Соотношение воздух-топливо

Массовое отношение воздуха к топливу

Соотношение воздух-топливо ( AFR ) — это массовое отношение воздуха к твердому, жидкому или газообразному топливу, присутствующему в процессе сгорания . Сгорание может происходить контролируемым образом, например, в двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи, или может привести к взрыву (например, взрыву пыли ). Соотношение воздух-топливо определяет, является ли смесь горючей вообще, сколько энергии выделяется и сколько нежелательных загрязняющих веществ образуется в ходе реакции. Обычно существует диапазон соотношений топлива и воздуха, за пределами которого воспламенение не произойдет. Они известны как нижний и верхний пределы взрываемости.

В двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи соотношение воздух-топливо является важной мерой для защиты от загрязнения и настройки производительности. Если воздуха подается ровно столько, чтобы полностью сжечь все топливо ( стехиометрическое сгорание ), то это соотношение называется стехиометрической смесью , часто сокращенно называемой стехиометрической . Соотношения ниже стехиометрического (где топлива в избытке) считаются «богатыми». Богатые смеси менее эффективны, но могут производить больше мощности и гореть холоднее. Соотношения выше стехиометрического (где воздуха в избытке) считаются «бедными». Бедные смеси более эффективны, но могут вызывать более высокие температуры, что может привести к образованию оксидов азота . Некоторые двигатели спроектированы с функциями, позволяющими сжигать обедненную смесь . Для точных расчетов соотношения воздух-топливо следует указать содержание кислорода в воздухе для горения из-за различной плотности воздуха из-за различной высоты или температуры всасываемого воздуха, возможного разбавления окружающим водяным паром или обогащения добавками кислорода.

Измерители состава топливовоздушной смеси

Измеритель соотношения воздух-топливо контролирует соотношение воздух-топливо двигателя внутреннего сгорания . Также называемый измерителем соотношения воздух-топливо , измерителем состава воздуха или измерителем состава воздуха-топлива , он считывает выходное напряжение датчика кислорода , иногда также называемого датчиком AFR или лямбда-зондом.

Оригинальные узкополосные датчики кислорода стали стандартом заводской установки в конце 1970-х и начале 1980-х годов. В последние годы стал доступен более новый и гораздо более точный широкополосный датчик, хотя и более дорогой.

Большинство автономных узкополосных счетчиков имеют 10 светодиодов , а некоторые имеют больше. Также распространены узкополосные счетчики в круглых корпусах со стандартным креплением 52 и 67 мм ( 2+1 ⁄ 16 и 2+5 ⁄ 8  дюйма) диаметра, как и другие типы автомобильных «датчиков». Обычно они имеют 10 или 20 светодиодов. Аналоговые «стрелочные» датчики также доступны.

Двигатели внутреннего сгорания

Теоретически стехиометрическая смесь имеет ровно столько воздуха, чтобы полностью сжечь имеющееся топливо. На практике это никогда 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 или 10 миллисекунд на оборот коленчатого вала. Для четырехтактного двигателя это будет означать 5 миллисекунд на каждый ход поршня и 20 миллисекунд на завершение одного цикла Отто в 720 градусов ). Это время, которое проходит с момента зажигания свечи зажигания до сгорания 90% топливно-воздушной смеси, обычно примерно через 80 градусов поворота коленчатого вала. Каталитические нейтрализаторы спроектированы так, чтобы работать лучше всего, когда выхлопные газы, проходящие через них, являются результатом почти идеального сгорания.

Идеально стехиометрическая смесь горит очень горячо и может повредить компоненты двигателя, если двигатель находится под высокой нагрузкой при этой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур в этой смеси детонация топливно-воздушной смеси при приближении или вскоре после максимального давления в цилиндре возможна при высокой нагрузке (называемой детонацией или звоном), в частности, событием «преддетонации» в контексте модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может вызвать серьезное повреждение двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание топливно-воздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только в условиях легкой и низкой-умеренной нагрузки. Для ускорения и условий высокой нагрузки используется более богатая смесь (более низкое соотношение воздуха и топлива) для получения более холодных продуктов сгорания (тем самым используя испарительное охлаждение ), и, таким образом, избегая перегрева головки цилиндра , и, таким образом, предотвращая детонацию.

