Соотношение воздух-топливо

Массовое соотношение воздуха и топлива

Соотношение воздух-топливо ( AFR ) — это массовое соотношение воздуха и твердого, жидкого или газообразного топлива , присутствующего в процессе сгорания . Горение может происходить контролируемым образом, например, в двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи, или может привести к взрыву (например, взрыву пыли , взрыву газа или пара или в термобарическом оружии ).

Соотношение воздух-топливо определяет, является ли смесь вообще горючей, сколько энергии выделяется и сколько нежелательных загрязняющих веществ образуется в результате 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 по предотвращению загрязнения окружающей среды и повышению производительности. Если воздуха подается ровно столько, чтобы полностью сжечь все топливо, это соотношение известно как стехиометрическая смесь, часто сокращенно называемая стехиометрической . Соотношения ниже стехиометрического (при избытке топлива) считаются «богатыми». Богатые смеси менее эффективны, но могут производить больше мощности и холоднее гореть. Соотношения выше стехиометрического (при избытке воздуха) считаются «бедными». Бедные смеси более эффективны, но могут вызвать повышение температуры, что может привести к образованию оксидов азота . Некоторые двигатели имеют функции, позволяющие работать на обедненной смеси . Для точных расчетов соотношения воздух-топливо необходимо указать содержание кислорода в воздухе для горения из-за разной плотности воздуха из-за разной высоты или температуры всасываемого воздуха, возможного разбавления водяным паром окружающей среды или обогащения добавками кислорода.

Двигатель внутреннего сгорания

Теоретически в стехиометрической смеси воздуха ровно столько, чтобы полностью сжечь имеющееся топливо. На практике этого никогда не удается достичь в полной мере, главным образом 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 оборот коленчатого вала. Для четырехтактного двигателя это будет означать 5 миллисекунд для каждого хода поршня и 20 миллисекунд для завершения одного четырехтактного цикла 720 градусов (цикл Отто). Это время, которое проходит с момента зажигания свечи зажигания до сгорания 90% топливно-воздушной смеси, обычно после поворота коленчатого вала на 80 градусов.Каталитические нейтрализаторы сконструированы так, чтобы работать лучше всего, когда проходящие через них выхлопные газы являются результатом почти идеального сгорания. .

Идеально стехиометрическая смесь горит очень сильно и может повредить компоненты двигателя, если двигатель подвергается высокой нагрузке на эту топливно-воздушную смесь. Из-за высоких температур этой смеси детонация топливно-воздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или вскоре после него возможна при высокой нагрузке (так называемая детонация или звон), в частности, событие «преддетонации» в контексте модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может привести к серьезному повреждению двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание топливно-воздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только в условиях легкой и слабо-умеренной нагрузки. В условиях ускорения и высоких нагрузок используется более богатая смесь (с более низким соотношением воздух-топливо) для производства более холодных продуктов сгорания (тем самым используется испарительное охлаждение ), что позволяет избежать перегрева головки блока цилиндров и, таким образом, предотвратить детонацию.

Системы управления двигателем

Стехиометрическая смесь для бензинового двигателя представляет собой идеальное соотношение воздуха и топлива, при котором сгорает все топливо без избытка воздуха. Для бензинового топлива стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси составляет примерно 14,7:1 ^[1] , т.е. на каждый грамм топлива требуется 14,7 грамма воздуха. Для топлива с чистым октановым числом реакция окисления выглядит следующим образом:

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

Любая смесь с соотношением более 14,7:1 считается бедной смесью ; любое соотношение менее 14,7:1 представляет собой богатую смесь при условии идеального (идеального) «испытательного» топлива (бензина, состоящего исключительно 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 понижают это соотношение (оксигенаторы привносят дополнительный кислород в процесс сгорания в жидкой форме, который выделяется во время сгорания; для топлива, содержащего МТБЭ , стехиометрическое соотношение может быть следующим: ниже 14,1:1). Транспортные средства, которые используют датчик кислорода или другие контуры обратной связи для управления соотношением топлива и воздуха (лямбда-контроль), автоматически компенсируют это изменение стехиометрической нормы топлива путем измерения состава выхлопных газов и контроля объема топлива. Транспортные средства без такого 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 использования других жиклеров карбюратора (или иным образом изменить соотношение топлива). ) компенсировать. Транспортные средства, в которых используются кислородные датчики , могут контролировать соотношение воздух-топливо с помощью измерителя соотношения воздух-топливо .

Другие типы двигателей

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

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 мире авиации.

Соотношение воздух-топливо — это соотношение между массой воздуха и массой топлива в топливно-воздушной смеси в любой данный момент. Масса — это масса всех компонентов, составляющих топливо и воздух, независимо от того, горючи или нет. Например, расчет массы природного газа, который часто содержит углекислый газ ( CO
₂), азот ( N
₂), а также различных алканов — включает массу углекислого газа, азота и всех алканов при определении величины m _{топлива} . ^[2]

Для чистого октана стехиометрическая смесь составляет примерно 15,1:1, или λ точно равно 1,00.

В безнаддувных двигателях 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 соотношением мощности, тогда как соотношение воздух-топливо 16:1 считается максимальным коэффициентом экономии топлива. ^{[ нужна 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 к воздуху. ^{[ нужна цитата ]}

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

Коэффициент избытка воздуха и топлива ( λ )

Коэффициент эквивалентности воздух-топливо, 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 по заданному λ , умножьте измеренное значение λ на стехиометрическое AFR для этого топлива. В качестве альтернативы, чтобы получить 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 при настройке могут работать с разными видами топлива, 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.

Коэффициент избытка топлива и воздуха ( φ )

Коэффициент избытка топлива и воздуха , φ (phi), 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 количество молей, индекс st обозначает стехиометрические условия.

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

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

а соотношение топливо-окислитель в этой смеси в расчете на количество молей топлива и воздуха равно

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

Очевидно, что эти два значения не равны. Для сравнения его с коэффициентом эквивалентности необходимо определить соотношение топливо–окислитель смеси этана и кислорода. Для этого нам необходимо 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

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

Еще одним преимуществом использования коэффициента эквивалентности является то, что отношения больше единицы всегда означают, что в смеси топливо-окислитель содержится больше топлива, чем требуется для полного сгорания (стехиометрическая реакция), независимо от используемых топлива и окислителя, тогда как отношения меньше единицы представляют собой недостаток топлива или, что эквивалентно, избыток окислителя в смеси. Это не так, если использовать соотношение топливо–окислитель, которое для разных смесей принимает разные значения.

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

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

Фракция смеси

Относительные количества обогащения кислородом и разбавления топлива могут быть количественно определены фракцией 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 частиц, а v _F и v _O представляют собой стехиометрические коэффициенты топлива и кислорода соответственно. Стехиометрическая фракция 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]

Доля стехиометрической 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 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 в 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше требуемого стехиометрического воздуха (или 115 процентов стехиометрического воздуха).

Точку контроля горения можно определить, указав процент избытка воздуха (или кислорода) в окислителе или процент кислорода в продукте сгорания. ^[7] Измеритель соотношения воздух-топливо можно использовать для измерения процентного содержания кислорода в дымовых газах, из чего процент избыточного кислорода можно рассчитать на основе стехиометрии и массового баланса для сгорания топлива. Например, для пропана ( C
₃ЧАС
₈) горение между стехиометрическим и 30-процентным избытком воздуха ( _масса AFR от 15,58 до 20,3), соотношение между процентным избытком воздуха и процентным содержанием кислорода:

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

Смотрите также

• Адиабатическая температура пламени
• Датчик АФР
• Измеритель соотношения воздух-топливо
• Датчик массового расхода
• Горение
• Стехиометрическое соотношение воздуха и топлива обычных видов топлива

Рекомендации

1. Хиллиер, НОЖ; Питтак, ФРВ (1966). «Подраздел 3.2». Основы автомобильной техники . Лондон: Хатчинсон Образовательный . ISBN 0-09-110711-3.
2. См. пример 15.3 в книге Ченгель, Юнус А.; Болес, Майкл А. (2006). Термодинамика: инженерный подход (5-е изд.). Бостон: МакГроу-Хилл . ISBN 9780072884951.
3. Кумфер, Б.; Скин, С.; Аксельбаум, Р. (2008). «Пределы образования сажи в ламинарно-диффузионном пламени применительно к кислородно-топливному сжиганию» (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, по состоянию на 25 мая 2011 г.
5. «Советы по энергопотреблению - Технологический нагрев - Проверьте соотношение воздуха и топлива в горелке» (PDF) . Министерство энергетики США, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Ноябрь 2007 года . Проверено 29 июля 2013 г.
6. «Стехиометрическое горение и избыток воздуха». Инженерный набор инструментов . Проверено 29 июля 2013 г.
7. Экерлин, Герберт М. «Важность избытка воздуха в процессе горения» (PDF) . Машиностроение и аэрокосмическая техника 406 – Энергосбережение в промышленности . Государственный университет Северной Каролины. Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2014 года . Проверено 29 июля 2013 г.

Внешние ссылки

• HowStuffWorks: впрыск топлива, каталитический нейтрализатор
• Плимутский университет: учебник по сгоранию двигателя
• Камм, Ричард В. «Запутались в топливных смесях?». Технология обслуживания самолетов (февраль 2002 г.). Архивировано из оригинала 20 ноября 2010 г. Проверено 18 марта 2009 г.