Введение
Массовое соотношение воздуха к топливу (Air–fuel ratio, AFR) – это массовое соотношение воздуха к твердому, жидкому или газообразному топливу, присутствующему в процессе сгорания. Сгорание может происходить контролируемым образом, например, в двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи, либо может привести к взрыву (например, взрыв пыли, взрыв газа или пара, или в термобарическом оружии). Соотношение воздух/топливо определяет, является ли смесь горючей, сколько энергии выделяется и какое количество нежелательных загрязняющих веществ образуется в реакции. Обычно существует диапазон соотношений топлива и воздуха, за пределами которого воспламенение не произойдет. Эти пределы известны как нижний и верхний пределы взрываемости. В двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи соотношение воздух/топливо является важным показателем для снижения выбросов и настройки производительности. Если воздуха предоставлено ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания всего топлива, это соотношение называется стехиометрической смесью, часто сокращаемой до stoich. Соотношения, меньшие стехиометрического (где топлива в избытке), считаются "обогащенными". Обогащенные смеси менее эффективны, но могут обеспечивать большую мощность и сгорать при более низкой температуре. Соотношения, превышающие стехиометрическое (где воздуха в избытке), считаются "обедненными". Обедненные смеси более эффективны, но могут вызывать более высокие температуры, что может привести к образованию оксидов азота. Некоторые двигатели разработаны с функциями, позволяющими работать на обедненной смеси. Для точного расчета соотношения воздух/топливо необходимо указывать содержание кислорода в воздухе для сгорания, поскольку плотность воздуха меняется в зависимости от высоты или температуры поступающего воздуха, возможного разбавления водяным паром или обогащения кислородом.
Air–fuel ratio (AFR) is the mass ratio of air to a solid, liquid, or gaseous fuel present in a combustion process. The combustion may take place in a controlled manner such as in an internal combustion engine or industrial furnace, or may result in an explosion (e. g., a dust explosion, gas or vapor explosion or in a thermobaric weapon). The air–fuel ratio determines whether a mixture is combustible at all, how much energy is being released, and how much unwanted pollutants are produced in the reaction. Typically a range of fuel to air ratios exists, outside of which ignition will not occur. These are known as the lower and upper explosive limits. In an internal combustion engine or industrial furnace, the air–fuel ratio is an important measure for anti pollution and performance tuning reasons. If exactly enough air is provided to completely burn all of the fuel, the ratio is known as the stoichiometric mixture, often abbreviated to stoich. Ratios lower than stoichiometric (where the fuel is in excess) are considered "rich". Rich mixtures are less efficient, but may produce more power and burn cooler. Ratios higher than stoichiometric (where the air is in excess) are considered "lean". Lean mixtures are more efficient but may cause higher temperatures, which can lead to the formation of nitrogen oxides. Some engines are designed with features to allow lean burn. For precise air–fuel ratio calculations, the oxygen content of combustion air should be specified because of different air density due to different altitude or intake air temperature, possible dilution by ambient water vapor, or enrichment by oxygen additions.
Измерители соотношения воздух-топливо
Измеритель соотношения воздух/топливо контролирует соотношение воздуха и топлива в двигателе внутреннего сгорания. Также известный как датчик соотношения воздух/топливо, измеритель воздух/топливо или указатель воздух/топливо, он считывает выходное напряжение датчика кислорода, который иногда также называют AFR-датчиком или лямбда-зондом. Оригинальные узкополосные кислородные датчики стали стандартным оборудованием на заводах в конце 1970-х – начале 1980-х годов. В последние годы появился более новый и значительно более точный широкополосный датчик, хотя и более дорогой. Большинство автономных узкополосных измерителей оснащены 10 светодиодами, а некоторые – большим их количеством. Также распространены узкополосные измерители в круглых корпусах со стандартными монтажными диаметрами, как и другие типы автомобильных приборов. Обычно они имеют 10 или 20 светодиодов. Также доступны аналоговые указатели стрелочного типа.
