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 aangeduid met de Griekse letter λ (lambda).

De aldus 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 drukt dus grondig het rijkheidsniveau van het mengsel uit. Elke brandstof heeft een andere hoeveelheid lucht nodig voor een perfecte verbranding.

Zo heeft 1 kg gewone autobenzine, afhankelijk van de samenstelling, ongeveer 14,7 kg lucht nodig voor volledige verbranding. Voor diesel is 15 tot 15,5 kg lucht nodig voor 1 kg brandstof. Dus als de perfecte verhouding tussen brandstof en lucht in het mengsel wordt gehandhaafd, zal de lucht-brandstofverhouding 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 perfecte verbranding van brandstof)
• Als het mengsel meer lucht λ > 1 bevat, wordt het mager genoemd ( bevat minder brandstof dan kan worden verbrand)
• Als het mengsel minder lucht λ < 1 bevat, 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 verschillen de vereisten voor de hoeveelheid geleverde brandstof.

Typische bedrijfsmodi van de motor waarbij de samenstelling van het mengsel aangepast moet worden zijn bijvoorbeeld:

• Koude start
• Koude motor
• Motor opwarmen
• Versnellen
• Vertragen
• Stationair draaien
• Airconditioning aan
• Vollast
• Hoogte

Effect van mengselsamenstelling op motorparameters:

Afhankelijk van de lucht-brandstofverhouding, onder dezelfde motoromstandigheden, zijn de volgende factoren van invloed:

• Brandstofverbruik
• Motorprestaties
• Hoeveelheid emissies
• Gelijkmatige werking van de motor
• Warmtebelasting 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 het.

De mengverhouding waarbij prestaties, emissies en verbruik de beste waarden bereiken, is uniek voor elke motor en bedrijfsmodus.

Verbranding van een stoichiometrisch mengsel:

In theorie zouden er geen emissies mogen optreden bij het verbranden van een stoichiometrisch mengsel. In de praktijk is de situatie echter anders. Door onvoldoende homogenisatie van de brandstof en de wisselwerking daarvan met andere stoffen (motorolie, onzuiverheden in de brandstof, invloed van stikstof uit de lucht) en de korte tijd waarin het verbrandingsproces moet plaatsvinden, treedt emissievorming op.

Aangezien de motoren van gewone auto's voornamelijk in deellast werken, zijn ze voor deze werking ontworpen, zodat ze in deze modus zo efficiënt mogelijk werken. Bij deze manier van werken 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 voldoen aan de emissielimieten, dus het gebruik van een stoichiometrisch mengsel (λ = 1) lijkt het meest geschikt, omdat dan de katalysator maximaal efficiënt is. De motor is dan ook het meest ecologisch.

Rijke mengselverbranding:

Bij het verbranden 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.

Relateret artikel - 

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 aan de kant, en performance wordt de belangrijkste parameter. Het mengsel wordt zo verrijkt (λ < 1) om de hoogst mogelijke motorprestaties te bereiken.

Magere mengselverbranding:

Het laagste verbruik wordt bereikt in de arm mengsel verbrandingsmodus; dus bereikt de lucht-brandstofverhouding de waarde (λ > 1). Bij een lage belasting van de motor zijn de prestaties niet interessant, dus de prioriteit ligt bij het brandstofverbruik.

In zo'n geval is het instellen van een licht arm mengsel (λ > 1), waarmee de grootste brandstofbesparing wordt behaald, de voor de hand liggende keuze voor deze modus.

Effect van mengselsamenstelling op motorcomponenten:

Een rijk mengsel heeft een aanzienlijk effect vanuit het oogpunt van motorbescherming, omdat de brandstof die niet verbrandt door verdamping de temperatuur uit de verbrandingskamer haalt en zo zorgt voor een effectieve koeling van de verbrandingskamer.

Het koeleffect neemt toe met de rijkdom van het mengsel, wat vooral belangrijk is voor extreem belaste motoren. Daarom wordt een rijk mengsel verbrand bij maximale motorbelasting.

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 wast, wat het risico op vastlopen van de zuiger vergroot. Bovendien verhoogt dit de vorming van koolstof, waarvan de afzettingen de afvoer van warmte uit de verbrandingskamer verhinderen.

Relateret artikel - 

Motorontploffing: wat is het en hoe voorkom je het?

Bij het verbranden van een mager 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 ontbranding door ontploffing.

Interne brandstofkoeling kan alleen worden gebruikt voor motoren met vonkontsteking omdat ze kunnen werken met een rijk mengsel vanwege een langere voorbereidingstijd (brandstof komt de cilinders binnen samen met lucht of wordt in de cilinder geïnjecteerd tijdens de inlaatslag).

In motoren met verbrandingsontsteking, waarbij brandstof in de cilinder wordt geïnjecteerd en de verbrandingsfase tegelijkertijd begint, zou een rijk mengsel dat niet goed vermengt met de lucht leiden tot overmatige rook. Dit betekent dat zelfs bij volledige belasting van de dieselmotor de lucht-brandstofverhouding slechts dicht bij het stoichiometrische mengsel ligt, zodat de hoogst mogelijke prestaties worden bereikt.

Lucht-brandstofcoëfficiënt λ: Wat betekenen de specifieke waarden?

• <0,5-de ondergrens van ontvlambaarheid (rijk mengsel), het mengsel van brandstof en lucht is niet meer ontvlambaar
• < 1 - rijk mengsel, gebrek aan lucht, verhoogd vermogen en koppel
• 0,9 - het hoogste koppel, goede motorwerking, slechter specifiek brandstofverbruik
• 0,9 tot 1,1 - theoretisch geschikt mengsel van brandstof en lucht
• >1 - mager mengsel, overtollige lucht, brandstofbesparing, zuinige werking
• 1,3 tot 1,5 - boven limiet 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 gelaagd mengsel

Over het algemeen brandt echter een goed functionerende motor bij de juiste temperatuur en belasting:

Dieselmotor - verbrandt een inhomogeen (gestratificeerd) mengsel met een grote overmaat aan lucht. Het mengsel is mager, bevat meer lucht dan bij een bepaalde hoeveelheid brandstof hoort, en de lucht-brandstofverhouding is dus λ > 1.

Benzinemotor met indirecte injectie - verbrandt een homogeen mengsel. De coëfficiënt van het luchtaandeel is λ = 1, en zo'n mengsel wordt stoichiometrisch genoemd.

Gasmotor met directe injectie - verbrandt homogeen maar niet-homogeen (gelaagd) mengsel. Een homogeen mengsel spuit tijdens de inlaatslag een brandstof λ = 1 dosis in de verbrandingskamer.

Een gelaagd mengsel injecteert brandstof in de wervelende lucht tijdens de compressieslag, waardoor een plaatselijk homogeen mengsel ontstaat in het bougiegebied. Er is echter een mager mengsel in de andere ruimtes van de cilinder en de lucht-brandstofcoëfficiënt is daarom λ > 1.

Video waarin Engineering Explained uitleg geeft over de lucht-brandstofverhouding: