什麼是空燃比?
空燃比(AFR)是引擎燃燒室內「空氣質量」除以「燃料質量」的比值,用來判斷引擎運轉時混合氣偏「濃」還是偏「稀」。當所有燃料與氧氣都被完全燃燒時,就達到化學上最理想的理論空燃比;以汽油來說大約是 14.7:1,也就是每 1 公克燃料對應 14.7 公克空氣。
Lambda 與 AFR 有什麼差別?
Lambda(λ)是把同樣的概念標準化後的表達方式,不受燃料種類影響。\(\lambda\) 等於 1.0 一律代表理論空燃比;\(\lambda\) 小於 1.0 為偏濃(燃料過多),\(\lambda\) 大於 1.0 則為偏稀(空氣過多)。本計算機會依你選擇的燃料,把 Lambda 換算成實際的 AFR 數值。
計算機使用方式
輸入量測到的 Lambda 值(通常由寬域含氧感知器讀取),再選擇對應的燃料種類以設定理論空燃比基準。計算機會將兩者相乘求出 AFR,並告訴你目前的混合氣是偏濃、偏稀,還是剛好落在理論值。
計算公式
$$\text{AFR} = \lambda \times \text{AFR}_{\text{理論值}}$$理論基準會隨燃料而不同:汽油約 14.7、E85 約 9.8、柴油約 14.5、甲醇約 6.4。
範例試算
假設汽油引擎的寬域感知器讀到 \(\lambda = 0.85\),則 AFR 為 $$0.85 \times 14.7 = 12.495:1$$由於 Lambda 低於 1.0,混合氣偏濃——這也是負載下追求最大馬力時常見的設定目標。
按燃料類型分類的化學計量空燃比
化學計量空燃比(AFR)是完全燃燒所需的空氣與燃料的精確質量比,其中 lambda (\(\lambda\)) 等於 1.0。因為每種燃料的化學成分不同,其化學計量空燃比也不同。實際空燃比由以下簡單關係式求得:
$$\text{AFR} = \lambda \times \text{AFR}_{\text{stoich}}$$
下表列出常見燃料的化學計量空燃比,以及兩個代表性 lambda 值(濃混合氣 \(\lambda = 0.90\) 和稀混合氣 \(\lambda = 1.05\))轉換為各燃料實際空燃比的計算範例。
| 燃料 | 化學計量空燃比(\(\lambda=1.0\)) | \(\lambda=0.90\) 時的空燃比(濃) | \(\lambda=1.05\) 時的空燃比(稀) |
|---|---|---|---|
| 汽油 | 14.7 | 13.23 | 15.44 |
| E85(乙醇混合燃料) | 9.765 | 8.79 | 10.25 |
| 乙醇(E100) | 9.0 | 8.10 | 9.45 |
| 甲醇 | 6.4 | 5.76 | 6.72 |
| 柴油 | 14.5 | 13.05 | 15.23 |
| 液化石油氣/丙烷 | 15.5 | 13.95 | 16.28 |
| 壓縮天然氣/甲烷 | 17.2 | 15.48 | 18.06 |
注意:E85 化學計量空燃比隨實際乙醇百分比而變化(夏季混合燃料可能接近 E70);9.765 這個數值反映的是標準混合燃料。甲醇和乙醇每單位空氣需要更多燃料,這就是為什麼雙燃料和賽車應用需要更大的噴油嘴。
常見調校目標的 Lambda 轉換為空燃比
對於汽油(\(\text{AFR}_{\text{stoich}} = 14.7\)),下表顯示 lambda 如何轉換為實際空燃比,以及每個區域對引擎調校的含義。Lambda 與燃料無關,這就是為什麼許多調校師直接使用 lambda——但大多數寬頻帶氧傳感器顯示的是對應的空燃比。
| Lambda(\(\lambda\)) | 汽油空燃比 | 混合氣狀態 | 典型使用情況 |
|---|---|---|---|
| 0.80 | 11.76 | 濃 | 大幅增壓/高負荷下的安全邊際 |
| 0.85 | 12.50 | 濃 | 最大功率(自然吸氣全油門) |
| 0.90 | 13.23 | 濃 | 最佳扭矩,燃燒溫度略低 |
| 1.00 | 14.70 | 化學計量 | 閉迴路巡航,觸媒轉換器效率 |
| 1.05 | 15.44 | 稀 | 輕負荷經濟性 |
| 1.10 | 16.17 | 稀 | 最佳經濟性/稀混合氣巡航(注意排氣溫度) |
汽油的最佳功率空燃比通常在 \(\lambda \approx 0.85\text{–}0.90\)(≈12.5–13.2 AFR)附近,而最佳經濟性稀混合氣巡航則在 \(\lambda = 1.0\) 以上。增壓引擎在增壓時通常設定比此更濃的混合氣,以控制燃燒溫度和爆震。
常見問題
追求最大馬力時,AFR 設多少最好?汽油引擎在全油門狀態下,常以約 12.5–13.0:1(\(\lambda \approx 0.85\text{–}0.88\))為目標,以榨出顛峰馬力。
偏稀的混合氣代表什麼?偏稀混合氣(\(\lambda > 1.0\),汽油時 AFR > 14.7)表示空氣過多。雖然有助於省油,但在負載下容易使燃燒溫度升高並引發爆震。
為什麼要用 Lambda,而不直接用 AFR?因為 Lambda 不受燃料種類影響,調校時無須換算各種燃料的理論基準,就能在汽油、乙醇等不同燃料之間直接比較混合氣濃稀。