Соотношение воздух-топливо

редактировать
отношение масс

Соотношение воздух-топливо (AFR ) - отношение масс из воздуха в твердое, жидкое или газообразное топливо, присутствующее в процессе сгорания. Сгорание может происходить контролируемым образом, например, в двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи, или может привести к взрыву (например, взрыв пыли, газа или паровой взрыв или в термобарическом оружии ).

Соотношение воздух-топливо определяет, является ли смесь горючей вообще, сколько энергии выделяется и сколько нежелательных загрязняющих веществ образуется в реакции. Обычно существует диапазон соотношений топлива и воздуха, за пределами которого воспламенение не происходит. Они известны как нижний и верхний пределы взрываемости.

В двигателе внутреннего сгорания или промышленной печи соотношение воздух-топливо является важной мерой по причинам предотвращения загрязнения и настройки характеристик. Если подается ровно столько воздуха, сколько требуется для полного сжигания всего топлива, соотношение известно как стехиометрическая смесь, часто сокращенно стехиологическая . Коэффициенты ниже стехиометрического считаются «богатыми». Богатые смеси менее эффективны, но могут производить больше мощности и гореть меньше. Коэффициенты выше стехиометрического считаются «худыми». Бедные смеси более эффективны, но могут вызывать более высокие температуры, что может привести к образованию оксидов азота. Некоторые двигатели имеют функции, позволяющие работать на обедненной смеси. Для точных расчетов воздушно-топливного отношения необходимо указать содержание кислорода в воздухе для горения из-за разной плотности воздуха из-за разной высоты или температуры всасываемого воздуха, возможного разбавления окружающей средой водяной пар или обогащение кислородом.

Содержание

  • 1 Двигатели внутреннего сгорания
  • 2 Системы управления двигателем
  • 3 Другие типы двигателей
  • 4 Другие используемые термины
    • 4.1 Смесь
    • 4.2 Соотношение топливо-воздух (FAR)
    • 4.3 Отношение топливно-воздушной смеси (λ)
    • 4.4 Отношение топливно-воздушной смеси (ϕ)
    • 4.5 Доля смеси
    • 4.6 Процент избыточного воздуха для горения
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Двигатели внутреннего сгорания

Теоретически в стехиометрической смеси достаточно воздуха, чтобы полностью сжечь имеющееся топливо. На практике это никогда полностью 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 двигателя 6000 оборотов в минуту. (100 оборотов в секунду; 10 миллисекунд на один оборот коленчатого вала - что для четырехтактного двигателя обычно означает 5 миллисекунд на каждый ход поршня). Это время, которое проходит от зажигания свечи зажигания до сгорания 90% топливно-воздушной смеси, обычно примерно на 80 градусов вращения коленчатого вала позже. Каталитические нейтрализаторы предназначены для наилучшей работы, когда выхлопные газы, проходящие через них, являются результатом почти идеального сгорания.

К сожалению, стехиометрическая смесь горит очень горячо и может повредить компоненты двигателя, если двигатель находится под большой нагрузкой на этой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур в этой смеси детонация топливно-воздушной смеси при приближении к максимальному давлению в цилиндре или вскоре после него возможна при высокой нагрузке (называемой детонацией или звоном), в частности, «преддетонацией». "событие в контексте модели двигателя с искровым зажиганием. Такая детонация может вызвать серьезное повреждение двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание топливовоздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только при условиях нагрузки от легкой до умеренной. В условиях ускорения и высоких нагрузок более богатая смесь (более низкое соотношение воздух-топливо) используется для получения более холодных продуктов сгорания и, таким образом, предотвращения перегрева головки блока цилиндров и предотвращения детонации.