Двигатели внутреннего сгорания
Теоретически, в стехиометрической смеси содержится ровно столько воздуха, сколько необходимо для полного сгорания доступного топлива. На практике этого никогда не удается достичь, главным образом из-за крайне малого времени, доступного в двигателе внутреннего сгорания для каждого цикла сгорания. Большая часть процесса сгорания завершается примерно за 2 миллисекунды при скорости вращения двигателя fmt=commas. (100 оборотов в секунду; 10 миллисекунд на оборот коленчатого вала. Для четырехтактного двигателя это означает 5 миллисекунд на каждый ход поршня и 20 миллисекунд для завершения одного четырехтактного цикла в 720 градусов (цикл Отто). Это время, которое проходит с момента искрового разряда свечи зажигания до сгорания 90% топливно-воздушной смеси, обычно через 80 градусов поворота коленчатого вала. Каталитические нейтрализаторы спроектированы для оптимальной работы, когда выхлопные газы, проходящие через них, являются результатом почти полного сгорания. Абсолютно стехиометрическая смесь горит очень горячо и может повредить компоненты двигателя, если двигатель работает под высокой нагрузкой при такой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур в этой смеси возможна детонация топливно-воздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или сразу после него, при высокой нагрузке (известная как детонация или стук), в частности, явление "предварительной детонации" в контексте модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может привести к серьезным повреждениям двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание топливно-воздушной смеси может создавать очень высокое давление в цилиндре. Следовательно, стехиометрические смеси используются только в условиях легкой и умеренной нагрузки. Для ускорения и работы под высокой нагрузкой используется более богатая смесь (с более низким отношением воздуха к топливу) для получения более холодных продуктов сгорания (используя, таким образом, испарительное охлаждение) и предотвращения перегрева головки блока цилиндров, а следовательно, и детонации.
Другие типы двигателей
В типичной горелке, работающей на воздухе и природном газе, используется стратегия двойного перекрестного ограничения для обеспечения контроля соотношения компонентов. (Этот метод применялся во время Второй мировой войны). Стратегия заключается в добавлении обратной связи встречного потока в ограничивающее регулирование соответствующего газа (воздуха или топлива). Это гарантирует поддержание соотношения компонентов в допустимых пределах.
Другие термины
Существуют и другие термины, обычно используемые при обсуждении смеси воздуха и топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Смесь
Смесь – это наиболее часто встречающееся слово в учебных материалах, руководствах по эксплуатации и техническому обслуживанию в авиации. Отношение воздух-топливо – это соотношение между массой воздуха и массой топлива в топливно-воздушной смеси в любой момент времени. Масса включает в себя массу всех составляющих компонентов топлива и воздуха, как горючих, так и негорючих. Например, при расчете массы природного газа, который часто содержит углекислый газ, азот и различные алканы, для определения массы топлива (mfuel) учитывается масса углекислого газа, азота и всех алканов. Для чистого октана стехиометрическая смесь составляет приблизительно 15,1:1, или λ ровно 1,00. В двигателях с естественной наддувкой, работающих на октане, максимальная мощность обычно достигается при значениях AFR от 12,5 до 13,3:1 или λ от 0,850 до 0,901. Отношение воздух-топливо 12:1 считается обеспечивающим максимальную мощность, а отношение воздух-топливо 16:1 – максимальную экономичность.
Соотношение топлива к воздуху (FAR)
Отношение топлива к воздуху широко используется в газотурбинной промышленности, а также в государственных исследованиях двигателей внутреннего сгорания и представляет собой соотношение между количеством топлива и количеством воздуха.
Коэффициент эквивалентности воздуха и топлива (λ)
Отношение эквивалентности воздух-топливо, λ (лямбда), – это отношение фактического значения AFR к стехиометрическому для данной смеси. λ = 1,0 соответствует стехиометрической смеси, богатые смеси характеризуются λ < 1,0, а обеднённые – λ > 1,0. Между λ и AFR существует прямая зависимость. Чтобы вычислить AFR по известному значению λ, умножьте измеренное значение λ на стехиометрическое AFR для данного топлива. И наоборот, чтобы определить λ по AFR, разделите AFR на стехиометрическое AFR для этого топлива. Последнее уравнение часто используется как определение λ:
Поскольку состав обычных видов топлива меняется в зависимости от сезона, и многие современные автомобили могут работать на разных видах топлива при настройке, более целесообразно говорить о значениях λ, чем об AFR. Большинство практических устройств для измерения AFR на самом деле измеряют количество остаточного кислорода (для обеднённых смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в выхлопных газах.
Процент избыточного воздуха для сгорания
В промышленных теплообменниках, парогенераторах электростанций и больших газовых турбинах чаще используются термины «процент избыточного воздуха для сгорания» и «процент стехиометрического воздуха». Например, избыток воздуха для сгорания в 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше, чем необходимое стехиометрическое количество воздуха (или 115 процентов стехиометрического воздуха). Точку управления горением можно определить, указав процент избыточного воздуха (или кислорода) в окислителе, либо указав процент кислорода в продуктах сгорания. Для измерения процента кислорода в отходящих газах может использоваться датчик соотношения воздух-топливо, на основе показаний которого, с использованием стехиометрии и материального баланса процесса сгорания топлива, можно рассчитать процент избыточного кислорода. Например, для сгорания пропана при избытке воздуха от стехиометрического до 30 процентов (AFRмасса от 15,58 до 20,3), зависимость между процентом избыточного воздуха и процентом кислорода следующая: