空燃比

空燃比( AFR ) は、燃焼プロセス中に存在する固体、液体、または気体の燃料に対する空気の質量比です。燃焼は、内燃機関や工業炉などで制御された状態で発生する場合もあれば、爆発 (例:粉塵爆発) を引き起こす場合もあります。空燃比によって、混合物がそもそも可燃性かどうか、放出されるエネルギーの量、反応中に生成される望ましくない汚染物質の量が決まります。通常、空燃比の範囲があり、その範囲外では発火は発生しません。これらは爆発下限値と爆発上限値として知られています。

内燃機関や工業炉では、空気と燃料の比は、汚染防止や性能調整の理由から重要な尺度です。燃料を完全に燃焼させるのに十分な空気が正確に供給される場合 (ストイキオメトリック燃焼)、その比は スト イキオメトリック混合気と呼ばれ、しばしばストイキと略されます。ストイキオメトリックよりも低い比率 (燃料が過剰) は「濃い」と見なされます。濃い混合気は効率が悪いですが、より多くのパワーを生み出し、より低温で燃焼する可能性があります。ストイキオメトリックよりも高い比率 (空気が過剰) は「薄い」と見なされます。薄い混合気はより効率的ですが、温度が高くなり、窒素酸化物の形成につながる可能性があります。一部のエンジンは、リーンバーンを可能にする機能を備えて設計されています。正確な空燃比を計算するには、高度や吸入空気温度の違いによる空気密度の違い、周囲の水蒸気による希釈、または酸素添加による濃縮のため、燃焼空気の酸素含有量を指定する必要があります。

空燃比計は、内燃エンジンの空燃比を監視します。空燃比計、空燃計、空燃比ゲージとも呼ばれ、酸素センサー（AFRセンサーまたはラムダセンサーとも呼ばれる）の電圧出力を読み取ります。

オリジナルの狭帯域酸素センサーは、1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて工場で標準装備されました。近年では、より高価ではありますが、より新しく、より正確な広帯域センサーが利用可能になりました。

ほとんどのスタンドアロン狭帯域メーターには10個のLEDがあり、中にはそれ以上のLEDを備えたものもあります。また、一般的な狭帯域メーターは、標準マウント52および67 mm（2+1 ⁄ 16と2+他のタイプの車の「ゲージ」と同様に、直径は 10 個または 20 個の LEDが付いています。アナログの「針」スタイルの ゲージも利用できます。

理論上、化学量論的混合気は利用可能な燃料を完全に燃焼させるのに十分な空気を含んでいます。しかし、実際には、主に内燃機関で燃焼サイクルごとに利用できる時間が非常に短いため、この値が完全に達成されることはありません。

燃焼プロセスの大部分は、エンジン速度が1000rpmのときに約2ミリ秒で完了します。毎分6,000 回転(毎秒 100 回転、またはクランクシャフト 1 回転あたり 10 ミリ秒。4 ストローク エンジンの場合、ピストン 1 ストロークあたり 5 ミリ秒、720 度のオットー サイクル1 回を完了するのに 20 ミリ秒かかります)。これは、点火プラグの点火から燃料と空気の混合物の 90% が燃焼するまでの経過時間であり、通常はクランクシャフトが約 80 度回転した後になります。触媒コンバーターは、通過する排気ガスがほぼ完全燃焼の結果である 場合に最もよく機能するように設計されています。

完全に化学量論的な混合気は非常に高温で燃焼するため、この燃料と空気の混合気でエンジンに高負荷がかかると、エンジン部品が損傷する可能性があります。この混合気の温度が高いため、高負荷時には、最大シリンダー圧力に近づいているとき、または最大シリンダー圧力の直後に燃料と空気の混合気の爆発が発生する可能性があります (ノッキングまたはピンギングと呼ばれる)。これは、特に火花点火エンジン モデルのコンテキストでは「事前デトネーション」イベントです。このようなデトネーションは、燃料と空気の混合気の制御されていない燃焼によってシリンダー内に非常に高い圧力が生じる可能性があるため、エンジンに重大な損傷を引き起こす可能性があります。結果として、化学量論的な混合気は、軽負荷から低中負荷の条件下でのみ使用されます。加速時および高負荷時には、より濃い混合気 (より低い空燃比) を使用してより低温の燃焼生成物を生成し (それによって蒸発冷却を利用)、シリンダー ヘッドの過熱を回避し てデトネーションを防止します。

ガソリンエンジンの化学量論的混合比は、余分な空気を含まずに燃料をすべて燃焼させる理想的な空気と燃料の比率です。ガソリン燃料の場合、化学量論的空気燃料混合比は約14.7:1 ^{[1]です。つまり、燃料1グラムあたり14.7グラムの空気が必要です。純粋な}オクタン燃料の場合、酸化反応は次のようになります。

25 O ₂ + 2 C ₈ H ₁₈ → 16 CO ₂ + 18 H ₂ O + エネルギー

14.7:1 より大きい混合比は希薄混合比とみなされ、14.7 :1 より小さい混合比は濃厚混合比とみなされます (完全な (理想的な) 「テスト」燃料 ( n-ヘプタンとイソオクタンのみからなるガソリン) の場合)。実際には、ほとんどの燃料はヘプタン、オクタン、他のアルカン数種、洗剤などの添加剤、および MTBE (メチルtert-ブチルエーテル) やエタノール/メタノールなどの酸素発生剤の組み合わせで構成されています。これらの化合物はすべて化学量論比を変化させ、添加剤のほとんどが比を押し下げます (酸素発生剤は燃焼時に放出される液体の形で余分な酸素を燃焼イベントに持ち込みます。MTBE を含んだ燃料の場合 、化学量論比は 14.1:1 まで低くなることがあります)。酸素センサーやその他のフィードバック ループを使用して燃料と空気の比率を制御する (ラムダ制御) 車両は、排気ガスの組成を測定して燃料量を制御することにより、燃料の化学量論比のこの変化を自動的に補正します。このような制御のない車両 (最近までのほとんどのオートバイや 1980 年代半ばより前の自動車など) では、特定の燃料混合物 (特に一部の地域で使用される冬季燃料) の実行が困難な場合があり、補正するために異なるキャブレタージェット (または燃料供給比率の変更) が必要になる場合があります。酸素センサーを使用する車両は、空燃比計を使用して空燃比を監視できます。

一般的な空気から天然ガスへの燃焼バーナーでは、比率制御を確実にするために二重交差制限戦略が採用されています。（この方法は第二次世界大戦で使用されました）。^[要出典]この戦略では、反対のフローフィードバックをそれぞれのガス（空気または燃料）の制限制御に追加します。これにより、許容範囲内での比率制御が保証されます。

内燃機関における空気と燃料の混合について説明するときによく使用される用語が他にもあります。

混合は、航空業界のトレーニングテキスト、操作マニュアル、メンテナンスマニュアルに最も多く登場する単語です。

空燃比とは、ある瞬間の空気と燃料の混合物における空気の質量と燃料の質量の比です。質量とは、燃焼に関与するかどうかに関係なく、空気または燃料を構成するすべての成分の質量です。たとえば、燃料としての天然ガスの質量の計算（これには二酸化炭素（CO
₂）、窒素（N
₂）、および様々なアルカン— 二酸化炭素、窒素、およびすべてのアルカンの質量がm_燃料の値を決定する際に含まれます。^[2]

純粋なオクタンの場合、化学量論的混合比はおよそ 15.1:1、つまりλは正確に 1.00 になります。

オクタン価で動く自然吸気エンジンでは、AFR が 12.5 ～ 13.3:1 またはλが 0.850 ～ 0.901 のときに最大出力に達することが多い。^{[引用が必要]}

空燃比12:1は最大出力比と考えられ、空燃比16:1は最大燃費比と考えられています。^[要出典]

燃空比は、ガスタービン業界や内燃機関に関する政府の研究で一般的に使用されており、燃料と空気の比率を指します。^[要出典]

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

空燃比λ (ラムダ) は、特定の混合物の実際の AFR と化学量論比の比です。λ  = 1.0 は化学量論比、濃い混合物はλ  < 1.0、薄い混合物はλ  > 1.0 です。

λと AFRの間には直接的な関係があります。与えられたλから AFR を計算するには、測定されたλにその燃料のストイキオメトリー AFR を掛けます。あるいは、AFR からλ を復元するには、AFR をその燃料のストイキオメトリー AFR で割ります。この最後の式は、 λの定義としてよく使用されます。

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

一般的な燃料の組成は季節によって変化し、多くの現代の車両はチューニング時にさまざまな燃料を処理できるため、AFR ではなく λ値について話す方が理にかなっています。

実際のほとんどの AFR デバイスは、排気ガス中の残留酸素 (希薄混合気の場合) または未燃焼炭化水素 (濃混合気の場合) の量を測定します。

システムの燃料と空気の当量比Φ （ファイ）は、燃料と酸化剤の比率と化学量論的な燃料と酸化剤の比率の比として定義されます。数学的には、

${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{燃料対酸化剤比}}{({\mbox{燃料対酸化剤比}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{燃料}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{燃料}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{燃料}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{燃料}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}}$

ここで、mは質量、n はモル数、下付き文字 st は化学量論条件を表します。

燃料-酸化剤比よりも当量比を使用する利点は、燃料と酸化剤の質量とモル値の両方を考慮に入れる（したがって、それらに依存しない）ことです。たとえば、1モルのエタン（C
₂H
₆）と酸素１モル（O
₂）。この混合物の燃料と空気の質量に基づく燃料-酸化剤比は、

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

そして、この混合物の燃料と空気のモル数に基づく燃料酸化剤比は

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

明らかに、2つの値は等しくありません。当量比と比較するには、エタンと酸素の混合物の燃料-酸化剤比を決定する必要があります。そのためには、エタンと酸素の化学量論的反応を考慮する必要があります。

C ₂ H ₆ + 7 ⁄ 2  O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O

これにより

${\displaystyle ({\text{質量に基づく燃料対酸化剤比}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$

${\displaystyle ({\text{モル数に基づく燃料対酸化剤比}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286}$

したがって、与えられた混合物の当量比は次のように決定できる。

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

あるいは、

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

当量比を使用するもう 1 つの利点は、使用されている燃料と酸化剤に関係なく、比率が 1 より大きい場合は常に、燃料と酸化剤の混合物に完全燃焼 (化学量論的反応) に必要な量よりも多くの燃料が含まれていることを意味します。一方、比率が 1 より小さい場合は、混合物に燃料が不足しているか、同等に酸化剤が過剰であることを意味します。これは、燃料と酸化剤の比率を使用する場合には当てはまりません。この比率は、混合物によって異なる値になります。

燃料と空気の当量比は、空気と燃料の当量比（前に定義）と次のように関係します。

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

酸素濃縮と燃料希釈の相対量は、次のように定義される混合率Z によって定量化できる。

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

どこ

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

Y _F,0とY _O,0は入口における燃料と酸化剤の質量分率、W _FとW _Oは種の分子量、v _Fとv _Oはそれぞれ燃料と酸素の化学量論係数である。化学量論混合分率は

${\displaystyle Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]}$^[3]

化学量論的混合比はλ（ラムダ）とΦ（ファイ）と次の式で 関係している。

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

仮定

${\displaystyle \mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}}$^[4]

工業用燃焼ヒーター、発電所の蒸気発生器、大型ガス燃焼タービンでは、過剰燃焼空気パーセントとストイキオメトリック空気パーセントという用語がより一般的です。^{[5] [6]}たとえば、15パーセントの過剰燃焼空気は、必要なストイキオメトリック空気よりも15パーセント多く（またはストイキオメトリック空気の115パーセント）使用されていることを意味します。

燃焼制御点は、酸化剤中の過剰空気（または酸素）の割合を指定するか、燃焼生成物中の酸素の割合を指定することによって定義できます。^[7]空燃比計を使用して燃焼ガス中の酸素の割合を測定し、そこから燃料燃焼の化学量論と質量バランスから過剰酸素の割合を計算できます。たとえば、プロパン（C
₃H
₈) 理論燃焼と 30 パーセント過剰空気 (AFR_質量が15.58 から 20.3 の間) の間の燃焼では、過剰空気のパーセントと酸素のパーセントの関係は次のようになります。

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

• 断熱炎温度
• AFRセンサー
• 空燃比計
• 質量流量センサー
• 燃焼
• 一般的な燃料の理論空燃比

• HowStuffWorks: 燃料噴射、触媒コンバータ
• プリマス大学: エンジン燃焼入門
• Kamm, Richard W. 「燃料混合物について混乱？」。航空機整備技術(2002 年 2 月)。2010 年 11 月 20 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年 3 月 18 日閲覧。