Системы управления двигателем

стехиометрическая смесь для бензинового двигателя - это идеальное соотношение воздуха и топлива, при котором все топливо сжигается без лишнего воздуха. Для топлива бензин стехиометрическая воздушно-топливная смесь составляет около 14,7: 1, т.е. на каждый грамм топлива требуется 14,7 грамма воздуха. Для чистого топлива с октановым числом реакция окисления выглядит так:

25 O 2 + 2 C 8H18→ 16 CO 2 + 18 H 2 O + энергия

Любая смесь более 14,7: 1 считается бедной смесью ; любое менее 14,7: 1 является богатой смесью - заданным идеальным (идеальным) "испытательным" топливом (бензин, состоящий только из н- гептана и изооктана ). В действительности, большинство видов топлива состоит из комбинации гептана, октана, нескольких других алканов, а также добавок, включая детергенты, и, возможно, оксигенаторов, таких как МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир ) или этанол / метанол. Все эти соединения изменяют стехиометрическое соотношение, при этом большинство добавок толкают это соотношение вниз (оксигенаторы приносят дополнительный кислород к месту горения в жидкой форме, который выделяется во время горения; для топлива с МТБЭ стехиометрическое соотношение может составлять всего 14,1: 1). Транспортные средства, которые используют кислородный датчик или другой контур обратной связи для управления соотношением топлива и воздуха (лямбда-регулирование), автоматически компенсируют это изменение стехиометрического расхода топлива путем измерения состава выхлопных газов и управления объемом топлива. Транспортные средства без таких элементов 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 других форсунок карбюратора (или в противном случае измените соотношение топлива) для компенсации. Транспортные средства, которые используют кислородные датчики, могут контролировать соотношение воздух-топливо с помощью измерителя отношения воздух-топливо.

Другие типы двигателей

В обычной горелке, работающей на сжигании воздуха и природного газа используется стратегия двойного кросс-лимита для обеспечения контроля над соотношением. (Этот метод использовался во время Второй мировой войны). Стратегия включает добавление обратной обратной связи по потоку в ограничивающий контроль соответствующего газа (воздуха или топлива). Это обеспечивает контроль соотношения в пределах приемлемого запаса.

Другие используемые термины

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

Смесь

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

Воздушно-топливное соотношение - 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, горючие или негорючие. Например, расчет массы природного газа, который часто содержит диоксид углерода (CO. 2), азот (N. 2) и различные алканы, включает масса диоксида углерода, азота и всех алканов при определении значения m топлива.

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

В безнаддувных двигателях с октановым числом максимальная мощность часто достигается при AFR в диапазоне от 12,5 до 13,3: 1 или λ от 0,850 до 0,901.

Соотношение воздух-топливо 12: 1 составляет считается максимальным выходным соотношением, где соотношение воздух-топливо 16: 1 считается максимальным коэффициентом экономии топлива.

Соотношение топливо-воздух (FAR)

отношение топливо-воздух обычно используется в промышленности газовых турбин, а также в правительственных исследованиях двигателя внутреннего сгорания и относится к соотношению топлива и воздуха.

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

Отношение воздушно-топливного эквивалента (λ)

Отношение воздушно-топливного эквивалента, λ (лямбда), равно отношение фактического AFR к стехиометрии для данной смеси. λ = 1,0 соответствует стехиометрии, для богатых смесей λ < 1.0, and lean mixtures λ>1,0.

Между λ и AFR существует прямая зависимость. Чтобы вычислить 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 как определение λ:

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

Поскольку состав обычных видов топлива меняется в зависимости от сезона, и поскольку многие современные автомобили могут работать с разными видами топлива, при настройке 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.

Отношение топливно-воздушного эквивалента (ϕ)

Отношение топливно-воздушного эквивалента , ϕ (phi), для системы определяется как отношение топливно-воздушной смеси. отношение окислителя к стехиометрическому соотношению топлива к окислителю. Математически

ϕ = отношение топливо / окислитель (отношение топливо / окислитель) st = m топливо / m ox (m топливо / m ox) st = n топливо / n ox (n топливо / n ox) st {\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ t_dv {отношение топлива к окислителю}} {({\ t_dv {отношение топлива к окислителю}}) _ {\ 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}}}}}{\ displaystyle \ phi = { \ frac {\ t_dv {отношение топлива к окислителю}} {({\ t_dv {отношение топлива к окислителю}}) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {m _ {\ text {топливо }} / m _ {\ text {ox}}} {\ left (m _ {\ text {fuel}} / m _ {\ text {ox}} \ right) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {n _ {\ text {топливо}} / n _ {\ text {ox}}} {\ left (n _ {\ text {fuel}} / n _ {\ text {ox}} \ right) _ {\ text {st} }}}}

где m обозначает массу, n обозначает количество молей, суффикс st обозначает стехиометрические условия.

