공연비 - Air–fuel ratio

공연비 ( AFR )는 연소 과정 에서 존재 하는 고체, 액체 또는 기체 연료 에 대한 공기 의 질량 비율입니다 . 연소는 내연 기관 또는 산업용 용광로 에서와 같이 제어 된 방식으로 발생 하거나 폭발을 일으킬 수 있습니다 (예 : 분진 폭발 , 가스 또는 증기 폭발 또는 열압 무기 ).

공연비는 혼합물의 가연성 여부, 방출되는 에너지의 양, 반응에서 생성되는 원치 않는 오염 물질의 양을 결정합니다. 일반적으로 연료 대 공기 비율의 범위가 존재하며, 그 이상에서는 점화가 발생하지 않습니다. 이를 폭발 하한 및 상한이라고합니다.

에서는 내연 기관 또는 산업용 보일러, 공연비는 오염 방지 성능 튜닝 이유로 중요한 척도이다. 정확히 충분한 공기가 완전히 모든 연료를 연소 제공되는 경우, 비율은로 알려져 화학 양 론적 종종 축약, 혼합물 stoich . 화학 양론보다 낮은 비율은 "풍부한"것으로 간주됩니다. 풍부한 혼합물은 효율성이 떨어지지 만 더 많은 전력을 생산하고 더 차가워 질 수 있습니다. 화학 양론보다 높은 비율은 "희박한"것으로 간주됩니다. 희박한 혼합물은 더 효율적이지만 더 높은 온도를 유발하여 질소 산화물 이 형성 될 수 있습니다 . 일부 엔진은 린번 을 허용하는 기능으로 설계되었습니다 . 정확한 공연비 계산을 위해연소 공기의 산소 함량은 고도 또는 흡기 온도가 다르기 때문에 공기 밀도 가 다르거 나 주변 수증기에 의한 희석 가능성 또는 산소 첨가에 의한 농축 으로 인해 지정되어야합니다 .

내연 기관

이론적으로 화학 양 론적 혼합물에는 사용 가능한 연료를 완전히 태울 수있는 충분한 공기가 있습니다. 실제로 이것은 각 연소 사이클에 대해 내연 기관에서 사용 가능한 매우 짧은 시간 때문에 결코 달성되지 않습니다. 대부분의 연소 과정은 다음과 같은 엔진 속도에서 약 2 밀리 초 이내에 완료됩니다.분당 6,000 회 회전 . (초당 100 회전, 크랭크 샤프트의 회 전당 10 밀리 초-4 행정 엔진의 경우 일반적으로 각 피스톤 스트로크에 대해 5 밀리 초를 의미 함). 이것은 점화 플러그가 점화 된 후 연료-공기 혼합물의 90 %가 연소 될 때까지 경과하는 시간이며, 일반적으로 나중에 크랭크 샤프트가 약 80도 회전합니다. 촉매 변환기통과 하는 배기 가스 가 거의 완벽한 연소의 결과 일 때 가장 잘 작동하도록 설계되었습니다 .

화학 양 론적 혼합물은 불행히도 매우 뜨거워지고 엔진이이 연료-공기 혼합물에서 높은 부하를 받으면 엔진 구성품을 손상시킬 수 있습니다. 이 혼합물의 고온으로 인해 연료-공기 혼합물이 고부하 상태에서 최대 실린더 압력에 접근하거나 최대 실린더 압력 직후에 폭발 할 수 있습니다 ( 노킹 이라고 함).또는 핑), 특히 스파크 점화 엔진 모델의 맥락에서 "사전 폭발"이벤트. 이러한 폭발은 연료 공기 혼합물의 제어되지 않은 연소가 실린더에 매우 높은 압력을 생성 할 수 있으므로 심각한 엔진 손상을 일으킬 수 있습니다. 결과적으로 화학 양 론적 혼합물은 경부 하에서 중부 하 조건까지만 사용됩니다. 가속 및 고부하 조건의 경우 더 차가운 연소 생성물을 생성하기 위해 더 풍부한 혼합물 (낮은 공연비)을 사용하여 실린더 헤드의 과열을 방지하여 폭발을 방지합니다.

엔진 관리 시스템

가솔린 엔진 화학 양 론적 혼합물은 과도한 공기없이 모든 연료를 연소시키는 이상적인 공기 대 연료 비율입니다. 들면 가솔린 연료의 화학량 론적 공기 - 연료 혼합물에 대해 14.7 : 1 [1] , 즉 연료의 모두에 대해 g, 14.7 g의 공기가 필요하다. 순수한 옥탄 연료의 경우 산화 반응은 다음과 같습니다.

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

14.7 : 1보다 큰 혼합물은 희박한 혼합물 로 간주됩니다 . 덜 14.7 : 1 이하가있다 풍부한 혼합물 - 주어진 완전한 (이상적인) "테스트"연료 (가솔린이 단독으로 구성된 N - 헵탄이소옥탄을 ). 실제로 대부분의 연료는 헵탄, 옥탄, 기타 알칸 , 세제를 포함한 첨가제 및 MTBE ( 메틸 tert- 부틸 에테르 ) 또는 에탄올 / 메탄올 과 같은 산소 공급 제 의 조합으로 구성됩니다.. 하방으로 비율 밀기 첨가제의 대부분 (산소 공급이 연소시 방출되는 액체 형태의 연소 이벤트에 추가의 산소를 가지고 이러한 화합물은 모두 상기 화학 양 론적 비율을 변경하는 행위에 대한 MTBE -laden 연료 화학 양론 비가 낮게 될 수있다 14.1 : 1). 산소 센서 또는 기타 피드백 루프를 사용하여 연료 대 공기 비율 (람다 제어)을 제어하는 ​​차량은 배기 가스 구성을 측정하고 연료량을 제어하여 연료의 화학량 론적 비율의 이러한 변화를 자동으로 보상합니다. 이러한 제어 장치가없는 차량 (예 : 최근까지 대부분의 오토바이 및 1980 년대 중반 이전의 차량)은 특정 혼합 연료 (특히 일부 지역에서 사용되는 겨울 연료)를 사용하는 데 어려움이있을 수 있으며 다른 기화기 가 필요할 수 있습니다.보상하기 위해 제트기 (또는 연료 공급 비율이 변경됨). 산소 센서 를 사용하는 차량은 공연비 측정기로 공연비를 모니터링 할 수 있습니다 .

다른 유형의 엔진

일반적인 공기 대 천연 가스 연소 버너에서는 비율 제어를 보장하기 위해 이중 교차 제한 전략이 사용됩니다. (이 방법은 제 2 차 세계 대전에서 사용되었습니다). [ 인용 필요한 ] 전략은 각각의 가스 (공기 또는 연료)의 제한 제어로 대향 흐름 코멘트를 추가 포함한다. 이는 허용 가능한 마진 내에서 비율 제어를 보장합니다.

사용 된 다른 용어

내연 기관에서 공기와 연료의 혼합물을 논의 할 때 일반적으로 사용되는 다른 용어가 있습니다.

혼합물

Mixture is the predominant word that appears in training texts, operation manuals and maintenance manuals in the aviation world.

Air–fuel ratio is the ratio between the mass of air and the mass of fuel in the fuel–air mix at any given moment. The mass is the mass of all constituents that compose the fuel and air, whether combustible or not. For example, a calculation of the mass of natural gas—which often contains carbon dioxide (CO
2
), nitrogen (N
2
), and various alkanes—includes the mass of the carbon dioxide, nitrogen and all alkanes in determining the value of mfuel.[2]

For pure octane the stoichiometric mixture is approximately 15.1:1, or λ of 1.00 exactly.

In naturally aspirated engines powered by octane, maximum power is frequently reached at AFRs ranging from 12.5 to 13.3:1 or λ of 0.850 to 0.901.[citation needed]

Air-fuel ratio of 12:1 is considered as maximum output ratio, where as the air-fuel ratio of 16:1 is considered as maximum fuel economy ratio.[citation needed]

Fuel–air ratio (FAR)

Fuel–air ratio is commonly used in the gas turbine industry as well as in government studies of internal combustion engine, and refers to the ratio of fuel to the air.[citation needed]

Air–fuel equivalence ratio (λ)

Air–fuel equivalence ratio, λ (lambda), is the ratio of actual AFR to stoichiometry for a given mixture. λ = 1.0 is at stoichiometry, rich mixtures λ < 1.0, and lean mixtures λ > 1.0.

There is a direct relationship between λ and AFR. To calculate AFR from a given λ, multiply the measured λ by the stoichiometric AFR for that fuel. Alternatively, to recover λ from an AFR, divide AFR by the stoichiometric AFR for that fuel. This last equation is often used as the definition of λ:

Because the composition of common fuels varies seasonally, and because many modern vehicles can handle different fuels, when tuning, it makes more sense to talk about λ values rather than AFR.

Most practical AFR devices actually measure the amount of residual oxygen (for lean mixes) or unburnt hydrocarbons (for rich mixtures) in the exhaust gas.

Fuel–air equivalence ratio (ϕ)

The fuel–air equivalence ratio, ϕ (phi), of a system is defined as the ratio of the fuel-to-oxidizer ratio to the stoichiometric fuel-to-oxidizer ratio. Mathematically,

where, m represents the mass, n represents number of moles, subscript st stands for stoichiometric conditions.

The advantage of using equivalence ratio over fuel–oxidizer ratio is that it takes into account (and is therefore independent of) both mass and molar values for the fuel and the oxidizer. Consider, for example, a mixture of one mole of ethane (C
2
H
6
) and one mole of oxygen (O
2
). The fuel–oxidizer ratio of this mixture based on the mass of fuel and air is

and the fuel-oxidizer ratio of this mixture based on the number of moles of fuel and air is

Clearly the two values are not equal. To compare it with the equivalence ratio, we need to determine the fuel–oxidizer ratio of ethane and oxygen mixture. For this we need to consider the stoichiometric reaction of ethane and oxygen,

C2H6 + ​72 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

This gives

Thus we can determine the equivalence ratio of the given mixture as

or, equivalently, as

Another advantage of using the equivalence ratio is that ratios greater than one always mean there is more fuel in the fuel–oxidizer mixture than required for complete combustion (stoichiometric reaction), irrespective of the fuel and oxidizer being used—while ratios less than one represent a deficiency of fuel or equivalently excess oxidizer in the mixture. This is not the case if one uses fuel–oxidizer ratio, which take different values for different mixtures.

The fuel–air equivalence ratio is related to the air–fuel equivalence ratio (defined previously) as follows:

Mixture fraction

The relative amounts of oxygen enrichment and fuel dilution can be quantified by the mixture fraction, Z, defined as

,

where

,

YF,0 and YO,0 represent the fuel and oxidizer mass fractions at the inlet, WF and WO are the species molecular weights, and vF and vO are the fuel and oxygen stoichiometric coefficients, respectively. The stoichiometric mixture fraction is

[3]

The stoichiometric mixture fraction is related to λ (lambda) and ϕ (phi) by the equations

,

assuming

[4]

Percent excess combustion air

Ideal stoichiometry

In industrial fired heaters, power plant steam generators, and large gas-fired turbines, the more common terms are percent excess combustion air and percent stoichiometric air.[5][6] For example, excess combustion air of 15 percent means that 15 percent more than the required stoichiometric air (or 115 percent of stoichiometric air) is being used.

A combustion control point can be defined by specifying the percent excess air (or oxygen) in the oxidant, or by specifying the percent oxygen in the combustion product.[7] An air–fuel ratio meter may be used to measure the percent oxygen in the combustion gas, from which the percent excess oxygen can be calculated from stoichiometry and a mass balance for fuel combustion. For example, for propane (C
3
H
8
) combustion between stoichiometric and 30 percent excess air (AFRmass between 15.58 and 20.3), the relationship between percent excess air and percent oxygen is:

See also

References

  1. ^ Hillier, V.A.W.; Pittuck, F.W. (1966). "Sub-section 3.2". Fundamentals of Motor Vehicle Technology. London: Hutchinson Educational. ISBN 0 09 110711 3.
  2. ^ See Example 15.3 in Çengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (2006). Thermodynamics: An Engineering Approach (5th ed.). Boston: McGraw-Hill. ISBN 9780072884951.
  3. ^ Kumfer, B.; Skeen, S.; Axelbaum, R. (2008). "Soot inception limits in laminar diffusion flames with application to oxy-fuel combustion" (PDF). Combustion and Flame. 154: 546–556. doi:10.1016/j.combustflame.2008.03.008.
  4. ^ Introduction to Fuel and Energy: 1) MOLES, MASS, CONCENTRATION AND DEFINITIONS, accessed 2011-05-25
  5. ^ "Energy Tips – Process Heating – Check Burner Air to Fuel Ratios" (PDF). U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. November 2007. Retrieved 29 July 2013.
  6. ^ "Stoichiometric combustion and excess of air". The Engineering ToolBox. Retrieved 29 July 2013.
  7. ^ Eckerlin, Herbert M. "The Importance of Excess Air in the Combustion Process" (PDF). Mechanical and Aerospace Engineering 406 - Energy Conservation in Industry. North Carolina State University. Archived from the original (PDF) on 27 March 2014. Retrieved 29 July 2013.

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