Lucht-brandstofverhouding: welke invloed heeft dit op de motorprestaties?
Een lucht-brandstofverhouding is een dimensieloos getal dat de verhouding uitdrukt tussen de werkelijke hoeveelheid lucht in het mengsel en de theoretische hoeveelheid (stoichiometrische hoeveelheid) lucht die overeenkomt met de gebruikte brandstof. De coëfficiënt, in het Engels de Air-Fuel Ratio genoemd, wordt aangegeven met de Griekse letter λ (lambda).
De op deze manier gedefinieerde coëfficiënt wordt voornamelijk gebruikt op het gebied van verbrandingsmotoren, omdat het een noodzakelijke parameter is voor de bereiding van het mengsel. De lucht-brandstofverhouding geeft dus duidelijk de rijkdom van het mengsel weer. Elke brandstof heeft een andere hoeveelheid lucht nodig voor een perfecte verbranding.
Inhoud
- Volgens de lucht-brandstofverhouding kunnen we het verbrandingsmengsel verdelen in
- Effect van mengselsamenstelling op motorparameters
- Verbranding van een stoichiometrisch mengsel
- Rijke mengselverbranding
- Verbranding van mager mengsel
- Effect van mengselsamenstelling op motoronderdelen
- Lucht-brandstofcoëfficiënt λ: Wat betekenen de specifieke waarden?
Afhankelijk van de samenstelling heeft 1 kg gewone autobenzine bijvoorbeeld ongeveer 14,7 kg lucht nodig voor een volledige verbranding. Voor diesel is voor 1 kg brandstof 15 tot 15,5 kg lucht nodig. Als de perfecte verhouding tussen brandstof en lucht in het mengsel behouden blijft, zal de lucht-brandstofverhouding dus 1 bereiken (λ = 1). In zo’n geval spreken we van een stoichiometrisch mengsel.
Volgens de lucht-brandstofverhouding kunnen we het verbrandingsmengsel verdelen in:
- Als het mengsel precies de stoichiometrische hoeveelheid lucht λ = 1 bevat, wordt het stoichiometrisch genoemd (bevat de juiste verhouding lucht voor een perfecte verbranding van brandstof)
- Als het mengsel meer lucht λ > 1 bevat, wordt het arm genoemd ( bevat minder brandstof dan kan worden verbrand)
- Als het mengsel minder lucht bevat λ < 1, wordt het rijk genoemd (bevat meer brandstof dan kan worden verbrand)
Bij verschillende bedrijfsmodi van de motor veranderen echter de werkomstandigheden van de motor en dus de eisen aan de hoeveelheid toegevoerde brandstof.
Typische bedrijfsmodi van de motor waarbij de samenstelling van het mengsel moet worden aangepast zijn bijvoorbeeld:
- Koude start
- Koude motor
- Opwarmen van de motor
- Acceleratie
- Vertraging
- Stationair draaien
- Airconditioning aan
- Volle belasting
- Hoogte
Effect van mengselsamenstelling op motorparameters:
Afhankelijk van de lucht-brandstofverhouding worden, onder dezelfde motoromstandigheden, de volgende factoren beïnvloed:
- Brandstofverbruik
- Motorprestaties
- Hoeveelheid emissies
- Gelijkmatige werking van de motor
- Warmtebelasting van de motor
Al deze parameters zijn afhankelijk van de samenstelling van het mengsel. De werkelijke mengverhouding van het mengsel verschilt echter aanzienlijk van de theoretische. De temperatuur, het toerental en de belasting van de motor bepalen dit.
De mengverhouding waarbij prestaties, emissies en verbruik de beste waarden bereiken, is voor elke motor en bedrijfsmodus uniek.
Verbranding van een stoichiometrisch mengsel:
In theorie zouden er geen emissies moeten optreden bij het verbranden van een stoichiometrisch mengsel. In de praktijk is de situatie echter anders. Door onvoldoende homogenisering van de brandstof en de interactie daarvan met andere stoffen (motorolie, onzuiverheden in de brandstof, invloed van stikstof uit de lucht) en de korte tijd waarin het verbrandingsproces moet plaatsvinden, vindt er emissievorming plaats.
Omdat de motoren van gewone auto's voornamelijk bij gedeeltelijke belasting werken, zijn ze voor deze werking zo ontworpen dat hun werking in deze modus zo efficiënt mogelijk is. Bij deze werkwijze is het werken met een stoichiometrisch mengsel een geschikt compromis tussen prestatie, brandstofverbruik en de hoeveelheid geproduceerde emissies.
Bovendien moeten de motoren van hedendaagse auto's eerst aan de emissiegrenswaarden voldoen, dus het gebruik van een stoichiometrisch mengsel (λ = 1) lijkt het meest geschikt omdat de katalysator dan het maximale rendement heeft. De motor is dus het meest ecologisch.
Rijke mengselverbranding:
Bij de verbranding van een rijk mengsel vindt de verbranding sneller plaats en verlaagt de lucht-brandstofverhouding de maximale temperatuur door verdamping, wat zorgt voor interne koeling van de cilindergroep, wat het op zijn beurt mogelijk maakt om de compressieverhouding van de motor te verhogen.
Compressieverhouding: welk effect heeft het op de motor?
Hierdoor neemt het motorvermogen toe, maar tegelijkertijd neemt ook het verbruik toe, omdat niet alle brandstof perfect wordt verbrand en een deel van de energie ongebruikt blijft.
Alle andere parameters gaan in deze modus opzij en de prestaties worden de belangrijkste parameter. Het mengsel wordt zo verrijkt (λ < 1) om de hoogst mogelijke motorprestaties te bereiken.
Verbranding van mager mengsel:
Het laagste verbruik wordt bereikt bij de verbranding van het arme mengsel; aldus bereikt de lucht-brandstofverhouding de waarde (λ > 1). Wanneer de motor laag belast wordt, zijn de prestaties niet interessant, dus de prioriteit wordt het brandstofverbruik.
In zo’n geval is het instellen van een iets armer mengsel (λ > 1), waarmee de grootste brandstofbesparing wordt gerealiseerd, de duidelijke keuze voor deze modus.
Effect van mengselsamenstelling op motoronderdelen:
Een rijk mengsel heeft vanuit het oogpunt van motorbescherming een aanzienlijk effect, omdat de brandstof die niet verbrandt door verdamping de temperatuur uit de verbrandingskamer verwijdert, waardoor een effectieve koeling van de verbrandingskamer wordt gegarandeerd.
Het koeleffect neemt toe met de rijkdom van het mengsel, wat vooral belangrijk is voor extreem belaste motoren. Daarom wordt een rijk mengsel bij maximale motorbelasting verbrand.
Het is echter niet nodig om het te overdrijven met de rijkdom van het mengsel, omdat onverbrande brandstof de oliefilm van de wanden van de cilinders spoelt, waardoor het risico op vastlopen van de zuiger toeneemt. Bovendien verhoogt dit de vorming van koolstof, waarvan de afzettingen de afvoer van warmte uit de verbrandingskamer verhinderen.
Motorkloppingen: wat is het en hoe kunt u dit voorkomen?
Bij het verbranden van een arm mengsel bestaat het risico dat er geen interne koeling is, wat kan leiden tot thermische overbelasting van sommige motoronderdelen, bijvoorbeeld zuigers, kleppen en bougies. Hogere lokale temperaturen in de cilinder verhogen echter aanzienlijk het risico op detonatieverbranding.
Interne brandstofkoeling kan alleen worden gebruikt voor motoren met elektrische ontsteking, omdat deze kunnen werken met een rijk mengsel vanwege de langere bereidingstijd (brandstof komt samen met lucht de cilinders binnen of wordt tijdens de inlaatslag in de cilinder geïnjecteerd).
Bij motoren met verbrandingsontsteking, waarbij brandstof in de cilinder wordt geïnjecteerd en de verbrandingsfase tegelijkertijd begint, zou een rijk mengsel dat niet goed met de lucht mengt, tot overmatige rookvorming leiden. Dit betekent dat zelfs bij volledige belasting van de dieselmotor de lucht-brandstofverhouding slechts dicht bij het stoichiometrische mengsel ligt, waardoor de hoogst mogelijke prestaties worden bereikt.
Lucht-brandstofcoëfficiënt λ: Wat betekenen de specifieke waarden?
- <0,5-deondergrensvanontvlambaarheid(rijkmengsel),hetmengselvanbrandstofenluchtisnietlangerontvlambaar
- <1-rijkmengsel,gebrekaanlucht,verhoogdvermogenenkoppel
- 0,9-hethoogstekoppel,goedemotorwerking,slechterspecifiekbrandstofverbruik
- 0,9tot1,1-theoretischgeschiktmengselvanbrandstofenlucht
- >1 - arm mengsel, overtollige lucht, brandstofbesparing, zuinige werking
- 1,3 tot 1,5 - de bovenste grens van de ontvlambaarheid van het mengsel (arm mengsel), het mengsel van brandstof en lucht is niet meer ontvlambaar
- 1,6 tot 1,7 - de bovengrens van de ontvlambaarheid van het mengsel voor motoren met een gestratificeerd mengsel
Over het algemeen verbrandt een goed functionerende motor met de juiste temperatuur en belasting echter:
Dieselmotor - verbrandt een inhomogeen (gestratificeerd) mengsel met een grote overmaat aan lucht. Het mengsel is arm, bevat een groter luchtaandeel dan bij een bepaalde hoeveelheid brandstof hoort, en de lucht-brandstofverhouding is daarom λ > 1.
Benzinemotor met indirecte injectie - verbrandt een homogeen mengsel. De coëfficiënt van het aandeel lucht is λ = 1, en een dergelijk mengsel wordt stoichiometrisch genoemd.
Gasmotor met directe injectie - verbrandt een homogeen maar niet-homogeen (gelaagd) mengsel. Een homogeen mengsel injecteert tijdens de inlaatslag een dosis brandstof λ = 1 in de verbrandingskamer.
Een gelaagd mengsel injecteert tijdens de compressieslag brandstof in de wervelende lucht, waardoor er ter plaatse van de bougie een lokaal homogeen mengsel ontstaat. Er is echter een arm mengsel in de andere ruimtes van de cilinder en de lucht-brandstofcoëfficiënt is daarom λ > 1.