Un rapport air-carburant est un nombre sans dimension qui exprime le rapport entre la quantité réelle d'air dans le mélange et la quantité théorique (quantité stoechiométrique) d'air correspondant au carburant utilisé. Le coefficient, nommé en anglais Air-Fuel Ratio, est désigné par la lettre grecque λ (lambda).

Le coefficient ainsi défini est principalement utilisé dans le domaine des moteurs à combustion interne car c'est un paramètre nécessaire à la préparation du mélange. Le rapport air-carburant exprime donc parfaitement le niveau de richesse du mélange. Chaque combustible a besoin d'une quantité d'air différente pour sa parfaite combustion.

Par exemple, selon sa composition, 1 kg d'essence automobile ordinaire nécessite environ 14,7 kg d'air pour une combustion complète. Pour le diesel, 15 à 15,5 kg d'air sont nécessaires pour 1 kg de carburant. Ainsi, si le rapport parfait entre le carburant et l'air dans le mélange est maintenu, le rapport air-carburant atteindra 1 (λ = 1). Dans un tel cas, on parle de mélange stoechiométrique.

Selon le rapport air-carburant, nous pouvons diviser le mélange de combustion en :

• Si le mélange contient exactement la quantité stoechiométrique d'air λ = 1, il est dit stoechiométrique (contient le bon rapport d'air pour une combustion parfaite du carburant)
• Si le mélange contient plus d'air λ > 1, il est dit pauvre ( contient moins de combustible qu'il ne peut en brûler)
• Si le mélange contient moins d'air λ < 1, il est dit riche (contient plus de combustible qu'il ne peut en brûler)

Cependant, avec différents modes de fonctionnement du moteur, les conditions de fonctionnement du moteur changent et, par conséquent, les exigences relatives à la quantité de carburant fournie diffèrent.

Les modes de fonctionnement typiques du moteur dans lesquels la composition du mélange doit être ajustée sont par exemple :

• Démarrage à froid
• Moteur froid
• Réchauffement du moteur
• Accélération
• Décélération
• Ralenti
• Climatisation activée
• Pleine charge
• Altitude

Effet de la composition du mélange sur les paramètres du moteur :

Selon le rapport air-carburant, dans les mêmes conditions moteur, sont affectés :

• Consommation de carburant
• Performances du moteur
• Quantité d'émissions
• Uniformité du fonctionnement du moteur
• Charge thermique du moteur

Tous ces paramètres dépendent de la composition du mélange. Cependant, le rapport de mélange réel du mélange diffère considérablement du rapport théorique. La température, la vitesse et la charge du moteur le déterminent.

Le rapport de mélange auquel les performances, les émissions et la consommation atteignent les meilleures valeurs est unique pour chaque moteur et mode de fonctionnement.

Combustion d'un mélange stoechiométrique :

En théorie, les émissions ne devraient pas se produire lors de la combustion d'un mélange stoechiométrique. En pratique, cependant, la situation est différente. En raison de l'homogénéisation insuffisante du carburant et de son interaction avec d'autres substances (huile moteur, impuretés dans le carburant, influence de l'azote de l'air) et du court laps de temps pendant lequel le processus de combustion doit se produire, la formation d'émissions se produit.

Étant donné que les moteurs des voitures ordinaires fonctionnent principalement à charge partielle, ils sont conçus pour cette opération afin que leur fonctionnement soit le plus efficace possible dans ce mode. Dans ce mode de fonctionnement, travailler avec un mélange stoechiométrique est un bon compromis entre les performances, la consommation de carburant et la quantité d'émissions produites.

De plus, les moteurs des voitures d'aujourd'hui doivent d'abord respecter les limites d'émissions, c'est pourquoi l'utilisation d'un mélange stoechiométrique (λ = 1) semble être la plus appropriée car c'est à ce moment que le catalyseur a une efficacité maximale. Le moteur est donc le plus écologique.

Combustion en mélange riche :

Lors de la combustion d'un mélange riche, la combustion se déroule plus rapidement et le rapport air-carburant réduit la température maximale par évaporation, ce qui assure le refroidissement interne du groupe de cylindres, ce qui permet d'augmenter le taux de compression du moteur.

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Taux de compression : quel effet cela a-t-il sur le moteur ?

Grâce à cela, la puissance du moteur augmente, mais en même temps, sa consommation augmente également, car tout le carburant n'est pas parfaitement brûlé et une partie de son énergie reste inutilisée.

Tous les autres paramètres sont ignorés dans ce mode et performance devient le paramètre principal. Le mélange est ainsi enrichi (λ < 1) pour atteindre les performances moteur les plus élevées possibles.

Combustion en mélange pauvre :

La consommation la plus faible est obtenue en mode de combustion à mélange pauvre ; ainsi, le rapport air-carburant atteint la valeur (λ > 1). Lorsque le moteur est à faible charge, les performances ne sont pas intéressantes, la priorité devient donc la consommation de carburant.

Dans un tel cas, le réglage d'un mélange légèrement pauvre (λ > 1), qui permet d'obtenir les plus grandes économies de carburant, est le choix évident pour ce mode.

Effet de la composition du mélange sur les composants du moteur :

Un mélange riche a un effet significatif du point de vue de la protection du moteur, car le carburant qui ne brûle pas évacue la température de la chambre de combustion par son évaporation, assurant ainsi un refroidissement efficace de la chambre de combustion.

L'effet de refroidissement augmente avec la richesse du mélange, ce qui est particulièrement important pour les moteurs extrêmement sollicités. C'est pourquoi un mélange riche est brûlé à la charge maximale du moteur.

Cependant, il n'est pas nécessaire d'en faire trop avec la richesse du mélange, car le carburant imbrûlé lave le film d'huile des parois des cylindres, ce qui augmente le risque de grippage des pistons. De plus, cela augmente la formation de carbone dont les dépôts empêchent l'évacuation de la chaleur de la chambre de combustion.

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Détonation du moteur : qu'est-ce que c'est et comment l'empêcher ?

Lors de la combustion d'un mélange pauvre, il existe un risque d'absence de refroidissement interne, ce qui peut entraîner une surcharge thermique de certains composants du moteur, par exemple, les pistons, les soupapes et les bougies d'allumage. Cependant, des températures locales plus élevées dans le cylindre augmentent considérablement le risque de combustion par détonation.

Le refroidissement interne du carburant ne peut être utilisé que pour les moteurs à allumage commandé car ils peuvent fonctionner avec un mélange riche en raison d'un temps de préparation plus long (le carburant entre dans les cylindres avec l'air ou est injecté dans le cylindre pendant la course d'admission).

Dans les moteurs à allumage par combustion, où le carburant est injecté dans le cylindre, et la phase de combustion commence simultanément, un mélange riche qui ne se mélange pas bien avec l'air conduirait à une fumée excessive. Cela signifie que même à pleine charge du moteur diesel, le rapport air-carburant n'est que proche du mélange stoechiométrique, de sorte que les performances les plus élevées possibles sont atteintes.

Coefficient air-carburant λ : Que signifient les valeurs spécifiques ?

• <0,5-la limite inférieure d'inflammabilité (mélange riche), le mélange de carburant et d'air n'est plus inflammable
• < 1 - mélange riche, manque d'air, augmentation de la puissance et du couple
• 0,9 - le couple le plus élevé, bon fonctionnement du moteur, moins bonne consommation spécifique de carburant
• 0,9 à 1,1 - mélange de carburant et d'air théoriquement approprié
• >1 - mélange pauvre, excès d'air, économie de carburant, fonctionnement économique
• 1,3 à 1,5 - le plus élevé limite d'inflammabilité du mélange (mélange pauvre), le mélange de carburant et d'air n'est plus inflammable
• 1,6 à 1,7 - la limite supérieure d'inflammabilité du mélange pour les moteurs à mélange stratifié

Cependant, en général, un moteur fonctionnant correctement à la température et à la charge correctes brûle :

Moteur diesel - brûle un mélange inhomogène (stratifié) avec un fort excès d'air. Le mélange est pauvre, a une plus grande proportion d'air que ce qui appartiendrait à une certaine quantité de carburant, et le rapport air-carburant est donc λ > 1.

Moteur à essence à injection indirecte - brûle un mélange homogène. Le coefficient de la proportion d'air est λ = 1, et un tel mélange est appelé stoechiométrique.

Moteur à essence à injection directe - brûle un mélange homogène mais non homogène (en couches). Un mélange homogène injecte une dose de carburant λ = 1 dans la chambre de combustion pendant la course d'admission.

Un mélange stratifié injecte du carburant dans l'air tourbillonnant pendant la course de compression, créant un mélange localement homogène dans la zone de la bougie. Cependant, il y a un mélange pauvre dans les autres espaces du cylindre, et le coefficient air-carburant est donc λ > 1.

Vidéo dans laquelle Engineering Explained explique le rapport air-carburant :