Ett luft-bränsleförhållande är ett dimensionslöst tal som uttrycker förhållandet mellan den faktiska mängden luft i blandningen och den teoretiska mängden (stökiometrisk mängd) luft som motsvarar det använda bränslet. Koefficienten, som på engelska kallas Air-Fuel Ratio, betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda).

Koefficienten som definieras på detta sätt används huvudsakligen inom området för förbränningsmotorer eftersom det är en nödvändig parameter för beredningen av blandningen. Luft-bränsleförhållandet uttrycker sålunda blandningens rikedomsnivå. Varje bränsle behöver olika mängd luft för sin perfekta förbränning.

Till exempel, beroende på dess sammansättning, kräver 1 kg vanlig bilbensin cirka 14,7 kg luft för fullständig förbränning. För diesel behövs 15 till 15,5 kg luft för 1 kg bränsle. Således, om det perfekta förhållandet mellan bränsle och luft i blandningen upprätthålls, kommer luft-bränsleförhållandet att nå 1 (λ = 1). I ett sådant fall talar vi om en stökiometrisk blandning.

Enligt luft-bränsleförhållande kan vi dela upp förbränningsblandningen i:

• Om blandningen innehåller exakt den stökiometriska mängden luft λ = 1 kallas den stökiometrisk (innehåller det korrekta luftförhållandet för perfekt förbränning av bränsle)
• Om blandningen innehåller mer luft λ > 1 kallas den mager ( innehåller mindre bränsle än vad som kan förbrännas)
• Om blandningen innehåller mindre luft λ < 1 kallas den rik (innehåller mer bränsle än vad som kan förbrännas)

Men med olika driftslägen för motorn förändras motorns arbetsförhållanden och därmed skiljer sig kraven på mängden bränsle som tillförs.

Typiska driftlägen för motorn där blandningens sammansättning måste justeras är till exempel:

• Kallstart
• Kall motor
• Uppvärmning av motorn
• Acceleration
• Retardation
• Tomgång
• Luftkonditionering på
• Full last
• Höjd

Effekt av blandningssammansättning på motorparametrar:

Beroende på luft-bränsleförhållandet, under samma motorförhållanden, påverkas följande:

• Bränsleförbrukning
• Motorprestanda
• Mängd utsläpp
• Jämnhet i motordrift
• Motorvärmebelastning

Alla dessa parametrar beror på blandningens sammansättning. Det faktiska blandningsförhållandet för blandningen skiljer sig dock väsentligt från det teoretiska. Motorns temperatur, hastighet och belastning avgör det.

Blandningsförhållandet vid vilket prestanda, emissioner och förbrukning når de bästa värdena är unikt för varje motor och driftläge.

Förbränning av en stökiometrisk blandning:

I teorin bör utsläpp inte ske vid förbränning av en stökiometrisk blandning. I praktiken är situationen dock annorlunda. På grund av otillräcklig homogenisering av bränslet och dess interaktion med andra ämnen (motorolja, föroreningar i bränslet, påverkan av kväve från luften) och den korta tid under vilken förbränningsprocessen måste ske, uppstår utsläppsbildning.

Eftersom motorerna i vanliga bilar huvudsakligen drivs med dellast, är de konstruerade för denna operation så att deras drift är så effektiv som möjligt i detta läge. I detta driftsätt är arbetet med en stökiometrisk blandning en lämplig kompromiss mellan prestanda, bränsleförbrukning och mängden utsläpp som produceras.

Dessutom måste motorerna i dagens bilar först uppfylla emissionsgränserna, så att använda en stökiometrisk blandning (λ = 1) verkar vara det lämpligaste eftersom det är då katalysatorn har maximal effektivitet. Motorn är därför den mest ekologiska.

Rik blandningsförbränning:

Vid förbränning av en fet blandning sker förbränningen snabbare, och luft-bränsleförhållandet minskar maxtemperaturen genom avdunstning, vilket säkerställer intern kylning av cylindergruppen, vilket i sin tur gör det möjligt att öka motorns kompressionsförhållande.

Relaterad artikel - 

Kompressionsförhållande: Vilken effekt har det på motorn?

Tack vare detta ökar motorns effekt, men samtidigt ökar dess förbrukning, eftersom inte allt bränsle förbränns perfekt, och en del av dess energi förblir oanvänd.

Alla andra parametrar försvinner i detta läge och prestanda blir huvudparametern. Blandningen anrikas således (λ < 1) för att uppnå högsta möjliga motorprestanda.

Mager blandningsförbränning:

Den lägsta förbrukningen uppnås i läget för mager blandningsförbränning; sålunda når luft-bränsleförhållandet värdet (λ > 1). När motorn är under låg belastning är prestandan inte intressant, så prioritet blir bränsleförbrukningen.

I ett sådant fall är inställning av en lätt mager blandning (λ > 1), vilket ger de största bränslebesparingarna, det självklara valet för detta läge.

Effekt av blandningssammansättning på motorkomponenter:

En rik blandning har en betydande effekt ur motorskyddssynpunkt, eftersom bränslet som inte brinner tar bort temperaturen från förbränningskammaren genom sin avdunstning och säkerställer därmed en effektiv kylning av förbränningskammaren.

Kylningseffekten ökar med fylligheten i blandningen, vilket är särskilt viktigt för extremt stressade motorer. Det är därför en fet blandning förbränns vid maximal motorbelastning.

Det finns dock ingen anledning att överdriva det med blandningens rikedom, eftersom oförbränt bränsle tvättar oljefilmen från cylindrarnas väggar, vilket ökar risken för att kolven fastnar. Dessutom ökar detta bildningen av kol, vars avlagringar förhindrar borttagning av värme från förbränningskammaren.

Relaterad artikel - 

Motorknackning: Vad är det och hur kan man förhindra det?

Vid förbränning av en mager blandning finns det risk för avsaknad av intern kylning, vilket kan leda till en termisk överbelastning av vissa motorkomponenter, till exempel kolvar, ventiler och tändstift. Högre lokala temperaturer i cylindern ökar dock avsevärt risken för detonationsförbränning.

Intern bränslekylning kan endast användas för gnisttändningsmotorer eftersom de kan arbeta med en rik blandning på grund av längre tid för dess beredning (bränsle kommer in i cylindrarna tillsammans med luft eller sprutas in i cylindern under insugningstakten).

I förbränningsmotorer, där bränsle sprutas in i cylindern och förbränningsfasen börjar samtidigt, skulle en rik blandning som inte blandas väl med luften leda till överdriven rök. Detta innebär att även vid full belastning av dieselmotorn är luft-bränsleförhållandet endast nära den stökiometriska blandningen så att högsta möjliga prestanda uppnås.

Luft-bränslekoefficient λ: Vad betyder de specifika värdena?

• <0,5-den undre gränsen för brännbarhet (rik blandning), blandningen av bränsle och luft är inte längre brandfarlig
• < 1 - rik blandning, brist på luft, ökad effekt och vridmoment
• 0,9 - högsta vridmoment, bra motordrift, sämre specifik bränsleförbrukning
• 0,9 till 1,1 - teoretiskt lämplig blandning av bränsle och luft
• >1 - mager blandning, luftöverskott, bränslebesparing, ekonomisk drift
• 1,3 till 1,5 - den övre gräns för blandningens antändbarhet (mager blandning), blandningen av bränsle och luft är inte längre brandfarlig
• 1,6 till 1,7 - den övre gränsen för blandningens antändbarhet för motorer med en skiktad blandning

Men i allmänhet brinner en korrekt fungerande motor vid rätt temperatur och belastning:

Dieselmotor - bränner en inhomogen (stratifierad) blandning med ett högt överskott av luft. Blandningen är mager, har en större andel luft än vad som skulle höra till en viss mängd bränsle, och luft-bränsleförhållandet är därför λ > 1.

Bensinmotor med indirekt insprutning - bränner en homogen blandning. Koefficienten för andelen luft är λ = 1, och en sådan blandning kallas stökiometrisk.

Gasmotor med direktinsprutning - bränner homogen men icke-homogen (skiktad) blandning. En homogen blandning sprutar in ett bränsle λ = 1 dos i förbränningskammaren under insugningsslaget.

En skiktad blandning sprutar in bränsle i den virvlade luften under kompressionstakten, vilket skapar en lokalt homogen blandning i tändstiftsområdet. Det finns dock en mager blandning i de andra utrymmena i cylindern, och luft-bränslekoefficienten är därför λ > 1.

Video där Engineering Explained förklarar luft-bränsleförhållandet: