Отношение воздуха и проживания

Соотношение воздуха и проживания ( 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, или может привести к взрыву (например, взрыв пылевой Энергия выпускается, и сколько нежелательных загрязняющих веществ производятся в реакции. Обычно существует диапазон соотношений топлива и воздуха, за пределами которого зажигание не будет происходить. Они известны как нижние и верхние пределы взрыва.

В двигателе внутреннего сжигания или промышленной печи соотношение воздуха и проживания является важной мерой для борьбы с загрязнением и настройкой производительности. Если точно достаточно воздуха, чтобы полностью сжечь все топливо ( стехиометрическое сгорание ), соотношение известно как стехиометрическая смесь , часто сокращаемой к Stoich . Соотношения ниже стехиометрического (где топливо превышает) считаются «богатыми». Богатые смеси менее эффективны, но могут привести к большему количеству мощности и ожога. Соотношения, выше стехиометрические (где воздух в избытке) считаются «худыми». Lean Mixtures более эффективны, но могут вызывать более высокие температуры, что может привести к образованию оксидов азота . Некоторые двигатели разработаны с функциями, позволяющими сжигать . Для точных расчетов соотношения воздуха - содержание кислорода в воздухе сгорания должно быть указано из -за различной плотности воздуха из -за различной высоты или температуры впускного воздуха, возможного разбавления окружным водяным пар или обогащения добавлением кислорода.

Авиационно-топливные измерители

Счетчик соотношения воздушного топлива контролирует соотношение воздуха и модуля двигателя внутреннего сгорания . Также называемый манометрией воздушного соотношения , измерителя воздуха и воздушного воздуха , он считывает выходной выход датчика кислорода , иногда также называемый датчиком AFR или Lambda.

Оригинальные узкополосные датчики кислорода стали установленными заводскими стандартами в конце 1970-х и начале 1980-х годов. В последние годы новый и гораздо более точный широкополосный датчик, хотя и более дорогой, стал доступным.

Большинство автономных узких метров имеют 10 светодиодов , а некоторые имеют больше. Также распространенные узкие метры полос в круглых корпусах со стандартным монтажом Диаметры 52 и 67 мм ( 2 + 1 ~ 16 и 2 + 5 ~ 8 дюймов ), как другие типы автомобильных датчиков ». Они обычно имеют 10 или 20 светодиодов. Аналоговые датчики стиля иглы также доступны.

Двигатели внутреннего сгорания

Теоретически, стехиометрическая смесь имеет достаточное количество воздуха, чтобы полностью сжечь доступное топливо. На практике это никогда не достигается, в основном из -за очень короткого времени, доступного в двигателе внутреннего сгорания для каждого цикла сгорания.

Большая часть процесса сгорания завершена примерно в 2 миллисекундах со скоростью двигателя в 6000 оборотов в минуту (100 революций в секунду или 10 миллисекунд на революцию коленчатого вала. Для четырехтактного двигателя это будет означать 5 миллисекунд для каждого удара поршня. и 20 миллисекунд, чтобы завершить один 720 -градусный цикл Отто ). Это время, которое протекает из зажигания зажигания зажигания до 90% смеси топлива - воздуха не станет сжиганием, как правило, около 80 градусов вращения коленчатого вала позже. Каталитические преобразователи предназначены для того, чтобы лучше всего работать, когда проходящие через них выхлопные газы являются результатом почти совершенного сгорания.

Идеально стехиометрическая смесь сжигает очень горячую и может повредить компоненты двигателя, если двигатель расположен под высокой нагрузкой на этой смеси топлива. Из-за высоких температур на этой смеси детонация смеси топливного воздуха при приближении или вскоре после максимального давления цилиндра возможна при высокой нагрузке (называемое стуком или пингом), в частности, «предварительное вытекание» в контексте модели двигателя зажигания зажигания. Такая детонация может привести к серьезным повреждениям двигателя, поскольку неконтролируемое сжигание смеси топливного воздуха может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только при свете до условий нагрузки с низким содержанием средств. Для ускорения и условий высокой нагрузки более богатая смесь (более низкое соотношение воздуха и проживания) используется для производства продуктов сгорания охладителя (тем самым с использованием испарительного охлаждения ), и поэтому избегайте перегрева головки цилиндра и, таким образом, предотвращают детонацию.

Системы управления двигателем

Стехиометрическая смесь для бензинового двигателя является идеальным соотношением воздуха и топлива , которое сжигает все топливо без избыточного воздуха. Для бензинового топлива смесь стехиометрического воздуха - около 14,7: 1 т.е. для каждого грамма топлива требуется 14,7 грамма воздуха. Для чистого октанового топлива реакция окисления:

25 O ₂ + 2 C ₈ H ₁₈ → 16 CO ₂ + 18 H ₂ O + энергия

Любая смесь более 14,7: 1 считается худой смесью ; Любое менее 14,7: 1 - это богатая смесь - данная идеальная (идеальная) «тест» топлива (бензин, состоящий исключительно n - гептан и изооктановый ). В действительности, большинство видов топлива состоят из комбинации гептана, октана, нескольких других алканов , а также добавок, включая детергенты, и, возможно, кислородаторы, такие как MTBE ( метил -трет -бутиловый эфир ) или этанол / метанол . Все эти соединения изменяют стехиометрическое соотношение, причем большинство добавок выдвигают соотношение вниз (кислороды приносят дополнительный кислород в событие сгорания в жидкой форме, которое выделяется во время сгораний; для топлива в MTBE -ладеном может быть тактихиометрическое соотношение, которое может быть так всего 14.1: 1). Транспортные средства, которые используют датчик кислорода или другие петли обратной связи, для контроля соотношения топлива и воздуха (управление Lambda), автоматически компенсируют это изменение стойометрической скорости топлива путем измерения состава выхлопного газа и контроля объема топлива. Транспортные средства без таких контролей (например, большинство мотоциклов до недавнего времени, и автомобили, предшествующие середине 1980-х годов), могут испытывать трудности с использованием определенных топливных смесей (особенно зимы Самолеты карбюратора (или иным образом имеют измененные коэффициенты топлива) для компенсации. Транспортные средства, которые используют датчики кислорода, могут контролировать соотношение воздуха и проживания с помощью счетчика воздушного соотношения .

Другие виды двигателей

В типичной горелке сжигания с воздухом и природным газом используется стратегия с двойным пересечением ограничения для обеспечения контроля соотношения. (Этот метод использовался во Второй мировой войне). Стратегия включает в себя добавление противоположной обратной связи потока в ограничивающий контроль соответствующего газа (воздух или топливо). Это гарантирует контроль соотношения в приемлемой марже.

Другие используемые термины

Есть и другие термины, которые обычно используются при обсуждении смеси воздуха и топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Смесь

Смесь - это преобладающее слово, которое появляется в учебных текстах, руководствах по эксплуатации и руководствам по техническому обслуживанию в мире авиации.

Отношение воздуха и проживания - это соотношение между массой воздуха и массой топлива в смеси топлива - воздуха в любой момент. Масса - это масса всех компонентов, которые составляют топливо и воздух, будь то горючие или нет. Например, расчет массы природного газа, который часто содержит углекислый газ ( CO
₂ ), азот ( n
₂ ) и различные алканы включая массу углекислого газа, азота и всех алканов при определении значения М. _{топлива} -

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

В естественных аспирированных двигателях, работающих на октане, максимальная мощность часто достигается в AFR в диапазоне от 12,5 до 13,3: 1 или λ от 0,850 до 0,901.

Соотношение воздушного топлива 12: 1 рассматривается как максимальное соотношение выходных данных, тогда как соотношение воздушного топлива 16: 1 рассматривается как максимальное соотношение экономии топлива.

Соотношение топлива - воздух (далеко)

Коэффициент топлива и воздуха обычно используется в газовой турбинной промышленности, а также в государственных исследованиях двигателя внутреннего сгорания и относится к соотношению топлива к воздуху.

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

Коэффициент эквивалентности воздуха и проживания ( λ )

Коэффициент эквивалентности воздуха и проживания, λ (лямбда), является соотношением фактической AFR к стехиометрии для данной смеси. λ = 1,0 находится в стехиометрии, богатых смесях λ <1,0 и худых смеси λ > 1,0.

Существует прямая связь между λ и AFR. Чтобы рассчитать AFR из данного λ , умножьте измеренный λ на стехиометрическом AFR для этого топлива. В качестве альтернативы, чтобы восстановить λ от AFR, разделите AFR на стехиометрическую AFR для этого топлива. Это последнее уравнение часто используется в качестве определения λ :

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

Поскольку композиция общего топлива варьируется сезонно, и поскольку многие современные транспортные средства могут обрабатывать различные топлива при настройке, имеет больше смысла говорить о значениях λ, а не AFR.

Большинство практических устройств AFR на самом деле измеряют количество остаточных кислорода (для бережливых смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в выхлопном газе.

Коэффициент эквивалентности топлива - воздуха ( φ )

Коэффициент эквивалентности топлива и воздуха , φ (PHI) системы определяется как отношение соотношения топлива к окислятору к соотношению стехиометрического топлива к оксидизаторам. Математически,

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

В тех случаях, когда M представляет массу, N представляет собой ряд молей, Spipct ST предназначен для стехиометрических условий.

Преимущество использования коэффициента эквивалентности по сравнению с соотношением топлива и окисления заключается в том, что он учитывает (и поэтому не зависит от) как массы, так и молярных значений для топлива и окислителя. Рассмотрим, например, смесь одного моля этана ( c
₂ часа
₆ ) и одна моль кислорода ( o
₂ ). Коэффициент окисления топлива в этой смеси на основе массы топлива и воздуха

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

и соотношение топлива-окисления этой смеси на основе количества молей топлива и воздуха

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

Очевидно, что два значения не равны. Чтобы сравнить его с коэффициентом эквивалентности, нам необходимо определить соотношение топлива и окисления 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

$({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268$

$({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286$

Таким образом, мы можем определить коэффициент эквивалентности данной смеси как

$\phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5$

или, эквивалентно, как

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

Другое преимущество использования коэффициента эквивалентности заключается в том, что отношения, более одного, всегда означают, что в смеси топлива и окисления топлива, чем требуется для полного сжигания (стехиометрическая реакция), независимо от использования топлива и окисления, в то время как соотношение меньше одного представляют собой. Дефицит топлива или эквивалентно избыток окисления в смеси. Это не так, если человек использует соотношение топлива и окисления, которое принимает разные значения для разных смесей.

Коэффициент эквивалентности топлива - воздуха связан с коэффициентом эквивалентности воздушного и изона (определено ранее) следующим образом:

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

Смесь фракции

Дополнительная информация: фракция смеси

Относительные количества обогащения кислорода и разбавления топлива могут быть количественно определены с помощью фракции смеси , z, определяемой как

$Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]$,

где

$s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}$,

Y _{F, 0} и Y _{O, 0} представляют фракции массы топлива и окислителя на входе, W _F и W _O являются молекулярными массами видов, а V _F и V _O - стехиометрические коэффициенты топлива и кислорода, соответственно. Фракция стехиометрической смеси

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

Фракция стехиометрической смеси связана с λ (лямбда) и φ (phi) по уравнениям

$Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}$,

предполагая

$\mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}$

Процент избыточного сжигания воздуха

Идеальная стехиометрия

В промышленных обстрелах , пароварных генераторах электростанций и крупных газовых турбинах более распространенными терминами являются процент избыточного воздуха сжигания и процент стехиометрического воздуха. Например, избыточный воздух сгорания в 15 процентов означает, что на 15 процентов больше, чем используется требуемый стехиометрический воздух (или 115 процентов стехиометрического воздуха).

Контрольная точка сжигания может быть определена путем указания процента избыточного воздуха (или кислорода) в окислительном веществе или путем указания процента кислорода в продукте сгорания. Для измерения процентного кислорода в газе сжигания можно использовать счетчик соотношения воздушного воздуха , из которого можно рассчитать процент избыточного кислорода по стехиометрии и массовому балансу для сжигания топлива. Например, для пропана ( c
₃ H
₈ ) Сжигание между стехиометрическим и 30 -процентным избыточным воздухом ( _масса AFR от 15,58 до 20,3), взаимосвязь между процентом избыточного воздуха и процентом кислорода составляет:

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

Смотрите также

• Адиабатическое пламя температуры
• Датчик AFR
• Авиационное соотношение
• Датчик массового потока
• Сжигание
• Стехиометрическое соотношение воздуха к топливу общего топлива

Внешние ссылки

• Howstuffworks: впрыск топлива , каталитический конвертер
• Университет Плимута: грунтовка сжигания двигателя
• Камм, Ричард В. "Смешал о топливных смесях?" Полем Технология обслуживания самолетов (февраль 2002 г.). Архивировано из оригинала 2010-11-20 . Получено 2009-03-18 .