वायु-ईंधन अनुपात

वायु-ईंधन अनुपात (एएफआर) एक दहन प्रक्रिया में उपस्थित ठोस, तरल या गैसीय ईंधन के लिए वायु का द्रव्यमान अनुपात है। दहन एक नियंत्रित विधि से हो सकता है जैसे आंतरिक दहन इंजन या औद्योगिक भट्टी में, या इसके परिणामस्वरूप विस्फोट भी हो सकता है (उदाहरण के लिए, धूल विस्फोट, गैस विस्फोट या वाष्प विस्फोट या थर्मोबारिक हथियार में विस्फोट)।

वायु-ईंधन अनुपात यह निर्धारित करता है कि कोई मिश्रण दहनशील है या नहीं, यदि है तो उससे कितनी ऊर्जा जारी की जा रही है, और प्रतिक्रिया में कितने अवांछित प्रदूषक उत्पन्न होते हैं। सामान्यतः ईंधन में वायु के अनुपात की एक श्रृंखला उपस्थित होती है, जिसके बाहर प्रज्वलन नहीं होगा। इन्हें निचली और ऊपरी विस्फोटक सीमा के रूप में जाना जाता है।

एक आंतरिक दहन इंजन या औद्योगिक भट्टी में, वायु-ईंधन अनुपात प्रदूषण-विरोधी और प्रदर्शन-ट्यूनिंग कारणों के लिए एक महत्वपूर्ण उपाय है। यदि पूरे ईंधन को पूरी तरह से जलाने के लिए पर्याप्त वायु प्रदान की जाती है, तो अनुपात को स्टोइकियोमेट्रिक मिश्रण के रूप में जाना जाता है, जिसे अधिकांश स्टोइच के रूप में संक्षिप्त किया जाता है। स्टोइकीओमेट्रिक से कम अनुपात समृद्ध माने जाते हैं। समृद्ध मिश्रण कम कुशल होते हैं, लेकिन अधिक शक्ति उत्पन्न कर सकते हैं और कूलर जला सकते हैं। स्टोइकोमेट्रिक से अधिक अनुपात को लीन माना जाता है। लीन मिश्रण अधिक कुशल होते हैं लेकिन उच्च तापमान का कारण बन सकते हैं, जिससे नाइट्रोजन ऑक्साइड का निर्माण हो सकता है। कुछ इंजनों को लीन बर्न की अनुमति देने के लिए सुविधाओं के साथ डिज़ाइन किया गया है। त्रुटिहीन वायु-ईंधन अनुपात की गणना के लिए, दहन वायु की ऑक्सीजन सामग्री को अलग-अलग ऊंचाई या सेवन वायु के तापमान के कारण अलग-अलग वायु घनत्व, परिवेश जल वाष्प द्वारा संभावित कमजोर पड़ने या ऑक्सीजन के अतिरिक्त संवर्धन के कारण निर्दिष्ट किया जाना चाहिए।

आंतरिक दहन इंजन

सिद्धांत रूप में, एक स्टोइकियोमेट्रिक मिश्रण में उपलब्ध ईंधन को पूरी तरह से जलाने के लिए पर्याप्त वायु होती है। व्यवहार में, यह मुख्य रूप से प्रत्येक दहन चक्र के लिए एक आंतरिक दहन इंजन में उपलब्ध बहुत कम समय के कारण पूरी तरह से प्राप्त नहीं होता है।

अधिकांश दहन प्रक्रिया प्रति मिनट 6000 घूर्णन की इंजन गति पर लगभग 2 मिलीसेकंड में पूरी होती है। (100 चक्कर प्रति सेकंड; क्रैंकशाफ्ट की प्रति घूर्णन 10 मिलीसेकंड। चार स्ट्रोक इंजन के लिए प्रत्येक पिस्टन स्ट्रोक के लिए 5 मिलीसेकंड और एक चार स्ट्रोक, 720 डिग्री चक्र (ओटो चक्र) को पूरा करने के लिए 20 मिलीसेकंड का औसत होगा। यह वह समय है जो स्पार्क प्लग के प्रज्वलन से समाप्त हो जाता है जब तक कि ईंधन-वायु मिश्रण का 90% दहन नहीं हो जाता है, सामान्यतः बाद में लगभग 80 डिग्री क्रैंकशाफ्ट घूर्णन होता है। और उत्प्रेरक परिवर्तक को सबसे अच्छा काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जब उनके माध्यम से निकलने वाली निकास गैसें लगभग पूर्ण दहन का परिणाम होती हैं।

एक पूरी तरह से स्टोइकियोमेट्रिक मिश्रण बहुत गर्म जलता है और इंजन के घटकों को हानि पहुंचा सकता है यदि इंजन को इस ईंधन-वायु मिश्रण पर उच्च भार के अनुसार रखा जाता है। इस मिश्रण में उच्च तापमान के कारण ईंधन-वायु मिश्रण का विस्फोट उच्च भार (दस्तक या पिंगिंग के रूप में संदर्भित) विशेष रूप से "पूर्व-विस्फोट" घटना स्पार्क-इग्निशन इंजन मॉडल के संदर्भ में उच्च भार के अनुसार अधिकतम सिलेंडर दबाव के निकट या उसके तुरंत बाद संभव है। इस प्रकार के विस्फोट से इंजन को गंभीर क्षति हो सकती है क्योंकि ईंधन-वायु मिश्रण के अनियंत्रित जलने से सिलेंडर में बहुत अधिक दबाव उत्पन्न हो सकता है। परिणामस्वरूप, स्टोइकियोमेट्रिक मिश्रण का उपयोग केवल प्रकाश से निम्न-मध्यम लोड स्थितियों में किया जाता है। त्वरण और उच्च लोड स्थितियों के लिए, एक समृद्ध मिश्रण (वायु-ईंधन अनुपात कम) का उपयोग कूलर दहन उत्पादों (जिससे बाष्पीकरणीय शीतलन का उपयोग किया जाता है) का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, और इसलिए सिलेंडर सिर के अति ताप से बचें, और इस प्रकार विस्फोट को रोकें।

इंजन प्रबंधन प्रणाली

पेट्रोल इंजन के लिए स्टोइकियोमेट्रिक मिश्रण वायु से ईंधन का आदर्श अनुपात है जो बिना किसी अतिरिक्त वायु के सभी ईंधन को जला देता है। गैसोलीन ईंधन के लिए, स्टोइकियोमेट्रिक वायु-ईंधन मिश्रण लगभग 14.7:1 है यानी प्रति एक ग्राम ईंधन के लिए 14.7 ग्राम वायु की आवश्यकता होती है। शुद्ध ओकटाइन ईंधन के लिए, ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया है:

25 O₂ + 2 C₈H₁₈ → 16 CO₂ + 18 H₂O + ऊर्जा

14.7:1 से अधिक के किसी भी मिश्रण को लीन बर्न माना जाता है; 14.7:1 से कम कोई भी एक समृद्ध मिश्रण है - सही (आदर्श) परीक्षण ईंधन (केवल एन-हेपटैन और आइसो-ऑक्टेन से युक्त गैसोलीन) दिया जाता है। वास्तविक में, अधिकांश ईंधन में हेप्टेन, ऑक्टेन, मुट्ठी भर अन्य हाइड्रोकार्बन, साथ ही डिटर्जेंट सहित एडिटिव्स, और संभवतः एमटीबीई (मिथाइल टर्ट-ब्यूटाइल ईथर) या इथेनॉल / मेथनॉल जैसे ऑक्सीजनेटर्स का संयोजन होता है। ये यौगिक सभी स्टोइकियोमेट्रिक अनुपात को बदल देते हैं, और अधिकांश योजक अनुपात को नीचे की ओर धकेलते हैं (ऑक्सीजनेटर तरल रूप में दहन की घटना के लिए अतिरिक्त ऑक्सीजन लाते हैं जो दहन के समय जारी किया जाता है; एमटीबीई से भरे ईंधन के लिए, एक स्टोइकोमेट्रिक अनुपात 14.1:1 जितना कम हो सकता है)। वाहन जो ईंधन से वायु अनुपात (लैम्ब्डा नियंत्रण) को नियंत्रित करने के लिए प्राणवायु संवेदक या अन्य फीडबैक लूप का उपयोग करते हैं, निकास गैस संरचना को मापकर और ईंधन की मात्रा को नियंत्रित करके ईंधन की स्टोइकोमेट्रिक दर में इस परिवर्तन के लिए स्वचालित रूप से क्षतिपूर्ति करते हैं। इस प्रकार के नियंत्रण के बिना वाहनों (जैसे कि हाल ही में अधिकांश मोटरसाइकिलें, और 1980 के दशक के मध्य से पहले की कारें) को कुछ ईंधन मिश्रणों (विशेष रूप से कुछ क्षेत्रों में उपयोग किए जाने वाले शीतकालीन ईंधन) को चलाने में कठिनाई हो सकती है और क्षतिपूर्ति के लिए विभिन्न कैब्युरटर जेट्स की आवश्यकता हो सकती है (या अन्यथा ईंधन अनुपात बदल दिया जाता है) । ऑक्सीजन सेंसर का उपयोग करने वाले वाहन वायु-ईंधन अनुपात मीटर के साथ वायु-ईंधन अनुपात की निगरानी कर सकते हैं।

अन्य प्रकार के इंजन

विशिष्ट वायु से प्राकृतिक गैस दहन बर्नर में, अनुपात नियंत्रण सुनिश्चित करने के लिए एक डबल-क्रॉस सीमा रणनीति कार्यरत है। (द्वितीय विश्व युद्ध में इस पद्धति का उपयोग किया गया था)। इस रणनीति में विपरीत प्रवाह प्रतिक्रिया को संबंधित गैस (वायु या ईंधन) के सीमित नियंत्रण में जोड़ना सम्मिलित है। यह स्वीकार्य मार्जिन के अन्दर अनुपात नियंत्रण का आश्वासन देता है।

प्रयुक्त अन्य शब्द

आंतरिक दहन इंजनों में वायु और ईंधन के मिश्रण पर चर्चा करते समय सामान्यतः अन्य शब्दों का उपयोग किया जाता है।

मिश्रण

मिश्रण प्रमुख शब्द है जो विमानन दुनिया में प्रशिक्षण ग्रंथों, संचालन नियमावली और रखरखाव नियमावली में दिखाई देता है।

वायु-ईंधन अनुपात वायु के 'द्रव्यमान' और किसी भी समय ईंधन-वायु मिश्रण में ईंधन के द्रव्यमान के बीच का अनुपात है। द्रव्यमान उन सभी घटकों का द्रव्यमान है जो ईंधन और वायु का निर्माण करते हैं, चाहे वह ज्वलनशील हो या नहीं। उदाहरण के लिए, प्राकृतिक गैस के द्रव्यमान की गणना - जिसमें अधिकांश कार्बन डाइऑक्साइड (CO
₂), नाइट्रोजन (N
₂), और विभिन्न एल्केन्स - m_fuel के मान को निर्धारित करने में कार्बन डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन और सभी अल्केन्स का द्रव्यमान सम्मिलित है।

शुद्ध ऑक्टेन के लिए स्टोइकीओमेट्रिक मिश्रण लगभग 15.1:1 या 1.00 का λ है।

ऑक्टेन द्वारा संचालित स्वाभाविक रूप से एस्पिरेटेड इंजनों में, अधिकतम शक्ति अधिकांश 12.5 से 13.3:1 या 0.850 से 0.901 के λ के एएफआर पर पहुंच जाती है।

12:1 के वायु-ईंधन अनुपात को अधिकतम उत्पादन अनुपात माना जाता है, जबकि 16:1 के वायु-ईंधन अनुपात को अधिकतम ईंधन अर्थव्यवस्था अनुपात माना जाता है।

ईंधन-वायु अनुपात (एफएआर)

ईंधन-वायु अनुपात सामान्यतः गैस टर्बाइन उद्योग के साथ-साथ आंतरिक दहन इंजन के सरकारी अध्ययनों में उपयोग किया जाता है, और वायु में ईंधन के अनुपात को संदर्भित करता है।

$\mathrm {FAR} ={\frac {1}{\mathrm {AFR} }}$

वायु-ईंधन तुल्यता अनुपात (λ)

वायु-ईंधन तुल्यता अनुपात, λ (लैम्ब्डा), किसी दिए गए मिश्रण के लिए वास्तविक एएफआर और स्टोइकोमेट्री का अनुपात है। λ = 1.0 स्टोइकोमेट्री, समृद्ध मिश्रण λ < 1.0, और लीन मिश्रण λ > 1.0 पर है।

λ और एएफआर के बीच सीधा संबंध है। किसी दिए गए λ से एएफआर की गणना करने के लिए, उस ईंधन के लिए मापे गए λ को स्टोइकोमीट्रिक एएफआर से गुणा करें। और वैकल्पिक रूप से, एएफआर से λ पुनर्प्राप्त करने के लिए, एएफआर को उस ईंधन के स्टोइकोमेट्रिक एएफआर द्वारा विभाजित करें। यह अंतिम समीकरण अधिकांश λ की परिभाषा के रूप में प्रयोग किया जाता है:

$\lambda ={\frac {\mathrm {AFR} }{\mathrm {AFR} _{\text{stoich}}}}$

क्योंकि आम ईंधन की संरचना मौसमी रूप से भिन्न होती है, और क्योंकि ट्यूनिंग करते समय कई आधुनिक वाहन विभिन्न ईंधन को संभाल सकते हैं, एएफआर के अतिरिक्त λ मूल्यों के बारे में बात करना अधिक समझ में आता है।

अधिकांश व्यावहारिक एएफआर डिवाइस वास्तविक में निकास गैस में अवशिष्ट ऑक्सीजन (दुबले मिश्रण के लिए) या असंतुलित हाइड्रोकार्बन (समृद्ध मिश्रण के लिए) की मात्रा को मापते हैं।

ईंधन-वायु तुल्यता अनुपात (ϕ)

किसी सिस्टम के ईंधन-वायु तुल्यता अनुपात, ϕ (phi), को ईंधन-से-ऑक्सीडाइज़र अनुपात और स्टोइकियोमेट्रिक ईंधन-से-ऑक्सीडाइज़र अनुपात के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। गणितीय रूप से,

$\phi ={\frac {\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}}{({\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}$

जहाँ m द्रव्यमान का प्रतिनिधित्व करता है, n कई मोल्स का प्रतिनिधित्व करता है, सबस्क्रिप्ट सेंट स्टोइकोमेट्रिक स्थितियों के लिए खड़ा होता है।

ईंधन-ऑक्सीडाइज़र अनुपात पर तुल्यता अनुपात का उपयोग करने का लाभ यह है कि यह ईंधन और ऑक्सीडाइज़र के द्रव्यमान और मोलर मानों दोनों को ध्यान में रखता है (और इसलिए स्वतंत्र है)। उदाहरण के लिए, एक मोल इथेन (C
₂H
₆) और ऑक्सीजन का एक मोल (O
₂) के मिश्रण पर विचार करें। ईंधन और वायु के द्रव्यमान के आधार पर इस मिश्रण का ईंधन-ऑक्सीकारक अनुपात है

${\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375$

और ईंधन और वायु के मोल्स की संख्या के आधार पर इस मिश्रण का ईंधन-ऑक्सीकारक अनुपात है

${\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1$

स्पष्ट रूप से दो मान समान नहीं हैं। तुल्यता अनुपात के साथ इसकी तुलना करने के लिए, हमें ईथेन और ऑक्सीजन मिश्रण के ईंधन-ऑक्सीडाइज़र अनुपात को निर्धारित करने की आवश्यकता है। इसके लिए हमें ईथेन और ऑक्सीजन की स्टोइकोमेट्रिक प्रतिक्रिया पर विचार करने की आवश्यकता है,

C₂H₆ + 7⁄2 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O

यह देता है

$({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268$

$({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286$

इस प्रकार हम दिए गए मिश्रण का तुल्यता अनुपात निर्धारित कर सकते हैं

$\phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5$

या, समकक्ष, के रूप में

$\phi ={\frac {n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}}{\left(n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {1}{0.286}}=3.5$

तुल्यता अनुपात का उपयोग करने का एक अन्य लाभ यह है कि एक से अधिक अनुपात का हमेशा अर्थ होता है कि पूर्ण दहन (स्टोइकोमेट्रिक प्रतिक्रिया) के लिए आवश्यक ईंधन-ऑक्सीडाइज़र मिश्रण में अधिक ईंधन है, चाहे ईंधन और ऑक्सीडाइज़र का उपयोग किया जा रहा हो - जबकि एक से कम अनुपात मिश्रण में ईंधन की कमी या समान रूप से अधिक ऑक्सीडाइज़र का प्रतिनिधित्व करता है। यह स्थिति नहीं है यदि कोई ईंधन-ऑक्सीडाइज़र अनुपात का उपयोग करता है, जो विभिन्न मिश्रणों के लिए अलग-अलग मान लेता है।

ईंधन-वायु तुल्यता अनुपात वायु-ईंधन तुल्यता अनुपात (पहले परिभाषित) से संबंधित है:

$\phi ={\frac {1}{\lambda }}$

मिश्रण अंश

Further information: मिश्रण अंश

ऑक्सीजन संवर्धन और ईंधन कमजोर पड़ने की सापेक्ष मात्रा को मिश्रण अंश, Z, के रूप में परिभाषित किया जा सकता है

$Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]$,

जहाँ पर

$s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}$,

Y_F,0 और Y_O,0 इनलेट में ईंधन और ऑक्सीडाइज़र द्रव्यमान अंशों का प्रतिनिधित्व करते हैं, W_F और W_O प्रजातियां आणविक भार हैं, और V_F और V_O क्रमशः ईंधन और ऑक्सीजन स्टोइकोमेट्रिक गुणांक हैं। रससमीकरणमितीय मिश्रण अंश है

$Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]$

रससमीकरणमितीय मिश्रण अंश समीकरणों द्वारा λ (लैम्ब्डा) और ϕ (फाई) से संबंधित है

$Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}$,

यह सोचते हैं

$\mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}$

प्रतिशत अतिरिक्त दहन वायु

आदर्श स्टोइकोमेट्री

औद्योगिक रूप से चलने वाले औद्योगिक भट्टी में, बिजली संयंत्र भाप जनरेटर, और बड़े गैस से चलने वाले टर्बाइनों में, अधिक सामान्य शब्द प्रतिशत अतिरिक्त दहन हवा और प्रतिशत स्टोइकियोमेट्रिक हवा हैं। उदाहरण के लिए, 15 प्रतिशत अतिरिक्त दहन वायु का अर्थ है कि आवश्यक स्टोइकियोमेट्रिक वायु (या 115 प्रतिशत स्टोइकियोमेट्रिक वायु) से 15 प्रतिशत अधिक उपयोग किया जा रहा है।

एक दहन नियंत्रण बिंदु को ऑक्सीकरण एजेंट में प्रतिशत अतिरिक्त वायु (या ऑक्सीजन) निर्दिष्ट करके या दहन उत्पाद में प्रतिशत ऑक्सीजन निर्दिष्ट करके परिभाषित किया जा सकता है। और दहन गैस में प्रतिशत ऑक्सीजन को मापने के लिए एक वायु-ईंधन अनुपात मीटर का उपयोग किया जा सकता है, जिससे प्रतिशत अतिरिक्त ऑक्सीजन की गणना स्टोइकोमेट्री और ईंधन दहन के लिए द्रव्यमान संतुलन से की जा सकती है। उदाहरण के लिए, प्रोपेन के लिए (C
₃H
₈) रससमीकरणमितीय और 30 प्रतिशत अतिरिक्त वायु के बीच दहन (AFR_mass 15.58 और 20.3 के बीच), प्रतिशत अतिरिक्त वायु और प्रतिशत ऑक्सीजन के बीच संबंध है:

${\begin{aligned}\mathrm {Mass\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1433(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.214(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\\\mathrm {Volume\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1208(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.186(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\end{aligned}}$

यह भी देखें

• एडियाबेटिक लौ तापमान
• एएफआर सेंसर
• वायु-ईंधन अनुपात मीटर
• मास फ्लो सेंसर
• दहन
• स्टोइकियोमेट्री#सामान्य ईंधनों का स्टोइकीओमीट्रिक वायु-से-ईंधन अनुपात| सामान्य ईंधनों का स्टोइकियोमेट्रिक वायु-से-ईंधन अनुपात

बाहरी कड़ियाँ

• HowStuffWorks: fuel injection, catalytic converter
• University of Plymouth: Engine Combustion primer
• Kamm, Richard W. "Mixed Up About Fuel Mixtures?". Aircraft Maintenance Technology (February 2002). Archived from the original on 2010-11-20. Retrieved 2009-03-18.