Stosunek powietrza do paliwa to bezwymiarowa liczba, która wyraża stosunek rzeczywistej ilości powietrza w mieszance do teoretycznej (stechiometrycznej ilości) powietrza odpowiadającej stosowanemu paliwu. Współczynnik, nazwany w języku angielskim jako Air-Fuel Ratio, jest oznaczony grecką literą λ (lambda).

Tak zdefiniowany współczynnik stosowany jest głównie w dziedzinie silników spalinowych, ponieważ jest parametrem niezbędnym do przygotowania mieszanki. Stosunek powietrzno-paliwowy dokładnie wyraża więc poziom bogactwa mieszanki. Każde paliwo potrzebuje innej ilości powietrza do idealnego spalania.

Na przykład, w zależności od składu, 1 kg zwykłej benzyny samochodowej wymaga około 14,7 kg powietrza do całkowitego spalenia. W przypadku oleju napędowego na 1 kg paliwa potrzeba od 15 do 15,5 kg powietrza. Zatem jeśli zachowany zostanie idealny stosunek paliwa do powietrza w mieszance, stosunek powietrza do paliwa osiągnie wartość 1 (λ = 1). W takim przypadku mówimy o mieszaninie stechiometrycznej.

Ze względu na stosunek powietrza do paliwa możemy podzielić spalaną mieszankę na:

• Jeśli mieszanka zawiera dokładnie stechiometryczną ilość powietrza λ = 1, nazywamy ją stechiometryczną (zawiera odpowiedni stosunek powietrza do doskonałego spalania paliwa)
• Jeśli mieszanka zawiera więcej powietrza λ > 1, nazywamy ją ubogą ( zawiera mniej paliwa niż można spalić)
• Jeśli mieszanka zawiera mniej powietrza λ < 1, nazywa się ją bogatą (zawiera więcej paliwa niż można spalić)

Jednak przy różnych trybach pracy silnika zmieniają się warunki pracy silnika, a co za tym idzie wymagania co do ilości podawanego paliwa są różne.

Typowe tryby pracy silnika, w których należy dostosować skład mieszanki to np.:

• Zimny ​​start
• Zimny ​​silnik
• Rozgrzewanie silnika
• Przyspieszanie
• Zwalnianie
• Bieg jałowy
• Klimatyzacja włączona
• Pełne obciążenie
• Wysokość

Wpływ składu mieszanki na parametry silnika:

W zależności od stosunku powietrza do paliwa, w tych samych warunkach pracy silnika, wpływa to na:

• Zużycie paliwa
• Osiągi silnika
• Ilość emisji
• Równomierność pracy silnika
• Obciążenie cieplne silnika

Wszystkie te parametry zależą od składu mieszanki. Jednak rzeczywisty stosunek mieszania mieszaniny znacznie różni się od teoretycznego. Decydują o tym temperatura, prędkość i obciążenie silnika.

Stosunek mieszanki, przy którym osiągi, emisje i zużycie paliwa osiągają najlepsze wartości, jest unikalny dla każdego silnika i trybu pracy.

Spalanie mieszanki stechiometrycznej:

Teoretycznie emisje nie powinny wystąpić podczas spalania mieszanki stechiometrycznej. W praktyce jednak sytuacja wygląda inaczej. Z powodu niedostatecznej homogenizacji paliwa i jego interakcji z innymi substancjami (olejem silnikowym, zanieczyszczeniami w paliwie, wpływem azotu z powietrza) oraz krótkim czasem, w jakim musi nastąpić proces spalania, dochodzi do powstawania emisji.

Ponieważ silniki zwykłych samochodów pracują głównie przy częściowym obciążeniu, są one przystosowane do tej pracy, aby ich praca była jak najbardziej wydajna w tym trybie. W tym trybie pracy praca na mieszance stechiometrycznej jest odpowiednim kompromisem pomiędzy osiągami, zużyciem paliwa i emisją spalin.

Ponadto silniki dzisiejszych samochodów muszą najpierw spełniać normy emisji spalin, dlatego zastosowanie mieszanki stechiometrycznej (λ = 1) wydaje się najbardziej odpowiednie, ponieważ wtedy katalizator osiąga maksymalną wydajność. Silnik jest więc najbardziej ekologiczny.

Spalanie bogatej mieszanki:

Przy spalaniu bogatej mieszanki spalanie odbywa się szybciej, a stosunek powietrza do paliwa obniża temperaturę maksymalną poprzez odparowanie, co zapewnia wewnętrzne chłodzenie grupy cylindrów, co z kolei umożliwia zwiększenie stopnia sprężania silnika.

Powiązany artykuł - 

Stopień sprężania: Jaki ma wpływ na silnik?

Dzięki temu zwiększa się moc silnika, ale jednocześnie wzrasta jego zużycie, ponieważ nie całe paliwo jest spalane idealnie, a część jego energii pozostaje niewykorzystana.

W tym trybie wszystkie inne parametry schodzą na drugi plan, a głównym parametrem staje się wydajność. Mieszanka jest w ten sposób wzbogacana (λ < 1), aby osiągnąć najwyższą możliwą wydajność silnika.

Spalanie ubogiej mieszanki:

Najniższe zużycie uzyskuje się w trybie spalania ubogiej mieszanki; tym samym stosunek powietrza do paliwa osiąga wartość (λ > 1). Kiedy silnik jest pod małym obciążeniem, osiągi nie są interesujące, więc priorytetem staje się zużycie paliwa.

W takim przypadku ustawienie lekko ubogiej mieszanki (λ > 1), która pozwala uzyskać największą oszczędność paliwa, jest oczywistym wyborem dla tego trybu.

Wpływ składu mieszanki na elementy silnika:

Bogata mieszanka ma znaczący wpływ z punktu widzenia ochrony silnika, ponieważ paliwo, które się nie pali, usuwa temperaturę z komory spalania poprzez swoje odparowanie, zapewniając tym samym skuteczne chłodzenie komory spalania.

Efekt chłodzenia wzrasta wraz z bogactwem mieszanki, co jest szczególnie ważne w przypadku bardzo obciążonych silników. Dlatego bogata mieszanka jest spalana przy maksymalnym obciążeniu silnika.

Nie należy jednak przesadzać z bogactwem mieszanki, ponieważ niespalone paliwo zmywa film olejowy ze ścianek cylindrów, co zwiększa ryzyko zatarcia tłoków. Dodatkowo zwiększa to tworzenie się węgla, którego osady uniemożliwiają odprowadzanie ciepła z komory spalania.

Powiązany artykuł - 

Spalanie stukowe: Co to jest i jak temu zapobiegać?

Podczas spalania ubogiej mieszanki istnieje ryzyko braku wewnętrznego chłodzenia, co może doprowadzić do przeciążenia termicznego niektórych elementów silnika, np. tłoków, zaworów, świec zapłonowych. Jednak wyższe lokalne temperatury w cylindrze znacznie zwiększają ryzyko spalania detonacyjnego.

Wewnętrzne chłodzenie paliwa może być stosowane tylko w silnikach z zapłonem iskrowym, ponieważ mogą pracować z bogatą mieszanką ze względu na dłuższy czas jej przygotowania (paliwo dostaje się do cylindrów razem z powietrzem lub jest wtryskiwane do cylindra podczas suwu ssania).

W silnikach o zapłonie samoczynnym, w których paliwo jest wtryskiwane do cylindra i jednocześnie rozpoczyna się faza spalania, bogata mieszanka, która nie miesza się dobrze z powietrzem, prowadziłaby do nadmiernego dymienia. Oznacza to, że nawet przy pełnym obciążeniu silnika wysokoprężnego stosunek powietrza do paliwa jest tylko zbliżony do składu mieszanki stechiometrycznej, aby osiągnąć najwyższą możliwą wydajność.

Współczynnik powietrzno-paliwowy λ: Co oznaczają poszczególne wartości?

• <0,5- dolna granica palności (bogata mieszanka), mieszanka paliwowo-powietrzna nie jest już zapalna
• < 1 - bogata mieszanka, brak powietrza, zwiększona moc i moment obrotowy
• 0,9 - najwyższy moment obrotowy, dobra praca silnika, gorsze jednostkowe zużycie paliwa
• 0,9 do 1,1 - mieszanka teoretycznie odpowiednia
• >1 - mieszanka uboga, nadmiar powietrza, oszczędność paliwa, ekonomiczna praca
• 1,3 do 1,5 - górna granica palności mieszanki (mieszanka uboga), mieszanka paliwowo-powietrzna nie jest już palna
• 1,6 do 1,7 - górna granica palności mieszanki dla silników z mieszanką warstwową

Jednak ogólnie rzecz biorąc, prawidłowo działający silnik przy prawidłowej temperaturze i obciążeniu pali się:

Silnik Diesla - spala niejednorodną (uwarstwioną) mieszankę z dużym nadmiarem powietrza. Mieszanka jest uboga, ma większy udział powietrza niż przy określonej ilości paliwa, a zatem stosunek powietrza do paliwa wynosi λ > 1.

Silnik benzynowy z wtryskiem pośrednim - spala jednorodną mieszankę. Współczynnik proporcji powietrza wynosi λ = 1, a taką mieszaninę nazywa się stechiometryczną.

Silnik gazowy z wtryskiem bezpośrednim - spala jednorodną, ​​ale niejednorodną (warstwową) mieszankę. Jednorodna mieszanka wtryskuje dawkę paliwa λ = 1 do komory spalania podczas suwu ssania.

Warstwowa mieszanka wtryskuje paliwo do zawirowanego powietrza podczas suwu sprężania, tworząc lokalnie jednorodną mieszankę w obszarze świecy zapłonowej. Jednak w innych przestrzeniach cylindra występuje uboga mieszanka, a zatem współczynnik powietrzno-paliwowy wynosi λ > 1.

Film, w którym Engineering Explained wyjaśnia stosunek powietrza do paliwa: