Součinitel přebytku vzduchu je bezrozměrné číslo, které vyjadřuje poměr mezi skutečným množstvím vzduchu ve směsi a teoretickým množstvím (stechiometrickým množstvím) vzduchu odpovídajícím použitému palivu. Součinitel přebytku vzduchu, v angličtině pojmenovaný jako Air-Fuel Ratio, se označuje řeckým písmenem λ (lambda).

Takto definovaný součinitel se používá převážně v oblasti spalovacích motorů, protože je to nezbytný parametr pro přípravu směsi. Součinitel přebytku vzduchu tak důkladně vyjadřuje úroveň bohatosti směsi. Každé palivo totiž potřebuje ke svému dokonalému spálení jiné množství vzduchu.

Například 1kg běžného automobilového benzinu vyžaduje v závislosti na svém složení přibližně 14,7 kg vzduchu pro úplné spálení. Při naftě je zapotřebí 15 až 15,5 kg vzduchu na 1kg paliva. Pokud je tedy dodržen dokonalý poměr mezi palivem a vzduchem ve směsi, hodnota součinitele přebytku vzduchu dosáhne 1 (λ = 1). V takovém případě mluvíme o stechiometrické směsi.

Podle hodnoty součinitele přebytku vzduchu můžeme spalovanou směs rozdělit na:

• Obsahuje-li směs přesně stechiometrické množství vzduchu λ = 1, nazývá se stechiometrická (obsahuje správný poměr vzduchu k dokonalému spálení paliva)
• Pokud směs obsahuje více vzduchu λ > 1 nazývá se chudá (obsahuje méně paliva, než lze spálit)
• Pokud směs obsahuje méně vzduchu λ < 1 nazývá se bohatá (obsahuje více paliva, než lze spálit)

Při různých provozních režimech motoru však dochází ke změně pracovních podmínek motoru a tak se požadavky na množství přiváděného paliva liší.

Typické provozní režimy motoru, při kterých musí být složení směsi upraveno jsou například:

• studený start
• studený motor
• zahřívání motoru
• akcelerace
• decelerace
• volnoběh
• zapnutá klimatizace
• plné zatížení
• nadmořská výška

Vliv složení směsi na parametry motoru:

V závislosti na součiniteli přebytku vzduchu jsou za stejných podmínek motoru ovlivněny:

• spotřeba paliva
• výkon motoru
• množství emisí
• rovnoměrnost chodu motoru
• tepelné zatížení motoru

Všechny tyto parametry jsou závislé na složení směsi. Skutečný směšovací poměr směsi se však od toho teoretického podstatně liší. Je to dáno teplotou, otáčkami a zatížením motoru.

Směšovací poměr směsi, při kterém výkon, emise a spotřeba dosahují nejlepších hodnot je jedinečný nejen pro každý motor, ale i každý provozní režim motoru.

Spalování stechiometrické směsi:

Při spalování stechiometrické směsi by teoreticky nemělo docházet k tvorbě emisí. V praxi je však situace jiná. Vlivem nedostatečné homogenizace paliva a jeho interakce s dalšími látkami (motorovým olejem, nečistotami v palivu, vliv dusíku ze vzduchu) a krátké doby, ve které musí spalovací proces proběhnout k tvorbě emisí dochází.

Jelikož jsou motory běžných automobilů provozovány převážně v částečném zatížení, jsou pro tento provoz konstruovány tak, aby v tomto režimu byl jejich provoz co nejefektivnější. Při tomto režimu práce je tedy práce se stechiometrickou směsí vhodným kompromisem mezi výkonem, spotřebou paliva a množstvím vyprodukovaných emisí.

Kromě toho musí motory dnešních automobilů v první řadě splňovat emisní limity a tak se používání stechiometrické směsi (λ = 1) jeví jako nejvhodnější, protože právě tehdy má katalyzátor maximální účinnost a motor je tedy nejekologičtější.

Spalování bohaté směsi:

Při spalování bohaté směsi probíhá spalování rychleji a přebytek paliva odpařením snižuje maximální teplotu, čímž zajišťuje vnitřní chlazení válcové skupiny, což následně umožní zvýšit kompresní poměr motoru.

Související článek - 

Kompresní poměr: Věděl jsi, co udává a jaký vliv má na motor?

Díky tomu roste výkon motoru, ale zároveň se také zvyšuje jeho spotřeba, protože ne všechno palivo se dokonale spálí a část jeho energie zůstává nevyužita.

V tomto režimu jdou všechny ostatní parametry stranou a hlavním parametrem se stává výkon. Směs se tedy obohacuje (λ < 1) aby bylo dosaženo co nejvyššího výkonu motoru.

Spalování chudé směsi:

V režimu spalování chudé směsi se dosahuje nejnižší spotřeby a tak součinitel přebytku vzduchu dosahuje hodnoty (λ > 1). Při malém zatížení motoru není výkon nijak zajímavý a prioritou se tedy stává spotřeba paliva. V takovém případě je tak jednoznačnou volbou pro tento režim nastavení mírně chudé směsi (λ > 1), při které se dosahuje největší úspory paliva.

Vliv složení směsi na komponenty motoru:

Bohatá směs má významný účinek z hlediska ochrany motoru, protože palivo, které neshoří odebírá svým odpařením teplotu ze spalovacího prostoru, čímž zajišťuje účinné chlazení spalovacího prostoru. Chladící účinek roste s bohatostí směsi, což je důležité hlavně pro extrémně namáhané motory. Toto je hlavní důvod, proč se při maximálním zatížení motoru spaluje bohatá směs.

S bohatostí směsi to však není třeba přehánět, protože nespálené palivo omývá olejový film ze stěn válců, čímž narůstá riziko zadření pístu. Navíc se takto zvyšuje tvorba karbonu, jehož usazeniny brání odvodu tepla ze spalovacího prostoru.

Související článek - 

Detonační spalování: Co to je a co jej způsobuje?

V případě spalování chudé směsi hrozí absence vnitřního chlazení, což může vést k tepelnému přetížení některých součástí motoru, například pístů, ventilů a svíček. Větší lokální teploty ve válci ovšem zároveň výrazně zvyšují riziko detonačního spalování.

Vnitřní chlazení palivem však lze využít pouze u zážehových motorů, protože ty jsou schopny pracovat s bohatou směsí díky delší době na její přípravu (palivo se dostává do válců spolu se vzduchem nebo je vstřikováno do válce během sacího zdvihu).

U vznětových motorů, kde se vstřikuje palivo do válce a začíná tak zároveň fáze hoření, by bohatá směs, která se nestihne se vzduchem dobře promíchat, vedla k nadměrné kouřivosti. To znamená, že i při plném zatížení vznětového motoru se součinitel přebytku vzduchu jen blíží ke stechiometrické směsi tak, aby bylo dosaženo co nejvyššího výkonu.

Součinitel přebytku vzduchu λ: Co znamenají konkrétní hodnoty?

• <0,5 - dolní hranice zápalnosti (bohatá směs), směs paliva se vzduchem již není zápalná
• < 1 - bohatá směs, nedostatek vzduchu, zvýšený výkon a točivý moment
• 0,9 - nejvyšší točivý moment, dobrý chod motoru, horší měrná spotřeba paliva
• 0,9 až 1,1 - teoreticky vhodná směs paliva se vzduchem • • • >1 - chudá směs, přebytek vzduchu, úspora paliva, hospodárný provoz
• 1,3 až 1,5 - horní hranice zápalnosti směsi (chudá směs), směs paliva a vzduchu již není zápalná
• 1, 6 až 1,7 - horní hranice zápalnosti směsi pro motory s vrstvenou směsí

Obecně však platí, že správně fungující motor při správné teplotě a zatížení spaluje:

Vznětový motor - spaluje nehomogenní (vrstvenou) směs s vysokým přebytkem vzduchu. Směs je chudá, má větší podíl vzduchu než by k určitému množství paliva patřilo a součinitel přebytku vzduchu je tedy λ > 1.

Zážehový motor s nepřímým vstřikováním - spaluje homogenní směs. Součinitel podílu vzduchu je λ = 1 a taková směs se nazývá stechiometrická.

Zážehový motor s přímým vstřikováním - spaluje homogenní, ale také nehomogenní (vrstvenou) směs. U homogenní směsi se vstřikuje dávka paliva λ = 1 do spalovacího prostoru během sacího zdvihu.

Při vrstvené směsi se palivo vstřikuje do rozvířeného vzduchu během kompresního zdvihu, čímž vytvoří lokálně homogenní směs v oblasti zapalovací svíčky. V ostatních prostorách válce se však nachází chudá směs a součinitel přebytku vzduchu je tedy λ > 1.

Video, ve kterém Engineering Explained vysvětluje součinitel přebytku vzduchu (v angličtině):