы есептеуге болады. Мысалы, стехиометриялық және 30 процент артық ауа арасындағы (AFRмассасы 15,58 мен 20,3 арасында) пропан жануы үшін артық ауаның проценті мен оттегінің проценті арасындағы байланыс: