Ilma-polttoainesuhde: Miten se vaikuttaa moottorin suorituskykyyn?
Ilma-polttoainesuhde on dimensioton luku, joka ilmaisee seoksen todellisen ilmamäärän ja käytettyä polttoainetta vastaavan teoreettisen ilmamäärän (stoikiometrisen määrän) välistä suhdetta. Kerroin, jota englanniksi kutsutaan ilma-polttoainesuhteeksi, on merkitty kreikkalaisella kirjaimella λ (lambda).
Tällä tavalla määriteltyä kerrointa käytetään pääasiassa polttomoottoreiden alalla, koska se on välttämätön parametri seoksen valmistuksessa. Ilma-polttoainesuhde kuvaa siis perusteellisesti seoksen rikkautta. Jokainen polttoaine tarvitsee eri määrän ilmaa täydelliseen palamiseensa.
Sisältö
Esimerkiksi 1 kg tavallista autobensiiniä vaatii koostumuksestaan riippuen noin 14,7 kg ilmaa täydelliseen palamiseen. Dieselissä tarvitaan 15-15,5 kg ilmaa 1 kg polttoainetta kohden. Näin ollen, jos seoksen polttoaineen ja ilman välinen täydellinen suhde säilyy, ilma-polttoainesuhde saavuttaa arvon 1 (λ = 1). Tässä tapauksessa puhutaan stoikiometrisestä seoksesta.
Ilma-polttoainesuhteen mukaan voimme jakaa palamisseoksen:
- Jos seos sisältää täsmälleen stökiömetrisen määrän ilmaa λ = 1, sitä kutsutaan stoikiometriseksi (sisältää oikean ilmasuhteen polttoaineen täydelliseen palamiseen)
- Jos seoksessa on enemmän ilmaa λ > 1, sitä kutsutaan laihaksi ( sisältää vähemmän polttoainetta kuin voidaan polttaa)
- Jos seoksessa on vähemmän ilmaa λ < 1, sitä kutsutaan rikkaaksi (sisältää enemmän polttoainetta kuin voidaan polttaa)
Moottorin eri toimintatiloissa moottorin käyttöolosuhteet kuitenkin muuttuvat ja siten vaatimukset syötettävälle polttoainemäärälle vaihtelevat.
Tyypillisiä moottorin toimintatiloja, joissa seoksen koostumusta on säädettävä, ovat esimerkiksi:
- Kylmäkäynnistys
- Kylmä moottori
- Moottorin lämmitys
- Kiihdytys
- Hidastus
- Tyhjäkäynti
- Ilmastointi päällä
- Täysi kuorma
- Korkeus
Seoksen koostumuksen vaikutus moottorin parametreihin:
Ilma-polttoainesuhteesta riippuen samoissa moottoriolosuhteissa vaikuttavat seuraavat asiat:
- Polttoaineen kulutus
- Moottorin suorituskyky
- Päästöjen määrä
- Moottorin toiminnan tasaisuus
- Moottorin lämpökuormitus
Kaikki nämä parametrit riippuvat seoksen koostumuksesta. Seoksen todellinen sekoitussuhde eroaa kuitenkin merkittävästi teoreettisesta. Moottorin lämpötila, nopeus ja kuormitus määräävät sen.
Seossuhde, jolla suorituskyky, päästöt ja kulutus saavuttavat parhaat arvot, on ainutlaatuinen kullekin moottorille ja käyttötavalle.
Stökiömetrisen seoksen poltto:
Teoriassa päästöjä ei pitäisi syntyä poltettaessa stoikiometristä seosta. Käytännössä tilanne on kuitenkin toinen. Polttoaineen riittämättömästä homogenisoitumisesta ja sen vuorovaikutuksesta muiden aineiden kanssa (moottoriöljy, polttoaineen epäpuhtaudet, ilmasta tulevan typen vaikutus) ja palamisprosessin lyhyestä ajasta johtuen syntyy päästöjä.
Koska tavallisten autojen moottoreita käytetään pääosin osakuormalla, ne on suunniteltu tähän toimintaan siten, että niiden toiminta on mahdollisimman tehokasta tässä tilassa. Tässä toimintatavassa työskentely stoikiometrisen seoksen kanssa on sopiva kompromissi suorituskyvyn, polttoaineen kulutuksen ja päästöjen määrän välillä.
Lisäksi nykyajan autojen moottoreiden on ensin täytettävä päästörajat, joten stoikiometrisen seoksen (λ = 1) käyttö näyttää sopivimmalta, koska silloin katalysaattorilla on maksimaalinen hyötysuhde. Moottori on siksi ekologisin.
Rikas seoksen palaminen:
Poltettaessa rikasta seosta palaminen tapahtuu nopeammin ja ilma-polttoainesuhde laskee maksimilämpötilaa haihduttamalla, mikä varmistaa sylinteriryhmän sisäisen jäähdytyksen, mikä puolestaan mahdollistaa moottorin puristussuhteen lisäämisen.
Puristussuhde: Mikä vaikutus sillä on moottoriin?
Tämän ansiosta moottorin teho kasvaa, mutta samalla myös sen kulutus kasvaa, koska kaikki polttoaine ei pala täydellisesti ja osa sen energiasta jää käyttämättä.
Kaikki muut parametrit jäävät sivuun tässä tilassa, ja suorituskyvystä tulee pääparametri. Seosta rikastetaan siten (λ < 1) parhaan mahdollisen moottorin suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Laihaan seoksen palaminen:
Pienin kulutus saavutetaan laihaan seoksen polttotilassa; siten ilma-polttoainesuhde saavuttaa arvon (λ > 1). Kun moottori on alhaisella kuormituksella, suorituskyky ei ole kiinnostava, joten etusijalle tulee polttoaineen kulutus.
Tässä tapauksessa hieman laihaan seoksen asettaminen (λ > 1), jolla saavutetaan suurimmat polttoainesäästöt, on selkeä valinta tälle käytölle.
Seoksen koostumuksen vaikutus moottorin osiin:
Rikkaalla seoksella on moottorinsuojan kannalta merkittävä vaikutus, koska palamaton polttoaine poistaa haihtumisensa kautta lämpötilaa palotilasta ja varmistaa siten palotilan tehokkaan jäähdytyksen.
Jäähdytysvaikutus lisääntyy seoksen rikkauden myötä, mikä on erityisen tärkeää erittäin rasituneissa moottoreissa. Tästä syystä rikas seos poltetaan moottorin suurimmalla kuormituksella.
Seoksen runsauden kanssa ei kuitenkaan kannata liioitella, koska palamaton polttoaine huuhtoo öljykalvon sylintereiden seinämistä, mikä lisää männän kiinnitartunnan riskiä. Lisäksi tämä lisää hiilen muodostumista, jonka kerrostumat estävät lämmön poistumisen polttokammiosta.
Moottorin nakuttaminen: mikä se on ja kuinka estää se?
Laihaa seosta poltettaessa on olemassa riski sisäisen jäähdytyksen puuttumisesta, mikä voi johtaa joidenkin moottorin osien, kuten mäntien, venttiilien ja sytytystulppien, termiseen ylikuormitukseen. Korkeammat paikalliset lämpötilat sylinterissä lisäävät kuitenkin merkittävästi räjähdyspalamisriskiä.
Sisäistä polttoaineen jäähdytystä voidaan käyttää vain kipinäsytytysmoottoreissa, koska ne voivat toimia rikkaan seoksen kanssa sen pidemmän valmistusajan vuoksi (polttoaine tulee sylintereihin ilman kanssa tai ruiskutetaan sylinteriin imuiskun aikana).
Polttosytytysmoottoreissa, joissa polttoainetta ruiskutetaan sylinteriin ja palamisvaihe alkaa samanaikaisesti, rikas seos, joka ei sekoitu hyvin ilman kanssa, johtaisi liialliseen savuun. Tämä tarkoittaa, että jopa dieselmoottorin täydellä kuormituksella ilma-polttoainesuhde on vain lähellä stoikiometristä seosta, jotta saavutetaan paras mahdollinen suorituskyky.
Ilma-polttoainekerroin λ: Mitä erityisarvot tarkoittavat?
- <0,5-syttyvyydenalaraja(rikasseos),polttoaineenjailmanseoseioleenääsyttyvä
- <1-rikasseos,ilmanpuute,lisääntynyttehojavääntömomentti
- 0,9-suurinvääntömomentti,hyvämoottorintoiminta,huonompiominaiskulutus
- 0,9-1,1-teoriassasopivapolttoaineenjailmanseos
- >1 - laiha seos, ylimääräinen ilma, polttoaineen säästö, taloudellinen käyttö
- 1,3 - 1,5 - ylempi seoksen syttymisraja (laiha seos), polttoaineen ja ilman seos ei ole enää syttyvä
- 1,6 - 1,7 - seoksen syttyvyyden yläraja moottoreille, joissa on kerrostettu seos
Yleensä kuitenkin oikein toimiva moottori oikealla lämpötilalla ja kuormituksella palaa:
Dieselmoottori - polttaa epähomogeenisen (kerroksisen) seoksen suurella ilmaylimäärällä. Seos on laihaa, siinä on suurempi osuus ilmaa kuin tietty määrä polttoainetta kuuluisi ja ilma-polttoainesuhde on siten λ > 1.
Bensiinimoottori epäsuoralla ruiskutuksella - polttaa homogeenisen seoksen. Ilman osuuden kerroin on λ = 1, ja tällaista seosta kutsutaan stoikiometriseksi.
Kaasumoottori suoraruiskutuksella - polttaa homogeenista, mutta epähomogeenista (kerroksista) seosta. Homogeeninen seos ruiskuttaa polttoainetta λ = 1 annos polttokammioon imuiskun aikana.
Kerrostunut seos ruiskuttaa polttoainetta pyörteiseen ilmaan puristustahdin aikana ja muodostaa paikallisesti homogeenisen seoksen sytytystulpan alueelle. Sylinterin muissa tiloissa on kuitenkin laihaa seosta ja ilma-polttoainekerroin on siksi λ > 1.