Преимущество использования отношения эквивалентности перед соотношением топливо-окислитель состоит в том, что оно учитывает (и, следовательно, не зависит от) как массовые, так и молярные значения для топлива и окислителя. Рассмотрим, например, смесь одного моля этана (C. 2H. 6) и одного моля кислорода (O. 2). Отношение топливо – окислитель этой смеси, основанное на массе топлива и воздуха, составляет

м C 2 H 6 м O 2 = 1 × (2 × 12 + 6 × 1) 1 × (2 × 16) = 30 32 Знак равно 0,9375 {\ 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}{\ 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 топливо-окислитель этой смеси, основанное на количестве молей топлива и воздух равен

n C 2 H 6 n O 2 = 1 1 = 1 {\ displaystyle {\ frac {n _ {{\ ce {C2H6}}}}} {n _ {{\ ce {O2}}}}} = {\ frac {1} {1}} = 1}{\ displaystyle {\ frac {n _ {{\ ce {C2H6}}}}} {n _ {{\ ce { O2}}}}} = {\ frac {1} {1}} = 1}

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

C2H6+ ⁄ 2O2→ 2 CO 2 + 3 H 2O

Это дает

(топливо-окислитель отношение на основе массы) st = (m C 2 H 6 m O 2) st = 1 × (2 × 12 + 6 × 1) 3,5 × (2 × 16) = 30 112 = 0,268 {\ displaystyle ({\ text { соотношение топлива и окислителя в зависимости от массы}}) _ {\ 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 {отношение количества топлива к окислителю в зависимости от массы}}) _ {\ 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}
(отношение топлива к окислителю в зависимости от числа молей) st = (n C 2 H 6 n O 2) st = 1 3,5 = 0,286 {\ displaystyle ({\ text {отношение топлива к окислителю в зависимости от количества молей}}) _ {\ text {st}} = \ left ({\ frac {n _ {\ ce {C2H6}}}}} {n _ {{\ ce {O2 }}}}} \ right) _ {\ text {st}} = {\ frac {1} {3.5}} = 0,286}{\ displaystyle ({\ text {отношение количества топлива к окислителю на основе количества молей}}) _ {\ 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

ϕ = m C 2 H 6 / m O 2 (m C 2 H 6 / m O 2) st = 0,938 0,268 = 3,5 {\ displaystyle \ phi = {\ frac {m _ {{\ ce {C2H6}}}} / m _ {{ \ ce {O2}}}} {\ left (m _ {{\ ce {C2H 6}}} / m _ {{\ ce {O2}}} \ right) _ {\ text {st}}}} = {\ frac {0.938} {0.268}} = 3.5}{\ 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

ϕ = n C 2 H 6 / n O 2 (n C 2 H 6 / n O 2) st = 1 0,286 = 3,5 {\ 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}{\ 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 одно преимущество использования отношения эквивалентности состоит в том, что отношение больше единицы всегда означает, что в смеси топливо-окислитель больше топлива, чем требуется для полного сгорания (стехиометрический реакция), независимо от используемого топлива и окислителя, в то время как отношения меньше единицы представляют собой дефицит топлива или эквивалентный избыток окислителя в смеси. Это не тот случай, если используется соотношение топливо – окислитель, которое принимает разные значения для разных смесей.

Отношение эквивалентности топлива к воздуху связано с соотношением эквивалентности воздуха к топливу (определенным ранее) следующим образом:

ϕ = 1 λ {\ displaystyle \ phi = {\ frac {1} {\ lambda }}}\ phi = {\ frac {1} {\ lambda}}

Фракция смеси

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

Z = [s YF - YO + YO, 0 s YF, 0 + YO, 0] {\ displaystyle Z = \ left [{\ frac {sY _ {\ mathrm {F}} -Y _ {\ mathrm {O}} + Y _ {\ mathrm {O}, 0}}} {sY _ {\ mathrm {F, 0}} + Y _ {\ mathrm {O, 0}}} \ right]}{\ displaystyle Z = \ left [{\ frac {sY _ {\ mathrm {F}} -Y _ {\ mathrm {O}} + Y _ {\ mathrm {O, 0}}} {sY _ {\ mathrm {F, 0 }} + Y _ {\ mathrm {O, 0}}} \ right]} ,

где

s = AFR stoich = WO × v OWF × v F {\ displaystyle s = \ mathrm {AFR} _ {\ mathrm {stoich}} = {\ frac {W _ {\ mathrm {O}} \ times v _ {\ mathrm {O}}} {W _ {\ mathrm { F}} \ times v _ {\ mathrm {F}}}}}{\ displaystyle s = \ mathrm {AFR} _ {\ mathrm {stoich}} = {\ frac {W_ { \ mathrm {O}} \ times v _ {\ mathrm {O}}} {W _ {\ mathrm {F}} \ times v _ {\ mathrm {F}}}}} ,

YF, 0 и Y O, 0 представляют 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. Доля стехиометрической смеси равна

Z st = [1 1 + YF, 0 × WO × v OYO, 0 × WF × v F] {\ 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]}{\ 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]}

Доля стехиометрической смеси связана с λ (лямбда) и ϕ (phi) соотношением уравнения

Z st = λ 1 + λ = 1 1 + ϕ {\ displaystyle Z _ {\ text {st}} = {\ frac {\ lambda} {1+ \ lambda}} = {\ frac {1} { 1+ \ phi}}}Z _ {\ text {st}} = {\ frac {\ lambda} {1+ \ lambda}} = {\ frac {1} {1+ \ phi}} ,

при условии

AFR = YO, 0 YF, 0 {\ displaystyle \ mathrm {AFR} = {\ frac {Y _ {\ mathrm {O, 0}}} {Y _ {\ mathrm {F, 0}}}}}{\ displaystyle \ mathrm {AFR} = {\ frac {Y _ {\ mathrm {O, 0}}} {Y _ {\ mathrm {F, 0 }}}}}

Процент избыточного воздуха для горения

Идеальная стехиометрия

В промышленных обогревателях, электростанциях парогенераторах и больших газовые турбины, более распространенными терминами являются процент избыточного воздуха для горения и процент стехиометрического воздуха. Например, избыток воздуха для горения на 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше, чем требуется стехиометрический воздух (или 115 процентов от стехиометрического воздуха).

Контрольную точку горения можно определить, указав процент избыточного воздуха (или кислорода) в окислителе или указав процент кислорода в продукте сгорания. Измеритель отношения воздух-топливо может использоваться для измерения процентного содержания кислорода в газообразных продуктах сгорания, из которого процент избытка кислорода может быть рассчитан на основе стехиометрии и баланса массы для сгорания топлива. Например, для сжигания пропана (C. 3H. 8) между стехиометрическим и 30-процентным избыточным воздухом (AFR масса между 15,58 и 20,3) соотношение между процентным содержанием избыточного воздуха и процентным содержанием кислорода составляет:

M ass % O 2 в пропане сгорания s = - 0,1433 (% избытка O 2) 2 + 0,214 (% избытка O 2) {\ displaystyle \ mathrm {Масса \% \ O_ {2} \ in \ пропан \ горение \ газ} = -0,1433 ( \ mathrm {\% \ Excess \ O_ {2}}) ^ {2} +0.214 (\ mathrm {\% \ Excess \ O_ {2}})}\ mathrm {Масса \% \ O_ {2} \ в \ пропане \ сгорании \ газе} = -0,1433 (\ mathrm {\% \ превышение \ O_ {2}}) ^ {2} +0,214 (\ mathrm {\% \ превышение \ O_ {2}})
Объем% O 2 в пропане сгорания s = - 0,1208 ( % избытка О 2) 2 + 0,186 (% избытка О 2) {\ displaystyle \ mathrm {Объем \% \ O_ {2} \ in \ пропан \ горение \ газ} = -0,1208 (\ mathrm {\% \ избыток \ O_ {2}}) ^ {2} +0.186 (\ mathrm {\% \ Excess \ O_ {2}})}\ mathrm {Объем \% \ O_ {2} \ в \ пропане \ сгорании \ газе} = -0,1208 (\ mathrm {\% \ extra \ O_ {2}}) ^ {2} +0,186 (\ mathrm { \% \ превышение \ O_ {2}})

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-09 21:48:52
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте