نسبت سوخت به هوا AFR در موتورهای احتراق داخلی
موتورهای احتراق داخلی برای تولید انرژی از احتراق سوخت و اکسیژن (هوا) استفاده می کنند.
نسبت سوخت هوا (AF یا AFR) عبارت است از نسبت بین جرم هوا ma و سوخت جرمی mf ، که موتور هنگام کار از آن استفاده می کند:

نسبت ایده آل (تئوری) سوخت هوا ، برای یک احتراق کامل ، نسبت سوخت و هوا استوکیومتریک نامیده می شود. برای یک موتور بنزینی ، نسبت استوکیومتریک هوا و سوخت در حدود 14.7: 1 است. این بدان معنی است که برای سوزاندن کامل 1 کیلوگرم سوخت ، به 14.7 کیلوگرم هوا نیاز داریم.
حداقل AFR در حدود 6: 1 است و حداکثر می تواند تا 20: 1 باشد.
هنگامی که نسبت سوخت و هوا از نسبت استوکیومتری بالاتر باشد ، مخلوط سوخت و هوا را رقیق و هنگامی که نسبت سوخت و هوا از نسبت استوکیومتری کمتر باشد ، مخلوط سوخت و هوا را غلیظ یا غنی می نامند. به عنوان مثال ، برای یک موتور بنزینی ، AFR 1: 16.5رقیق و 13.7: 1 غلیظ است.
 
موتورهای اشتعال جرقه ای (SI) معمولاً با سوخت بنزین (بنزین) کار می کنند. AFR موتورهای SI بسته به شرایط کارکرد موتور (دما ، سرعت ، بار و ...) در محدوده 12: 1 (غلیظ) تا 20: 1 (رقیق) متغیر است. موتورهای احتراق داخلی مدرن تا آنجا که ممکن است در محدوده AFR استوکیومتری کار می کنند .
در جدول زیر می توانید نمونه ای از AFR موتور SI ، عملکرد دور موتور و گشتاور را مشاهده کنید.

ضریب هم ارزی نسبت هوا و سوخت - لامبدا
ما دیده ایم که نسبت استوکیومتری (ایده آل) هوا و سوخت چیست و چگونه محاسبه شود. در حقیقت ، موتورهای احتراق داخلی دقیقاً با AFR ایده آل کار نمی کنند بلکه با مقادیر نزدیک به آن کار می کنند. بنابراین ما یک AFR ایده آل و واقعی با سوخت هوا خواهیم داشت. نسبت بین نسبت واقعی سوخت هوا (AFRactual) و نسبت سوخت و هوا ایده آل / استوکیومتری (AFRideal) را معادل نسبت سوخت هوا یا لامبدا (λ) می نامند.

به عنوان مثال ، نسبت ایده آل سوخت و هوا برای موتور بنزینی 14.7: 1 است. اگر AFR واقعی / واقعی 13.5 باشد ، فاکتور هم ارز لامبدا خواهد بود:

بسته به مقدار لامبدا ، به موتور گفته می شود که با مخلوط سوخت و هوای رقیق ، استوکیومتری یا غلیظ کار کند.
ضریب هم ارزی
نوع مخلوط سوخت و هوا
شرح
λ
غلیظ
هوای کافی برای سوزاندن کامل میزان سوخت وجود ندارد. پس از احتراق، سوخت نسوخته در گازهای خروجی وجود دارد
λ = 1.00
استوکیومتری (ایده آل)
 
جرم هوا برای احتراق کامل سوخت دقیق است. پس از احتراق ، اکسیژن اضافی در اگزوز وجود ندارد و هیچ سوخت نسوخته وجود ندارد
λ > 1.00
رقیق
اکسیژن بیشتر از مقدار مورد نیاز برای سوزاندن کامل مقدار سوخت وجود دارد. پس از احتراق اکسیژن اضافی در گازهای خروجی وجود دارد
به یاد داشته باشید که ضریب هم ارزی استوکیومتری (λ = 1.00) به معنای نسبت سوخت هوا در موتورهای بنزینی 14.7: 1 و برای موتورهای دیزلی 14.5: 1 است.
تأثیر نسبت سوخت و هوا بر عملکرد موتور

تصویر: توان موتور و عملکرد مصرف سوخت نسبت سوخت و هوا (لامبدا)
 
عملکرد موتور از نظر قدرت و مصرف سوخت بسیار وابسته به نسبت هوا و سوخت است. برای یک موتور بنزینی ، کمترین مصرف سوخت در AFR رقیق حاصل می شود. دلیل اصلی این است که اکسیژن کافی برای سوزاندن کامل سوخت وجود دارد. از طرف دیگر ، حداکثر توان با مخلوط غنی از سوخت هوا بدست می آید.
 
همانطور که قبلاً توضیح داده شد ، قرار دادن سوخت بیشتر در سیلندر با بار و سرعت زیاد موتور ، محفظه احتراق را خنک می کند (از طریق تبخیر سوخت و جذب گرما) که به موتور اجازه می دهد حداکثر گشتاور موتور و در نتیجه حداکثر قدرت را تولید کند.
همانطور که میدانیم نمی توانیم حداکثر قدرت موتور و کمترین مصرف سوخت را با همان نسبت سوخت و هوا داشته باشیم. کمترین مصرف سوخت (بهترین مصرف سوخت) با مخلوط سوخت و هوای کم ، با AFR 15.4: 1 و ضریب هم ارزی (λ) 1.05 بدست می آید. حداکثر قدرت موتور با مخلوط سوخت و هوا غنی ، با AFR 12/6: 1 و ضریب هم ارزی (λ) 0.86 تولید می شود. با یک مخلوط سوخت استوکیومتریک هوا (λ = 1) ، بین حداکثر قدرت موتور و حداقل مصرف سوخت تعادل برقرار می شود.
موتورهای احتراق تراکمی (دیزلی) همیشه با مخلوط سوخت و هوای کم کار می کنند (λ> 1.00). بیشتر موتورهای دیزلی مدرن با λ بین 1.65 تا 1.10 کار می کنند. حداکثر بازده (کمترین مصرف سوخت) در حدود 65/1 = λ بدست می آید. افزایش مقدار سوخت بالاتر از این مقدار (رفتن به سمت 1.10) دوده بیشتری تولید می کند (ذرات سوخت نسوخته).
 
تأثیر نسبت سوخت هوا در انتشار گازهای خروجی موتور
انتشار گازهای خروجی موتور احتراق داخلی بستگی زیادی به نسبت سوخت و هوا (ضریب هم ارزی) دارد. انتشار اصلی گازهای خروجی در ICE در جدول زیر خلاصه شده است.

مونوکسید کربن CO ،    هیدروکربن HC ،    اکسیدهای نیتروژن NOx ،    ذرات سوخت نسوخته دوده Soot
 
 

تصویر: عملکرد راندمان کاتالیزور موتور بنزینی نسبت هوا و سوخت
برای یک موتور بنزینی ، میزان انتشار گازهای خروجی CO ، HC و NOx به شدت تحت تأثیر نسبت سوخت و هوا است. CO و HC عمدتا با مخلوط سوخت و هوا غنی تولید می شوند ، در حالی که NOx در مخلوط های رقیق. بنابراین ، هیچ مخلوط سوخت و هوا ثابت وجود ندارد که بتوانیم حداقل میزان انتشار گازهای خروجی را برای آن بدست آوریم.
 
 

یک کاتالیزور سه طرفه (TWC) ، که برای موتورهای بنزینی استفاده می شود ، بیشترین بازده را وقتی دارد که موتور در یک باند باریک نزدیک به استوکیومتری نسبت سوخت و هوا کار می کند. هنگامی که موتور با λ = 1.00 کار می کند ، TWC بین 50… 90٪ هیدروکربن ها و 90… 99٪ مونوکسیدکربن و اکسیدهای نیتروژن را تبدیل می کند.
کنترل احتراق حلقه بسته لامبدا
به منظور رعایت مقررات انتشار گازهای خروجی و جلوگیری از آلودگی محیط زیست ، برای موتورهای احتراق داخلی (به ویژه بنزین) کنترل دقیق نسبت هوا و سوخت بسیار مهم است. بنابراین ، تمام موتورهای احتراق داخلی مدرن دارای کنترل حلقه بسته برای نسبت سوخت به هوا (لامبدا) هستند.
 
سنسور جریان توده هواکاتالیزور اولیهکاتالیزور ثانویهتزریق کننده ی سوخت (انژکتور)سنسور بالا لامبدا (اکسیژن)سنسور پایین لامبدا (اکسیژن)مدار تأمین سوخت (ریل سوخت)منیفولد ورودیمنیفولد اگزوز
تصویر: کنترل لامبدا حلقه بسته موتور احتراق داخلی (موتورهای بنزینی)
جز حیاتی برای کارکرد یک سیستم، سنسور لامبدا (اکسیژن) است. این سنسور سطح مولکول های اکسیژن موجود در گاز خروجی را اندازه گیری می کند و اطلاعات را به واحد کنترل الکترونیکی موتور (ECU) می فرستد. بر اساس مقدار قرائت سنسور اکسیژن ، ECU موتور بنزینی برای حفظ نسبت هوا و سوخت در حدود سطح استوکیومتریک ، سطح جرم سوخت را تنظیم می کند (λ = 1.00).
به عنوان مثال (موتورهای بنزینی) ، اگر سطح مولکولهای اکسیژن بیش از حد آستانه سطح استوکیومتریک باشد (مخلوط رقیق داریم) ، در چرخه تزریق بعدی ، مقدار سوخت تزریق شده برای استفاده از مقدار هوای اضافی افزایش می یابد . بخاطر داشته باشید که موتور همیشه از چرخه رقیق به مخلوط غلیظ یا غنی در بین چرخه های تزریق تبدیل می شود ، که یک "میانگین" از مخلوط سوخت / سوخت استوکیومتری را ارائه می دهد.
 
برای موتورهای دیزلی ، از آنجا که همیشه با نسبت هوا و سوخت رقیق کار می کند ، کنترل لامبدا به روشی دیگر انجام می شود. هدف نهایی همچنان یکسان است ، کنترل میزان انتشار گازهای خروجی.
لینک پیج اینستاگرام
Resources:
 https://x-engineer.org/automotive-engineering/internal-combustion-engines/performance/air-fuel-ratio-lambda-engine-performance
ترجمه و ویرایش : نوژن مرادی
Car Chip Tuning