Системы управления двигателем

Стехиометрическая смесь для бензинового двигателя — это идеальное соотношение воздуха и топлива, при котором все топливо сжигается без избытка воздуха. Для бензинового топлива стехиометрическая смесь воздуха и топлива составляет около 14,7:1 ^[1], то есть на каждый грамм топлива требуется 14,7 грамма воздуха. Для чистого октанового топлива реакция окисления выглядит следующим образом:

25 О ₂ + 2 С ₈ Н ₁₈ → 16 СО ₂ + 18 Н ₂ О + энергия

Любая смесь больше 14,7:1 считается бедной смесью ; любая смесь меньше 14,7:1 является богатой смесью — при условии идеального (идеального) «тестового» топлива (бензин, состоящий только из н - гептана и изооктана ). В действительности большинство видов топлива состоят из комбинации гептана, октана, нескольких других алканов , а также присадок, включая моющие средства, и, возможно, оксигенаторов, таких как МТБЭ ( метил -трет -бутиловый эфир ) или этанол / метанол . Все эти соединения изменяют стехиометрическое соотношение, причем большинство присадок снижают соотношение (оксигенаторы привносят дополнительный кислород в событие сгорания в жидкой форме, которая выделяется во время сгорания; для топлива, содержащего МТБЭ , стехиометрическое соотношение может быть всего лишь 14,1:1). Транспортные средства, которые используют датчик кислорода или другие контуры обратной связи для управления соотношением топлива и воздуха (лямбда-регулирование), автоматически компенсируют это изменение стехиометрического расхода 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 запуском определенных топливных смесей (особенно зимних видов топлива, используемых в некоторых регионах) и могут потребовать других жиклеров карбюратора (или иным образом изменить соотношение топлива) для компенсации. Транспортные средства, которые используют датчики кислорода, могут контролировать соотношение воздуха и топлива с помощью измерителя соотношения воздуха и топлива .

Другие типы двигателей

В типичной горелке для сжигания воздуха в природном газе используется стратегия двойного перекрестного ограничения для обеспечения контроля соотношения. (Этот метод использовался во время Второй мировой войны). ^{[ необходима цитата ]} Стратегия включает добавление обратной связи противоположного потока в контроль ограничения соответствующего газа (воздуха или топлива). Это обеспечивает контроль соотношения в пределах приемлемого диапазона.

Другие используемые термины

Существуют и другие термины, обычно используемые при обсуждении смеси воздуха и топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Смесь

«Смесь» — преобладающее слово, которое встречается в учебных текстах, руководствах по эксплуатации и техническому обслуживанию в авиационном мире.

Соотношение воздух-топливо — это соотношение между массой воздуха и массой топлива в топливно-воздушной смеси в любой момент времени. Масса — это масса всех компонентов, которые составляют топливо и воздух, независимо от того, горючие они или нет. Например, расчет массы природного газа, который часто содержит диоксид углерода ( CO
₂), азот ( N
₂) и различных алканов — включает массу диоксида углерода, азота и всех алканов при определении значения m _{топлива} . ^[2]

Для чистого октана стехиометрическая смесь составляет приблизительно 15,1:1, или λ ровно 1,00.

В двигателях без наддува, работающих на октановом масле, 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 считается максимальным выходным соотношением, тогда как соотношение воздух-топливо 16:1 считается максимальным соотношением экономии топлива. ^{[ необходима цитата ]}

Соотношение топливо-воздух (FAR)

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

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

Коэффициент эквивалентности воздуха и топлива (λ)

Коэффициент эквивалентности воздуха и топлива, λ (лямбда), представляет собой отношение фактического AFR к стехиометрии для данной смеси. λ  = 1,0 соответствует 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 , 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 в качестве определения λ :

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

Поскольку состав обычных видов топлива меняется в зависимости от сезона, а также поскольку многие современные автомобили могут работать на разных видах топлива при настройке, имеет смысл говорить о значениях λ, а не AFR.

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

Соотношение эквивалентности топлива и воздуха (Ф)

Коэффициент эквивалентности топлива и воздуха , Φ (фи), системы определяется как отношение соотношения топлива к окислителю к стехиометрическому соотношению топлива к окислителю. Математически,

${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}}{({\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}}$

где m представляет собой массу, n представляет собой число молей, нижний индекс st обозначает стехиометрические условия.

Преимущество использования коэффициента эквивалентности по сравнению с коэффициентом топливо-окислитель заключается в том, что он учитывает (и, следовательно, не зависит) как от массы, так и от молярных значений топлива и окислителя. Рассмотрим, например, смесь одного моля этана ( C
₂ЧАС
₆) и один моль кислорода ( O
₂). Соотношение топлива и окислителя в этой смеси в расчете на массу 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 топлива и окислителя в этой смеси, основанное на числе 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 отношением эквивалентности, нам нужно определить отношение топлива к окислителю в смеси этана и кислорода. Для этого нам нужно рассмотреть стехиометрическую реакцию этана и кислорода,

C ₂ H ₆ + 7 ⁄ 2  O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O

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 коэффициент 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

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

Другим преимуществом использования коэффициента эквивалентности является то, что коэффициенты больше единицы всегда означают, что в смеси топлива и окислителя больше топлива, чем требуется для полного сгорания (стехиометрическая реакция), независимо от используемых топлива и окислителя, тогда как коэффициенты меньше единицы представляют собой дефицит топлива или эквивалентный избыток окислителя в смеси. Это не так, если использовать коэффициент топлива и окислителя, который принимает разные значения для разных смесей.

Коэффициент эквивалентности топлива и воздуха связан с коэффициентом эквивалентности воздуха и топлива (определенным ранее) следующим образом:

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

Фракция смеси

Относительные количества обогащения кислородом и разбавления топлива можно количественно оценить с помощью фракции 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 видов, а v _F и v _O представляют собой стехиометрические коэффициенты топлива и кислорода соответственно. Стехиометрическая доля смеси равна

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

Стехиометрическая доля смеси связана с λ (лямбда) и Φ (фи) 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 нагревателях , парогенераторах электростанций и крупных газовых турбинах более распространенными терминами являются процент избыточного воздуха для горения и процент стехиометрического воздуха. ^{[5] [6]} Например, избыточный воздух для горения в размере 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше требуемого стехиометрического воздуха (или 115 процентов стехиометрического воздуха).

Контрольная точка горения может быть определена путем указания процента избытка воздуха (или кислорода) в окислителе или путем указания процента кислорода в продукте сгорания. ^[7] Измеритель соотношения воздух-топливо может быть использован для измерения процента кислорода в горючем газе, из которого процент избытка кислорода может быть рассчитан из стехиометрии и баланса масс для сгорания топлива. Например, для пропана ( C
₃ЧАС
₈) горение между стехиометрическим и 30-процентным избытком воздуха ( _масса AFR между 15,58 и 20,3), соотношение между процентом избытка воздуха и процентом кислорода следующее:

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

Смотрите также

• Адиабатическая температура пламени
• Датчик AFR
• Измеритель соотношения воздух-топливо
• Датчик массового расхода
• Сгорание
• Стехиометрическое соотношение воздуха и топлива в обычных видах топлива

Ссылки

1. Хиллер, VAW; Питтак, FW (1966). "Подраздел 3.2". Основы технологии автотранспортных средств . Лондон: Hutchinson Educational . ISBN 0-09-110711-3.
2. См. пример 15.3 в Çengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (2006). Термодинамика: инженерный подход (5-е изд.). Бостон: McGraw-Hill . ISBN 9780072884951.
3. Кумфер, Б.; Скин, С.; Аксельбаум, Р. (2008). «Пределы зарождения сажи в ламинарных диффузионных пламенах с применением к сжиганию кислородного топлива» (PDF) . Горение и пламя . 154 (3): 546–556. doi :10.1016/j.combustflame.2008.03.008.
4. Введение в топливо и энергию: 1) МОЛИ, МАССА, КОНЦЕНТРАЦИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, доступ 2011-05-25
5. "Energy Tips – Process Heating – Check Burner Air-Top Ratios" (PDF) . Министерство энергетики США, Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии. Ноябрь 2007 г. Получено 29 июля 2013 г.
6. "Стехиометрическое горение и избыток воздуха". The Engineering ToolBox . Получено 29 июля 2013 г.
7. Экерлин, Герберт М. «Важность избыточного воздуха в процессе горения» (PDF) . Машиностроение и аэрокосмическая техника 406 — Энергосбережение в промышленности . Университет штата Северная Каролина. Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2014 г. . Получено 29 июля 2013 г. .

Внешние ссылки

• HowStuffWorks: впрыск топлива, каталитический нейтрализатор
• Университет Плимута: Учебник по сгоранию в двигателе
• Камм, Ричард В. «Запутались в топливных смесях?». Технология технического обслуживания самолетов (февраль 2002 г.). Архивировано из оригинала 2010-11-20 . Получено 18-03-2009 .