ما المقصود بنسبة الهواء إلى الوقود؟
نسبة الهواء إلى الوقود (AFR) هي كتلة الهواء مقسومة على كتلة الوقود داخل خليط الاحتراق في المحرك، وهي التي تحدد ما إذا كان المحرك يعمل بخليط «غني» أم «فقير». أما النسبة المتكافئة (Stoichiometric) فهي المزيج الكيميائي المثالي الذي يُستهلك فيه الوقود والأكسجين بالكامل، وتبلغ في البنزين نحو 14.7:1، أي 14.7 جرامًا من الهواء لكل جرام من الوقود.
الفرق بين لامدا و AFR
تُعدّ لامدا (\(\lambda\)) طريقة موحّدة للتعبير عن المفهوم نفسه، لكنها مستقلة عن نوع الوقود. فقيمة لامدا 1.0 تعني دائمًا خليطًا متكافئًا، وكل قيمة أقل من 1.0 تشير إلى خليط غني (زيادة في الوقود)، بينما تدل القيمة الأعلى من 1.0 على خليط فقير (زيادة في الهواء). تحوّل هذه الحاسبة قيمة لامدا إلى نسبة AFR الفعلية حسب الوقود الذي تختاره.
كيفية استخدام الحاسبة
أدخل قيمة لامدا المقاسة (التي تُقرأ عادةً من حساس الأكسجين عريض النطاق Wideband)، ثم اختر نوع الوقود لتحديد المرجع المتكافئ. تضرب الحاسبة القيمتين لتعطيك نسبة AFR، وتخبرك بما إذا كان الخليط غنيًا أم فقيرًا أم متكافئًا.
المعادلة
$$\text{AFR} = \lambda \times \text{AFR}_{\text{المتكافئة}}$$ ويختلف المرجع المتكافئ باختلاف الوقود: البنزين ≈ 14.7، والإيثانول E85 ≈ 9.8، والديزل ≈ 14.5، والميثانول ≈ 6.4.
مثال تطبيقي
لنفترض أن حساسًا عريض النطاق يقرأ \(\lambda = 0.85\) في محرك يعمل بالبنزين. عندها تكون نسبة $$\text{AFR} = 0.85 \times 14.7 = 12.495:1$$ وبما أن قيمة لامدا أقل من 1.0، فإن الخليط غني، وهو هدف شائع للحصول على أقصى قدرة تحت الحِمل.
نسبة الهواء والوقود الستوكيومترية حسب نوع الوقود
نسبة الهواء والوقود (AFR) الستوكيومترية هي النسبة الدقيقة لكتلة الهواء إلى الوقود المطلوبة للاحتراق الكامل، حيث يساوي لامدا (\(\lambda\)) 1.0. نظراً لأن كل وقود له تركيب كيميائي مختلف، فإن نسبة AFR الستوكيومترية الخاصة به تختلف. يتم إيجاد AFR الفعلية من العلاقة البسيطة:
$$\text{AFR} = \lambda \times \text{AFR}_{\text{stoich}}$$
يسرد الجدول أدناه نسبة AFR الستوكيومترية للوقود الشائع، جنباً إلى جنب مع عملية تحويل معروضة لقيمتي لامدا الممثلتين (غنية \(\lambda = 0.90\) وفقيرة \(\lambda = 1.05\)) إلى AFR الفعلية لكل وقود.
| الوقود | نسبة AFR الستوكيومترية (\(\lambda=1.0\)) | AFR عند \(\lambda=0.90\) (غنية) | AFR عند \(\lambda=1.05\) (فقيرة) |
|---|---|---|---|
| البنزين | 14.7 | 13.23 | 15.44 |
| E85 (مزيج الإيثانول) | 9.765 | 8.79 | 10.25 |
| الإيثانول (E100) | 9.0 | 8.10 | 9.45 |
| الميثانول | 6.4 | 5.76 | 6.72 |
| الديزل | 14.5 | 13.05 | 15.23 |
| الغاز البترولي المسال / البروبان | 15.5 | 13.95 | 16.28 |
| الغاز الطبيعي المضغوط / الميثان | 17.2 | 15.48 | 18.06 |
ملاحظة: تختلف نسبة AFR الستوكيومترية لـ E85 باختلاف نسبة الإيثانول الفعلية (يمكن أن تكون مزيج الصيف أقرب إلى E70)؛ تعكس القيمة 9.765 مزيجاً اسمياً. يتطلب الميثانول والإيثانول وقوداً أكثر بكثير لكل وحدة هواء، وهذا هو السبب في أن تطبيقات الوقود المرن والسباق تحتاج إلى حقاقن أكبر.
تحويل لامدا إلى AFR عبر أهداف الضبط الشائعة
بالنسبة للبنزين (\(\text{AFR}_{\text{stoich}} = 14.7\))، يوضح الجدول أدناه كيفية تحويل لامدا إلى AFR الفعلية وما يعنيه كل منطقة لضبط المحرك. لامدا مستقلة عن الوقود، وهذا هو السبب في أن العديد من الضابطين يعملون بشكل مباشر مع لامدا — لكن AFR المقابلة هي ما تعرضه معظم مقاييس النطاق العريض.
| لامدا (\(\lambda\)) | AFR للبنزين | حالة المزيج | حالة الاستخدام النموذجية |
|---|---|---|---|
| 0.80 | 11.76 | غنية | دفع ثقيل / هامش أمان تحت الحمل العالي |
| 0.85 | 12.50 | غنية | أقصى قوة (بدون شاحن توربو عند الخنق الكامل) |
| 0.90 | 13.23 | غنية | أفضل عزم دوران، احتراق أكثر برودة قليلاً |
| 1.00 | 14.70 | ستوكيومترية | الحلقة المغلقة بدون حمل، كفاءة محول العادم الحفزي |
| 1.05 | 15.44 | فقيرة | اقتصاد الحمل الخفيف |
| 1.10 | 16.17 | فقيرة | أقصى اقتصاد / سير فقير للاقتصاد (انتبه لـ EGT) |
يقع AFR الأفضل للقوة بالنسبة للبنزين عادةً بالقرب من \(\lambda \approx 0.85\text{–}0.90\) (≈12.5–13.2 AFR)، بينما يقع أفضل سير للاقتصاد الفقير فوق \(\lambda = 1.0\). عادةً ما يتم تشغيل محركات الشحن الجبري بشكل أغنى من هذا تحت الدفع للتحكم في درجات حرارة الاحتراق والانفجار.
الأسئلة الشائعة
ما أفضل نسبة AFR للحصول على أقصى قدرة؟ غالبًا ما تستهدف محركات البنزين نسبة تتراوح بين 12.5 و13.0:1 (\(\lambda \approx 0.85\text{–}0.88\)) عند فتح الخانق بالكامل للوصول إلى ذروة القدرة.
ماذا يعني الخليط الفقير؟ الخليط الفقير (\(\lambda > 1.0\)، أي AFR > 14.7 للبنزين) يحتوي على زيادة في الهواء. وقد يحسّن استهلاك الوقود، لكنه يرفع درجات حرارة الاحتراق ويزيد خطر الطرق (Detonation) تحت الحِمل.
لماذا نستخدم لامدا بدلًا من AFR؟ لأن لامدا مستقلة عن نوع الوقود، فيستطيع المضبِّط (Tuner) مقارنة الخلائط بين البنزين والإيثانول وأنواع الوقود الأخرى دون الحاجة إلى تحويل النسب المرجعية.
