อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง เบนซิน

อัตราส่วนอากาศน้ำมันเชื้อเพลิง ( AFR ) เป็นอัตราส่วนมวลของอากาศกับของแข็งของเหลวหรือก๊าซเชื้อเพลิงในปัจจุบันในการเผาไหม้กระบวนการ การเผาไหม้อาจจะเกิดขึ้นในลักษณะที่ควบคุมเช่นในเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือเตาอุตสาหกรรมหรืออาจส่งผลให้เกิดการระเบิด (เช่นการระเบิดของฝุ่น , ก๊าซหรือไอระเบิดหรือใน )

อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงกำหนดว่าส่วนผสมติดไฟได้หรือไม่ มีการปล่อยพลังงานออกมาเท่าใด และปริมาณมลพิษที่ไม่ต้องการเกิดขึ้นในปฏิกิริยา โดยทั่วไปแล้วจะมีช่วงอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศอยู่ ซึ่งนอกนั้นจะไม่เกิดการจุดระเบิด สิ่งเหล่านี้เรียกว่าขีด จำกัด การระเบิดล่างและบน

ในเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือเตาเผาอุตสาหกรรม อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเป็นมาตรการที่สำคัญสำหรับเหตุผลในการต่อต้านมลพิษและการปรับประสิทธิภาพ หากมีอากาศว่าพอมีให้กับการเผาไหม้สมบูรณ์ทั้งหมดของน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีอัตราส่วนเป็นที่รู้จักกันเป็น ทฤษฎีผสมมักจะสั้นจะstoichอัตราส่วนที่ต่ำกว่าปริมาณสัมพันธ์ถือว่า "รวย" ส่วนผสมที่เข้มข้นนั้นมีประสิทธิภาพน้อยกว่า แต่อาจให้พลังงานมากกว่าและเย็นกว่าสำหรับการเผาไหม้ อัตราส่วนที่สูงกว่าปริมาณสัมพันธ์ถือว่าเป็น "แบบลีน" ผสมแบบลีนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่อาจทำให้เกิดอุณหภูมิที่สูงขึ้นซึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์เครื่องมือบางส่วนได้รับการออกแบบที่มีคุณสมบัติที่จะอนุญาตให้ยันเผาไหม้สำหรับการคำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่แม่นยำควรระบุปริมาณออกซิเจนของอากาศที่เผาไหม้เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศต่างกันเนื่องจากระดับความสูงหรืออุณหภูมิอากาศเข้าที่แตกต่างกัน การเจือจางที่เป็นไปได้โดยไอน้ำโดยรอบหรือการเสริมสมรรถนะด้วยการเติมออกซิเจน

ตามทฤษฎีแล้ว สารผสมปริมาณสัมพันธ์มีอากาศเพียงพอที่จะเผาผลาญเชื้อเพลิงที่มีอยู่ได้อย่างสมบูรณ์ ในทางปฏิบัติ วิธีนี้ไม่สามารถทำได้สำเร็จ เนื่องจากเครื่องยนต์สันดาปภายในมีเวลาอันสั้นมากสำหรับรอบการเผาไหม้แต่ละรอบ กระบวนการเผาไหม้ส่วนใหญ่เสร็จสิ้นภายในเวลาประมาณ 2 มิลลิวินาทีที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ของ6,000 รอบต่อนาที (100 รอบต่อวินาที 10 มิลลิวินาทีต่อรอบการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งสำหรับเครื่องยนต์สี่จังหวะ โดยทั่วไปแล้วจะหมายถึง 5 มิลลิวินาทีสำหรับลูกสูบแต่ละจังหวะ) นี่คือเวลาที่ผ่านไปจากการเผาไหม้ของหัวเทียนจนกระทั่ง 90% ของส่วนผสมระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศถูกเผาไหม้ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะหมุนเพลาข้อเหวี่ยงประมาณ 80 องศาในภายหลังเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาได้รับการออกแบบมาให้ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อก๊าซไอเสียที่ไหลผ่านนั้นเป็นผลมาจากการเผาไหม้ที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ

ส่วนผสมปริมาณสัมพันธ์ที่พอดีจะเผาไหม้ได้ร้อนมาก และอาจสร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบเครื่องยนต์ได้ หากวางเครื่องยนต์ไว้ใต้โหลดสูงที่ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศนี้ เนื่องจากอุณหภูมิสูงที่ส่วนผสมนี้ การระเบิดของส่วนผสมระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศขณะเข้าใกล้หรือหลังจากแรงดันกระบอกสูบสูงสุดได้ไม่นานภายใต้โหลดสูง (เรียกว่าการน็อคหรือส่ง Ping) โดยเฉพาะเหตุการณ์ "ก่อนการระเบิด" ในบริบทของรุ่นเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ การระเบิดดังกล่าวอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างรุนแรง เนื่องจากการเผาไหม้ของส่วนผสมระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศที่ไม่สามารถควบคุมได้สามารถสร้างแรงกดดันในกระบอกสูบได้สูงมาก ด้วยเหตุนี้ สารผสมปริมาณสัมพันธ์จึงถูกใช้ภายใต้สภาวะโหลดเบาถึงปานกลางเท่านั้น สำหรับการเร่งความเร็วและสภาวะโหลดสูง จะใช้ส่วนผสมที่เข้มข้นกว่า (อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่ต่ำกว่า) ในการผลิตผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ที่เย็นกว่า (โดยใช้การทำความเย็นแบบระเหย ) และเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้หัวกระบอกสูบร้อนเกินไป และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันการระเบิด

stoichiometricส่วนผสมสำหรับเครื่องยนต์เบนซินเป็นอัตราส่วนที่เหมาะของอากาศเชื้อเพลิงที่เผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่มีอากาศส่วนเกิน สำหรับเชื้อเพลิงน้ำมันเบนซินส่วนผสมของอากาศกับเชื้อเพลิงปริมาณสัมพันธ์อยู่ที่ประมาณ 14.7:1 กล่าวคือ สำหรับเชื้อเพลิงทุกๆ หนึ่งกรัม ต้องใช้อากาศ 14.7 กรัม สำหรับเชื้อเพลิงออกเทนบริสุทธิ์ปฏิกิริยาออกซิเดชันคือ:

รูปที่ 1 อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงทางทฤษฎีของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

รูปที่ 2 แสดงแก๊สพิษทั้ง 3 ชนิดของแต่ละช่วงอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

รูปที่ 3 แสดงกำลังและความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเทียบกับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

          อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงจากรูปที่  2 และ 3 สรุปอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงได้ดังต่อไปนี้             

          16 – 18 :1  ส่วนผสมจะบางทำให้ประหยัดเชื้อเพลิง มีแก๊สพิษต่ำ แต่กำลังงานจะต่ำลง

          12 – 13 : 1  ส่วนผสมจะหนาทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง แต่เป็นช่วงให้กำลังงานสูงสุด

          9 – 10 : 1  ส่วนผสมจะหนามากทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงมาก แก๊สพิษสูง

          จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงมีผลต่อแก๊สพิษ (Emission Gas) และสมรรถนะกำลังงานของเครื่องยนต์อย่างมาก นอกจากนี้แล้วขณะสตาร์ตและช่วงอุ่นเครื่องยนต์ขณะที่อุณหภูมิต่ำ ส่วนผสมมจะต้องหนาด้วยเช่นกัน  เครื่องยนต์รุ่นเก่าจะใช้คาร์บูเรเตอร์ทำหน้าที่จัดจ่ายส่วนผสมแต่เครื่องยนต์รุ่นใหม่ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์หรือ EFI (Electronic Fuel Injection) เพื่อต้องการปรับปรุงให้เครื่องยนต์สามารถทำงานได้ดียิ่งขึ้น พร้อมทั้งปล่อยแก๊สพิษออกมาต่ำ ลง และยังต้องมีอุปกรณ์ขจัดแก๊สพิษเพิ่มเติมเช่น เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาหรือ