อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (ย่อ: AFR) คืออัตราส่วนมวลของอากาศต่อเชื้อเพลิงที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สที่มีอยู่ในกระบวนการเผาไหม้ การเผาไหม้อาจเกิดขึ้นในลักษณะที่ถูกควบคุม เช่น ในเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือเตาอุตสาหกรรม หรืออาจส่งผลให้เกิดการระเบิดได้ (เช่น การระเบิดฝุ่น) อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเป็นตัวกำหนดว่าสารผสมนั้นสามารถติดไฟได้หรือไม่ ปริมาณพลังงานที่จะถูกปล่อยออกมา และปริมาณมลพิษที่ไม่ต้องการซึ่งถูกผลิตขึ้นในปฏิกิริยา โดยทั่วไปแล้วจะมีช่วงของอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่การจุดระเบิดจะไม่เกิดขึ้นหากอยู่นอกช่วงนี้ เรียกว่า ขีดจำกัดการระเบิดต่ำสุดและสูงสุด (lower and upper explosive limits)
ในเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือเตาอุตสาหกรรม อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเป็นมาตรวัดที่สำคัญสำหรับการควบคุมมลพิษและการปรับแต่งสมรรถนะ หากมีอากาศเพียงพอที่จะเผาไหม้เชื้อเพลิงทั้งหมดอย่างสมบูรณ์ (การเผาไหม้สตอยคิโอเมตริก) อัตราส่วนนี้เรียกว่า สารผสมปริมาณสัมพันธ์ (stoichiometric mixture) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า สตอยค์ อัตราส่วนที่ต่ำกว่าปริมาณสัมพันธ์ (ซึ่งมีเชื้อเพลิงส่วนเกิน) ถือว่า "หนา" (rich) สารผสมหนาจะเผาไหม้ได้ประสิทธิภาพน้อยกว่า แต่สามารถให้กำลังได้มากขึ้นและเผาไหม้ได้เย็นกว่า อัตราส่วนที่สูงกว่าปริมาณสัมพันธ์ (ซึ่งมีอากาศส่วนเกิน) ถือว่า "บาง" (lean) สารผสมบางจะเผาไหม้ได้มีประสิทธิภาพมากกว่า แต่สามารถทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่การก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์ เครื่องยนต์บางชนิดถูกออกแบบมาให้มีคุณสมบัติที่ช่วยให้สามารถเผาไหม้ไอดีบางได้ สำหรับการคำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงอย่างแม่นยำควรระบุปริมาณออกซิเจนในอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้ด้วยเนื่องจากความหนาแน่นอากาศที่แตกต่างกันตามระดับความสูงหรืออุณหภูมิของอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ การเจือจางโดยไอน้ำในบรรยากาศ หรือการเพิ่มออกซิเจนเพิ่มเติม
มาตรวัดอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง.
มาตรวัดอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (air-fuel ratio meter) ใช้ตรวจสอบอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์สันดาปภายใน นอกจากนี้ยังเรียกอีกอย่างว่าเครื่องวัดอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (air-fuel ratio gauge) มาตรวัดอากาศต่อเชื้อเพลิง (air-fuel meter) หรือเครื่องวัดอากาศต่อเชื้อเพลิง (air-fuel gauge) ซึ่งจะอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าที่ส่งออกมาจากตัวรับรู้ออกซิเจน บ้างเรียกว่า ตัวรับรู้ AFR หรือตัวรับรู้แลมบ์ดา
ตัวรับรู้ออกซิเจนแถบแคบ (narrow-band oxygen sensor) รุ่นดั้งเดิมถูกติดตั้งเป็นมาตรฐานจากโรงงานตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1970 และต้นทศวรรษ 1980 ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีตัวรับรู้แถบกว้าง (wide-band sensor) รุ่นใหม่กว่าซึ่งมีความแม่นยำมากกว่ามาก แต่มีราคาแพงกว่า
มาตรวัดแถบแคบส่วนใหญ่ที่ใช้เป็นอุปกรณ์แยกอิสระจะมี LED 10 ดวงและบางรุ่นก็มีมากกว่านั้น นอกจากนี้ มาตรวัดแถบแคบที่อยู่ในเรือนทรงกลมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางการติดตั้งมาตรฐาน ก็เป็นที่นิยมเช่นเดียวกับ 'เครื่องวัด' ประเภทอื่น ๆ ของรถยนต์ โดยปกติจะมี LED 10 หรือ 20 ดวง นอกจากนี้ยังมีมาตรวัดแบบเข็ม (Analogue 'needle' style gauges) ให้เลือกใช้
เครื่องยนต์สันดาปภายใน.
ตามทฤษฎีแล้ว สารผสมปริมาณสัมพันธ์ (stoichiometric) มีอากาศเพียงพอที่จะเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีอยู่ได้อย่างสมบูรณ์ แต่ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้ไม่สามารถทำได้จริง ส่วนใหญ่เนื่องจากมีเวลาจำกัดมากในเครื่องยนต์สันดาปภายในสำหรับแต่ละรอบการเผาไหม้
กระบวนการเผาไหม้ส่วนใหญ่จะเสร็จสิ้นภายในเวลาประมาณ 2 มิลลิวินาทีที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ 6,000 รอบต่อนาที (100 รอบต่อวินาที หรือ 10 มิลลิวินาทีต่อการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงหนึ่งรอบ สำหรับเครื่องยนต์สี่จังหวะจะเท่ากับ 5 มิลลิวินาทีต่อการเคลื่อนที่ของลูกสูบหนึ่งครั้ง และ 20 มิลลิวินาทีในวัฏจักรออตโตที่ 720 องศาให้สมบูรณ์) นี่คือเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่หัวเทียนจุดประกายจนกระทั่งสารผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศถูกเผาไหม้ไปแล้ว 90% ซึ่งโดยปกติจะใช้การหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงไปประมาณ 80 องศาหลังจากนั้น เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา (catalytic converter) ถูกออกแบบมาให้ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อไอเสียที่ผ่านเข้าไปเป็นผลมาจากการเผาไหม้ที่เกือบจะสมบูรณ์
สารผสมปริมาณสัมพันธ์ที่สมบูรณ์จะเผาไหม้ได้ร้อนมากและสามารถทำให้ส่วนประกอบของเครื่องยนต์เสียหายได้ หากเครื่องยนต์ถูกใช้งานภายใต้ภาระสูงด้วยสารผสมเชื้อเพลิงกับอากาศนี้ เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงในส่วนผสมนี้ การระเบิดของสารผสมเชื้อเพลิงกับอากาศในขณะกำลังเข้าใกล้หรือหลังจากความดันในกระบอกสูบสูงสุดเป็นไปได้ภายใต้ภาระสูง (เรียกว่าการน็อกหรือปิง) โดยเฉพาะเหตุการณ์ "การชิงระเบิดรุนแรง" ในบริบทของเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ การระเบิดุแรงดังกล่าวอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างรุนแรงเนื่องจากการเผาไหม้ของสารผสมเชื้อเพลิงกับอากาศที่ไม่สามารถควบคุมได้สามารถสร้างความดันที่สูงมากในกระบอกสูบ ดังนั้น ส่วนผสมปริมาณสัมพันธ์จึงถูกใช้เฉพาะในสภาวะที่มีภาระเบาถึงปานกลางเท่านั้น สำหรับการเร่งความเร็วและสภาวะที่มีภาระสูง จะใช้สารผสมที่หนาขึ้น (อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงต่ำลง) เพื่อสร้างผลผลิตการเผาไหม้ที่เย็นกว่า (จึงใช้ประโยชน์จากการระบายความร้อนแบบระเหย) และเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปของฝาสูบและป้องกันการระเบิดรุนแรง
ระบบจัดการเครื่องยนต์.
สำหรับเครื่องยนต์เบนซิน สารผสมปริมาณสัมพันธ์คืออัตราส่วนในอุดมคติของอากาศต่อเชื้อเพลิงที่เผาไหม้เชื้อเพลิงทั้งหมดโดยไม่มีอากาศส่วนเกิน สำหรับน้ำมันเบนซิน อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงปริมาณสัมพันธ์อยู่ที่ประมาณ 14.7:1 นั่นคือสำหรับเชื้อเพลิงทุกหนึ่งกรัม จะต้องใช้อากาศ 14.7 กรัม สำหรับเชื้อเพลิงออกเทนบริสุทธิ์ ปฏิกิริยาออกซิเดชันคือ::
25 O2 + 2 C8H18 → 16 CO2 + 18 H2O + พลังงาน
สารผสมใด ๆ ที่มากกว่า 14.7:1 ถือเป็นสารผสมบาง (lean mixture) และส่วนผสมใด ๆ ที่น้อยกว่า 14.7:1 ถือเป็นสารผสมหนา (rich mixture) โดยพิจารณาจากเชื้อเพลิง "ทดสอบ" ที่สมบูรณ์แบบ (ในอุดมคติ) (น้ำมันเบนซินที่ประกอบด้วย "n"-เฮปเทน และไอโซออกเทนเท่านั้น) ในความเป็นจริง เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ประกอบด้วยเฮปเทน ออกเทน แอลเคนอื่น ๆ อีกเล็กน้อย รวมถึงสารเติมแต่งต่าง ๆ เช่น สารชะล้าง และอาจมีสารให้ออกซิเจน เช่น MTBE (เมทิลเทอร์ตบิวทิลอีเทอร์) หรือเอทานอล/เมทานอล สารประกอบเหล่านี้ล้วนเปลี่ยนอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ โดยสารเติมแต่งส่วนใหญ่จะทำให้อัตราส่วนลดลง (สารให้ออกซิเจนจะนำออกซิเจนพิเศษเข้าสู่การเผาไหม้ในรูปของเหลวซึ่งจะถูกปล่อยออกมาในขณะเกิดการเผาไหม้ สำหรับเชื้อเพลิงที่มีสารผสม MTBE อัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์อาจต่ำถึง 14.1:1) ยานพาหนะที่ใช้ตัวรับรู้ออกซิเจนหรือระบบป้อนกลับอื่น ๆ ในการควบคุมอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศ (การควบคุมแลมบ์ดา) จะชดเชยการเปลี่ยนแปลงในอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิงนี้โดยอัตโนมัติ ด้วยการวัดองค์ประกอบของไอเสียและควบคุมปริมาณเชื้อเพลิง ยานพาหนะที่ไม่มีการควบคุมดังกล่าว (เช่น จักรยานยนต์ส่วนใหญ่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ และรถยนต์ที่ผลิตก่อนกลางทศวรรษ 1980) อาจมีปัญหาในการทำงานกับเชื้อเพลิงบางชนิด (โดยเฉพาะเชื้อเพลิงที่ใช้ในฤดูหนาวในบางพื้นที่) และอาจต้องเปลี่ยนนมหนูคาร์บูเรเตอร์ (หรือเปลี่ยนอัตราส่วนการจ่ายเชื้อเพลิง) เพื่อชดเชย ยานพาหนะที่ใช้ตัวรับรู้ออกซิเจนสามารถตรวจสอบอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงด้วยมาตรวัดอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงได้
เครื่องยนต์ประเภทอื่น.
ในหัวเผาเชื้อเพลิงอากาศสู่แก๊สธรรมชาติทั่วไป จะมีการใช้กลยุทธ์การควบคุมแบบสองข้ามจำกัด (double-cross limit) เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถควบคุมอัตราส่วนได้อย่างถูกต้อง (วิธีนี้ถูกใช้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง) กลยุทธ์นี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มค่าป้อนกลับของอัตราการไหลที่ตรงกันข้ามเข้าไปในการควบคุมแบบจำกัดของแก๊สแต่ละชนิด (อากาศหรือเชื้อเพลิง) สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการควบคุมอัตราส่วนอยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้
ศัพท์อื่น ๆ ที่ใช้.
มีศัพท์อื่น ๆ ที่นิยมใช้เมื่อพูดถึงสานผสมอากาศกับเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์สันดาปภายใน
สารผสม.
สารผสม (mixture) เป็นคำที่พบได้บ่อยในตำราการฝึกอบรม คู่มือการปฏิบัติงาน และคู่มือการบำรุงรักษาในโลกการบิน
อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงคืออัตราส่วนระหว่างมวลของอากาศและมวลของเชื้อเพลิงในสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิง ณ ช่วงเวลาใด ๆ มวลที่กล่าวถึงนี้คือมวลของส่วนประกอบทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นอากาศหรือเชื้อเพลิง ไม่ว่าส่วนประกอบเหล่านั้นจะมีส่วนร่วมในการเผาไหม้หรือไม่ก็ตาม ตัวอย่างเช่น การคำนวณมวลของแก๊สธรรมชาติซึ่งมักประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ (#เปลี่ยนทาง 
) ไนโตรเจน (#เปลี่ยนทาง 
) และแอลเคนชนิดต่าง ๆ ในฐานะเชื้อเพลิง จะรวมมวลของคาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และแอลเคนทั้งหมดในการกำหนดค่า "m"fuel.
สำหรับเชื้อเพลิงออกเทนบริสุทธิ์ สารผสมปรมาณสัมพันธ์จะอยู่ที่ประมาณ 15.1:1 หรือ "λ" เท่ากับ 1.00 อย่างแม่นยำ
ในเครื่องยนต์ที่ไม่มีระบบอัดอากาศซึ่งใช้ออกเทนเป็นเชื้อเพลิง กำลังสูงสุดมักทำได้ที่ AFR ที่มีช่วงตั้งแต่ 12.5 ถึง 13.3:1 หรือ λ เท่ากับ 0.850 ถึง 0.901
อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่ 12:1 ถือเป็นอัตราส่วนที่ให้ผลผลิตสูงสุด ขณะที่อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่ 16:1 ถือเป็นอัตราส่วนที่ให้ความประหยัดเชื้อเพลิงสูงสุด
อัตราส่วนเชื้อเพลิงกับอากาศ (FAR).
อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศ (Fuel–air ratio) มักใช้ในอุตสาหกรรมกังหันแก๊สรวมถึงในการศึกษาวิจัยเครื่องยนต์สันดาปภายในของรัฐบาล และหมายถึงอัตราส่วนของเชื้อเพลิงต่ออากาศ
<math>\mathrm{FAR} = \frac{1}{\mathrm{AFR}}</math>
อัตราส่วนสมมูลอากาศต่อเชื้อเพลิง ("λ").
อัตราส่วนสมมูลอากาศต่อเชื้อเพลิง (air–fuel equivalence ratio) หรือ λ (แลมบ์ดา) คืออัตราส่วนของ AFR จริงต่ออัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์สำหรับส่วนผสมที่กำหนด โดย λ = 1.0 คือที่ค่าปริมาณสัมพันธ์ ส่วนผสมหนาจะมี λ < 1.0, และส่วนผสมบางจะมี λ > 1.0
มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่าง λ และ AFR ในการคำนวณ AFR จาก λ ที่กำหนด ให้คูณ λ ที่วัดได้ด้วย AFR ปริมาณสัมพันธ์สำหรับเชื้อเพลิงนั้น หรืออีกวิธีหนึ่ง ในการหา λ จาก AFR ให้หาร AFR ด้วย AFR ปริมาณสัมพันธ์สำหรับเชื้อเพลิงนั้น สมการสุดท้ายนี้มักถูกใช้เป็นนิยามของ λ:
<math>\lambda = \frac{\mathrm{AFR}}{\mathrm{AFR}_\text{stoich}}</math>
เนื่องจากองค์ประกอบของเชื้อเพลิงทั่วไปจะแตกต่างกันไปตามฤดูกาล และเนื่องจากยานพาหนะสมัยใหม่หลายคันสามารถรองรับเชื้อเพลิงที่แตกต่างกันเมื่อทำการปรับแต่ง การพูดถึง λ จึงสมเหตุสมผลมากกว่าการพูดถึง AFR
อุปกรณ์วัด AFR ในทางปฏิบัติส่วนใหญ่จะวัดปริมาณออกซิเจนที่เหลืออยู่ (สำหรับสารผสมบาง) หรือไฮโดรคาร์บอนที่ยังไม่เผาไหม้ (สำหรับสานผสมหนา) ในไอเสีย
อัตราส่วนสมมูลเชื้อเพลิงต่ออากาศ ("Φ").
อัตราส่วนสมมูลเชื้อเพลิงต่ออากาศ (fuel–air equivalence ratio) หรือ "Φ" (ฟี) ของระบบถูกนิยามให้เป็นอัตราส่วนของอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์ต่ออัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์ปริมาณสัมพันธ์ ในทางคณิตศาสตร์สามารถเขียนได้ดังนี้:
<math> \phi = \frac{\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}}{(\mbox{fuel-to-oxidizer ratio})_\text{st}} = \frac{m_\text{fuel}/m_\text{ox}}{\left(m_\text{fuel}/m_\text{ox}\right)_\text{st}} = \frac{n_\text{fuel}/n_\text{ox}}{\left(n_\text{fuel}/n_\text{ox}\right)_\text{st}}</math>
โดยที่ "m" แทนมวล "n" แทนจำนวนโมล และตัวห้อย st หมายถึงสภาวะปริมาณสัมพันธ์
ข้อดีของการใช้อัตราส่วนสมมูลเหนือกว่าอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์คืออัตราส่วนสมมูลจะคำนึงถึง (และจึงเป็นอิสระจาก) ทั้งค่ามวลและค่าโมลสำหรับเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาสารผสมของอีเทน (#เปลี่ยนทาง 
) และออกซิเจน (#เปลี่ยนทาง 
) หนึ่งโมล อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์ของสารผสมนี้ตามมวลของเชื้อเพลิงและอากาศคือ:
<math chem> \frac{m_\ce{C2H6}}{m_\ce{O2}} = \frac{1 \times (2\times12+6\times1)}{1 \times (2\times16)} = \frac{30}{32} = 0.9375</math>
และอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์ของสารผสมนี้ตามจำนวนโมลของเชื้อเพลิงและอากาศคือ:
<math chem> \frac{n_\ce{C2H6}}{n_\ce{O2}} = \frac{1}{1} = 1</math>
เห็นได้ชัดว่าค่าทั้งสองไม่เท่ากัน หากต้องการเปรียบเทียบกับอัตราส่วนสมมูล เราจำเป็นต้องหาอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์ของสารผสมอีเทนและออกซิเจน สำหรับสิ่งนี้เราต้องพิจารณาปฏิกิริยาเชิงปริมาณสัมพันธ์ของอีเทนและออกซิเจน:
C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O
สิ่งนี้ทำให้เราได้
<math chem>(\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass})_\text{st} = \left(\frac{m_\ce{C2H6}}{m_\ce{O2}}\right)_\text{st} = \frac{1 \times (2 \times 12 + 6 \times 1)}{3.5 \times (2 \times 16)} = \frac{30}{112} = 0.268 </math>
<math chem>(\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles})_\text{st} = \left(\frac{n_\ce{C2H6}}{n_\ce{O2}}\right)_\text{st} = \frac{1}{3.5} = 0.286 </math>
ดังนั้น เราสามารถหาอัตราส่วนสมมูลของสารผสมที่กำหนดได้เป็น:
<math chem> \phi = \frac{m_\ce{C2H6}/m_\ce{O2}}{\left(m_\ce{C2H6}/m_\ce{O2}\right)_\text{st}} = \frac{0.938}{0.268} = 3.5 </math>
หรือในทำนองเดียวกัน:
<math chem> \phi = \frac{n_\ce{C2H6}/n_\ce{O2}}{\left(n_\ce{C2H6}/n_\ce{O2}\right)_\text{st}} = \frac{1}{0.286} = 3.5 </math>
ข้อดีอีกอย่างของการใช้อัตราส่วนสมมูลคือ อัตราส่วนที่มากกว่าหนึ่งจะหมายถึงมีเชื้อเพลิงในสารผสมเชื้อเพลิงกับตัวออกซิไดซ์มากกว่าที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ (ปฏิกิริยาเชิงปริมาณสัมพันธ์) เสมอโดยไม่ขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ที่ใช้ ขณะที่อัตราส่วนที่น้อยกว่าหนึ่งแสดงถึงการขาดแคลนเชื้อเพลิงหรือมีตัวออกซิไดซ์ส่วนเกินในส่วนผสม ต่างจากการใช้อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์ ซึ่งจะมีค่าที่แตกต่างกันสำหรับส่วนผสมที่แตกต่างกัน
อัตราส่วนสมมูลเชื้อเพลิงต่ออากาศสัมพันธ์กับอัตราส่วนสมมูลอากาศต่อเชื้อเพลิง (ที่นิยามไว้ก่อนหน้า) ดังนี้:
<math>\phi = \frac{1}{\lambda}</math>
สัดส่วนสารผสม.
ปริมาณสัมพัทธ์ของการเติมออกซิเจนและการเจือจางเชื้อเพลิงสามารถวัดปริมาณได้ด้วยสัดส่วนสารผสม (mixture fraction) Z ซึ่งนิยามดังนี้
<math>Z = \left[ \frac{s Y_\mathrm{F} - Y_\mathrm{O} + Y_\mathrm{O,0}}{s Y_\mathrm{F,0} + Y_\mathrm{O,0}} \right]</math>,
เมื่อ
<math>s = \mathrm{AFR}_\mathrm{stoich} = \frac{W_\mathrm{O} \times v_\mathrm{O}}{W_\mathrm{F} \times v_\mathrm{F}}</math>,
"Y"F,0 และ "Y"O,0 แทนสัดส่วนมวลของเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ที่ทางเข้า "W"F และ "W"O คือน้ำหนักโมเลกุลของสาร และ "v"F และ "v"O คือสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ของเชื้อเพลิงและออกซิเจนตามลำดับ สัดส่วนสารผสมปริมาณสัมพันธ์คือ:
<math>Z_\mathrm{st} = \left[ \frac{1}{1 + \frac{Y_\mathrm{F,0} \times W_\mathrm{O} \times v_\mathrm{O}}{Y_\mathrm{O,0} \times W_\mathrm{F} \times v_\mathrm{F}}} \right ]</math>
สัดส่วนสารผสมปริมาณสัมพันธ์มีความสัมพันธ์กับ "λ" (แลมบ์ดา) และ "Φ" (ฟี) โดยสมการ:
<math>Z_\text{st} = \frac{\lambda}{1+\lambda} = \frac{1}{1+\phi}</math>,
สมมติให้:
<math>\mathrm{AFR} = \frac{Y_\mathrm{O,0}}{Y_\mathrm{F,0}}</math>
ร้อยละอากาศเผาไหม้ส่วนเกิน.
ในเครื่องทำความร้อนใช้ไฟในโรงงานอุตสาหกรรม เครื่องกำเนิดไอน้ำในโรงไฟฟ้า และกังหันใช้แก๊สขนาดใหญ่ ศัพท์ที่นิยมใช้มากกว่าคือ "ร้อยละอากาศเผาไหม้ส่วนเกิน" และ "ร้อยละอากาศปริมาณสัมพันธ์" ตัวอย่างเช่น อากาศเผาไหม้ส่วนเกิน 15% หมายความว่ามีการใช้อากาศมากกว่าปริมาณสัมพันธ์ 15% (หรือคิดเป็น 115% ของอากาศปริมาณสัมพันธ์)
จุดควบคุมการเผาไหม้สามารถกำหนดได้โดยการระบุร้อยละของอากาศส่วนเกิน (หรือออกซิเจน) ในตัวออกซิไดซ์ หรือโดยการระบุร้อยละของออกซิเจนในผลผลิตการเผาไหม้ มาตรวัดอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงสามารถใช้เพื่อวัดร้อยละของออกซิเจนในแก๊สเผาไหม้ ซึ่งจากนั้นสามารถคำนวณร้อยละของออกซิเจนส่วนเกินได้จากการคำนวณตามทฤษฎีและดุลมวลสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น สำหรับการเผาไหม้โพรเพน (#เปลี่ยนทาง 
) ระหว่างอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์และอากาศส่วนเกิน 30% (AFRmass อยู่ระหว่าง 15.58 ถึง 20.3) ความสัมพันธ์ระหว่างร้อยละของอากาศส่วนเกินและร้อยละของออกซิเจนจะเป็นดังนี้:
<math>\begin{align}
 \mathrm{Mass\% \ O_2 \ in \ propane \ combustion \ gas} &\approx -0.1433(\mathrm{\% \ excess \ O_2})^2 + 0.214(\mathrm{\% \ excess \ O_2}) \\
 \mathrm{Volume\% \ O_2 \ in \ propane \ combustion \ gas} &\approx -0.1208(\mathrm{\% \ excess \ O_2})^2 + 0.186(\mathrm{\% \ excess \ O_2})
\end{align}</math>