DOI: https://doi.org/10.17512/jamcm.2026.1.05
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: Łukasz Warguła وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تتناول هذه القسم تحديد نسبة الهواء إلى الوقود (AFR) في محركات الاحتراق الشراري باستخدام البنزين وخلائط البنزين-الإيثانول (E5 و E10). بينما يُعتبر البنزين عادةً كأوكتان (C$_8$H$_{18}$) مع نسبة AFR ستوكيومترية تبلغ 15.1، فإن التطبيقات السياراتية تستخدم غالبًا قيمة 14.7، مما يعكس التركيب الهيدروكربوني المتوسط للبنزين التجاري. تبرز الدراسة عدم الدقة في الحسابات الحجمية لـ E5 و E10 بسبب كثافة الإيثانول، مما يؤدي إلى قيم AFR قائمة على الكتلة معدلة تبلغ 14.33 لـ E5 و 13.95 لـ E10.
تقارن الأبحاث بين طريقتين لتقييم AFR: مستشعر لامدا واسع النطاق ومحلل غاز العادم باستخدام معادلة بريتشنيدر المبسطة. تشير النتائج إلى أن كلا الطريقتين تعطيان قيم لامدا ($\lambda$) مشابهة عند الخمول، مع زيادة الفروق إلى 2.4% عند الحمل الكامل. من الجدير بالذكر أن تطبيق عوامل التصحيح لـ E10 يقلل من قيم $\lambda$ بنسبة 4.5% إلى 5.7%، مما يبرز أهمية هذه التصحيحات لتجنب الأخطاء الكبيرة في حسابات AFR. تؤكد الدراسة كيف يمكن أن تشوه الافتراضات المبسطة قراءات لامدا، خاصة في المحركات القديمة، وتقترح معاملات تصحيح عملية لتعزيز الدقة التشخيصية والتنظيمية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على القلق المتزايد بشأن التأثير البيئي لانبعاثات محركات الاحتراق الداخلي، مما دفع إلى تقدم أنظمة معالجة العادم بعد الاحتراق، وتقنيات كفاءة المحرك، واستخدام الوقود الأنظف. جانب حاسم من هندسة المحركات الحديثة هو التحكم الدقيق في معامل لامدا (λ)، والذي يعد ضروريًا لتحسين الأداء وكفاءة الوقود وتقليل الانبعاثات في محركات الاحتراق الشراري. قيمة λ، التي تمثل نسبة خليط الهواء-الوقود الفعلي إلى الخليط الستوكيميائي، تكون مثالية 1 للاحتراق الكامل. يمكن أن تؤدي الانحرافات عن هذه القيمة المثلى إلى احتراق غير كامل، وزيادة الانبعاثات، وانخفاض أداء المحرك، مع الخلائط الغنية (λ < 1) التي تؤدي إلى زيادة استهلاك الوقود والملوثات، بينما يمكن أن تسبب الخلائط الضعيفة (λ > 1) طرق المحرك وارتفاع انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx).
تناقش الورقة أيضًا تداعيات توجيه الطاقة المتجددة المعدل (RED II) في الاتحاد الأوروبي، والذي أدى إلى زيادة دمج الإيثانول في البنزين، وخاصة في خلطات E5 و E10. تقدم هذه الخلطات تحديات للتحكم في المحرك بسبب اختلاف نسب الهواء-الوقود الستوكيميائية مقارنةً بالبنزين النقي. تهدف الدراسة إلى تحديد قيم نسبة الهواء إلى الوقود (AFR) لخلائط البنزين-الإيثانول ومقارنة قياسات λ من مستشعر مدمج في المحرك مع تلك من محلل غاز العادم المستخدم في محطات الفحص. علاوة على ذلك، تقيم تأثير تجاهل عوامل التصحيح المتعلقة بالإيثانول على دقة قراءات λ، مما يبرز أهمية المعايرة الصحيحة لاختبارات الانبعاثات الموثوقة والتحكم في المحرك.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجيات المستخدمة لحساب نسبة الهواء إلى الوقود (AFR) في التطبيقات السياراتية، مع التركيز بشكل خاص على محركات الاحتراق الداخلي. تؤكد الدراسة على الانتقال من البنزين E5 إلى E10 في بولندا، مما يستلزم تعديلات في قيم AFR لضمان التحكم الدقيق في المحرك. بالنسبة لوقود E5، تم تحديد AFR الأمثل على أنه 14.33، بينما بالنسبة لـ E10، فهو 13.95. يتم وصف طريقتين رئيسيتين للقياس: الطريقة 1 (M1) تستخدم مستشعر لامدا Bosch LSU 4.2، الذي يعمل ضمن نطاق AFR يتراوح تقريبًا من 5:1 إلى 20:1، مما يوفر دقة قياس عالية. الطريقة 2 (M2) تستخدم محلل غاز العادم Capelec CAP3201، الذي يقيس مكونات غاز العادم (CO، CO2، HC، و O2) باستخدام تقنيات الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR) ويحسب قيمة لامدا عبر معادلة بريتشنيدر المبسطة.
تستكشف الدراسة أيضًا تداعيات استخدام الوقود المخلوط بالإيثانول على حسابات لامدا، مما يبرز الحاجة إلى عوامل تصحيح عند الانتقال من افتراضات البنزين القياسية. يقدم المؤلفون معادلات تصحيح لوقود E5 و E10، موضحين أن قيمة لامدا يمكن تعديلها بناءً على AFR المحدد للوقود الذي يتم اختباره. تضمنت الإعدادات التجريبية اختبار اثنين من مراوح التهوية ذات الضغط الإيجابي تحت ظروف تشغيل متغيرة، مع أخذ قياسات لامدا متزامنة من كل من مستشعر لامدا ومحلل غاز العادم. تم تقييم النتائج إحصائيًا لتقييم عدم اليقين في القياس، مما يضمن الامتثال للمعايير ذات الصلة وتعزيز موثوقية تشخيص المحرك.
نتائج
تقدم نتائج الدراسة تحليلًا مقارنًا لمعامل λ الذي تم الحصول عليه من اختبارات العالم الحقيقي للمراوح F1 و F2 تحت ظروف تشغيل متغيرة (W1 و W2) وطرق القياس (M1 و M2). كما هو موضح في الشكل 2 وموجز في الجدول 1، تشير النتائج إلى أنه عند سرعات دوران منخفضة، تكون القياسات من كلا الطريقتين متسقة للغاية، مع عدم تجاوز الفروق 1.1%. ومع ذلك، عند سرعات دوران ومستويات طاقة أعلى، تزداد الفروق بين الطريقتين، لتصل إلى 2.4%. تؤكد التحليل على ضرورة تطبيق عامل تصحيح، يُشار إليه بـ $\lambda_{2J}$، خاصة عند تفسير التحكم في خليط الهواء-الوقود بالنسبة للوقود المختبر (E10). يمكن أن يؤدي عدم تطبيق هذا التصحيح إلى أخطاء في التفسير تتراوح من 4.5% إلى 5.7%.
تظهر الفحوصات الإضافية للقيم المتوسطة الحسابية المصححة، المقدمة في الجدول 2، أن المحركات المختبرة تظهر خليطًا أغنى من الهواء-الوقود. بشكل محدد، في المحركات التي تعمل بالكربورات، تتفاوت قيم λ مع ظروف التشغيل، حيث تظهر قيم الخمول بين 0.72 و 0.79، والتي تتماشى مع الأدبيات الموجودة. يُعزى هذا الغنى إلى التصميم الميكانيكي للكربورات، الذي يفتقر إلى التحكم الإلكتروني والتغذية الراجعة، مما يؤدي إلى تسليم زائد للوقود لضمان التشغيل المستقر. عند السرعات العالية والأحمال، تتراوح قيم λ من 0.82 إلى 0.84، متوافقة مع نتائج الأدبيات، حيث تقوم الكربورات عمداً بإثراء الخليط لتخفيف درجات حرارة الاحتراق ومنع طرق المحرك، باستخدام فوهات رئيسية أكبر لضمان تسليم كافٍ للوقود خلال ظروف تدفق الهواء العالية.
نقاش
في هذا القسم، تناقش الأبحاث المنهجية لحساب نسبة الهواء إلى الوقود (AFR) المطلوبة للاحتراق الكامل للإيثانول (C\(_2\)H\(_5\)OH) وخلائطه مع البنزين (E5 و E10). يتطلب الاحتراق الكامل للإيثانول 14.28 مولًا من الهواء، مع حساب نسبة الهواء-الوقود الستوكيميائية لتكون تقريبًا 8.95 كجم من الهواء لكل كجم من الإيثانول. تستكشف الدراسة أيضًا الطرق الحجمية والكتلية لتحديد AFR لخلائط الوقود E5 و E10، كاشفة أن النسب الكتلية تختلف عن الحصص الحجمية بسبب الكثافات المختلفة للإيثانول والبنزين. على سبيل المثال، تتوافق حصة حجمية تبلغ 10% من الإيثانول في E10 مع حوالي 13% من حيث الكتلة.
تشير النتائج إلى أنه بينما تعطي كل من الطرق الحجمية والكتلية قيم AFR مشابهة، فإن النهج القائم على الكتلة يوفر تمثيلًا أكثر دقة لتركيب خليط الوقود. تبرز الدراسة أيضًا أهمية النظر في عوامل تصحيح الإيثانول، التي تؤثر بشكل كبير على قراءات معامل لامدا (λ) في محركات الاحتراق الشراري. تظهر النتائج أن تجاهل هذه التصحيحات يمكن أن يؤدي إلى أخطاء كبيرة في حسابات AFR، خاصة في المحركات القديمة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى طرق دقيقة لتحديد AFR لتعزيز دقة التشخيص والامتثال التنظيمي في المحركات التي تعمل على خلائط البنزين-الإيثانول.
DOI: https://doi.org/10.17512/jamcm.2026.1.05
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): Łukasz Warguła et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This section discusses the determination of the air-fuel ratio (AFR) in spark-ignition engines using gasoline and gasoline-ethanol blends (E5 and E10). While gasoline is typically approximated as octane (C$_8$H$_{18}$) with a stoichiometric AFR of 15.1, automotive applications often use a value of 14.7, reflecting the average hydrocarbon composition of commercial gasoline. The study highlights the inaccuracies in volumetric calculations for E5 and E10 due to ethanol’s density, leading to adjusted mass-based AFR values of 14.33 for E5 and 13.95 for E10.
The research compares two methods for evaluating AFR: a wideband lambda sensor and an exhaust gas analyzer using a simplified Brettschneider equation. The findings indicate that both methods yield similar lambda ($\lambda$) values at idle, with discrepancies increasing to 2.4% at full load. Notably, applying correction factors for E10 reduces $\lambda$ values by 4.5% to 5.7%, emphasizing the importance of these corrections to avoid significant errors in AFR calculations. The study underscores how simplified assumptions can distort lambda readings, particularly in older engines, and proposes practical correction coefficients to enhance diagnostic and regulatory accuracy.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing concern over the environmental impact of internal combustion engine emissions, prompting advancements in exhaust after-treatment systems, engine efficiency technologies, and the use of cleaner fuels. A critical aspect of modern engine engineering is the precise control of the lambda (λ) coefficient, which is vital for optimizing performance, fuel efficiency, and minimizing emissions in spark-ignition engines. The λ value, representing the ratio of the actual air-fuel mixture to the stoichiometric mixture, is ideally 1 for complete combustion. Deviations from this optimal value can result in incomplete combustion, increased emissions, and diminished engine performance, with rich mixtures (λ < 1) leading to higher fuel consumption and pollutants, while lean mixtures (λ > 1) can cause engine knock and elevated nitrogen oxide (NOx) emissions.
The paper also discusses the implications of the revised Renewable Energy Directive (RED II) in the EU, which has led to the increased incorporation of ethanol in gasoline, specifically in E5 and E10 blends. These blends present challenges for engine control due to their differing stoichiometric air-fuel ratios compared to pure gasoline. The study aims to determine the air-fuel ratio (AFR) values for gasoline-ethanol blends and to compare λ measurements from an engine-integrated sensor with those from an exhaust gas analyzer used in inspection stations. Furthermore, it evaluates the impact of neglecting ethanol-related correction factors on the accuracy of λ readings, emphasizing the importance of proper calibration for reliable emissions testing and engine control.
Methods
In this section, the authors detail the methodologies employed to calculate the air-fuel ratio (AFR) in automotive applications, particularly focusing on internal combustion engines. The study emphasizes the transition from E5 to E10 gasoline in Poland, necessitating adjustments in AFR values for accurate engine control. For E5 fuel, the optimal AFR is identified as 14.33, while for E10, it is 13.95. Two primary measurement methods are described: Method 1 (M1) utilizes a Bosch LSU 4.2 lambda sensor, which operates within an AFR range of approximately 5:1 to 20:1, providing high measurement accuracy. Method 2 (M2) employs a Capelec CAP3201 exhaust gas analyzer, which measures exhaust gas components (CO, CO2, HC, and O2) using Non-Dispersive Infrared (NDIR) techniques and calculates the lambda value via a simplified Brettschneider equation.
The study further explores the implications of using ethanol-blended fuels on lambda calculations, highlighting the need for correction factors when transitioning from standard gasoline assumptions. The authors present correction equations for E5 and E10 fuels, demonstrating that the lambda value can be adjusted based on the specific AFR of the fuel being tested. The experimental setup involved testing two positive pressure ventilation fans under varying operational conditions, with simultaneous lambda measurements taken from both the lambda sensor and the exhaust gas analyzer. The results were statistically evaluated to assess measurement uncertainty, ensuring compliance with relevant standards and enhancing the reliability of engine diagnostics.
Results
The results of the study present a comparative analysis of the λ coefficient obtained from real-world tests of fans F1 and F2 under varying operating conditions (W1 and W2) and measurement methods (M1 and M2). As illustrated in Figure 2 and summarized in Table 1, the findings indicate that at low rotational speeds, the measurements from both methods are highly consistent, with discrepancies not exceeding 1.1%. However, at higher rotational speeds and power levels, the differences between the methods increase, reaching up to 2.4%. The analysis emphasizes the necessity of applying a correction factor, denoted as $\lambda_{2J}$, particularly when interpreting the air-fuel mixture control in relation to the tested fuel (E10). Failure to apply this correction can lead to interpretation errors ranging from 4.5% to 5.7%.
Further examination of the corrected arithmetic mean values, presented in Table 2, reveals that the tested engines exhibit richer air-fuel mixtures. Specifically, in carburetted engines, λ values vary with operating conditions, showing idle values between 0.72 and 0.79, which align with existing literature. This richness is attributed to the mechanical design of carburettors, which lack electronic control and feedback, leading to excess fuel delivery for stable operation. At high speeds and loads, λ values range from 0.82 to 0.84, consistent with literature findings, as carburettors intentionally enrich the mixture to mitigate combustion temperatures and prevent engine knock, utilizing larger main jets to ensure adequate fuel delivery during high airflow conditions.
Discussion
In this section, the research discusses the methodology for calculating the air-fuel ratio (AFR) required for the complete combustion of ethanol (C\(_2\)H\(_5\)OH) and its blends with gasoline (E5 and E10). The complete combustion of ethanol necessitates 14.28 moles of air, with the stoichiometric air-fuel ratio calculated to be approximately 8.95 kg of air per kg of ethanol. The study further explores the volumetric and mass-based methods for determining the AFR for E5 and E10 fuel mixtures, revealing that the mass fractions differ from the volumetric shares due to the differing densities of ethanol and gasoline. For instance, a 10% volumetric share of ethanol in E10 corresponds to about 13% by mass.
The findings indicate that while both volumetric and mass-based methods yield similar AFR values, the mass-based approach provides a more accurate representation of the fuel mixture’s composition. The study also highlights the importance of considering ethanol correction factors, which significantly affect the lambda (λ) coefficient readings in spark-ignition engines. The results demonstrate that neglecting these corrections can lead to substantial errors in AFR calculations, particularly in older engines. Overall, the research emphasizes the need for precise AFR determination methods to enhance diagnostic accuracy and regulatory compliance in engines operating on gasoline-ethanol blends.