Dlaczego gazy spalinowe w komorze spalania obracają silnik, gdy tylko się pali?

Poprosiłem o to, ponieważ jeśli mam małą porcję paliwa kopalnego i zapalę go, paliwo tylko się pali. Ale w komorze spalania pojazdu to samo spalanie napędza tłok w dół, utrzymując pojazd w ruchu; dlaczego?

Podczas spalania wzrasta ciśnienie w komorze spalania i ciśnienie to popycha tłok. Istnieją dwa powody:

Wzrost ilości cząsteczek gazu

Powiedzmy, że używamy heksanu jako paliwa. Aby spalić jedną cząsteczkę heksanu składającą się z 6 atomów węgla i 14 atomów wodoru, potrzebujemy 13 atomów tlenu (6,5 cząsteczek tlenu) i otrzymujemy 7 wody i 6 cząsteczek dwutlenku węgla:

 1* Hexan           + 6.5* oxygen -> 7* water  + 6* carbondioxide

     H H H H H H
     | | | | | |
1* H-C-C-C-C-C-C-H  + 6.5* O-O    ->  7* H-O-H + 6* O-C-O
     | | | | | |
     H H H H H H

Ponieważ powietrze składa się tylko z 20% tlenu i 80% azotu, dla każdej cząsteczki tlenu w komorze znajdują się cztery cząsteczki azotu. Oni są nie powinien reagować w czasie spalania, więc wystarczy dodać azot 26 cząsteczek na obu stronach.

Tak więc przed spalaniem jest 1 + 6,5 + 26 = 33,5 cząsteczek, a potem jest 7 + 6 + 26 = 39 cząsteczek.

Ciekawym faktem na temat (idealnych) gazów jest to, że pewna objętość w określonej temperaturze i ciśnieniu zawsze zawiera tę samą ilość cząsteczek, niezależnie od rodzaju lub mieszaniny cząsteczek.

Powiedzmy, że nadal mamy tę samą objętość w komorze spalania i pomijając wzrost temperatury, wzrost liczby cząsteczek o współczynnik 39 / 33,5 = 1,16 powoduje również wzrost ciśnienia o współczynnik 1,16.

Ekspansja ciepła

Jeśli podniesiesz temperaturę gazu, rozszerzy się. Jeśli nie może, ponieważ jest zamknięty w komorze spalania, zamiast tego wzrasta ciśnienie. Na przykład dowolna (stała) objętość gazu doskonałego w temperaturze pokojowej (20 ° C) zwiększa ciśnienie o współczynnik 4,3 po podgrzaniu do 1000 ° C.

Wszyscy razem

Podczas spalania ciśnienie wzrasta o współczynnik 1,16 wraz ze wzrostem liczby cząsteczek i kolejny czynnik 4,3 z powodu temperatury, co prowadzi do wzrostu całkowitego współczynnika ciśnienia o 5. Powiedzmy, że komora spalania ma tłok o średnicy 8 cm (typowy otwór), co odpowiada powierzchni 50 cm². Ciśnienie 5000 hPa (różnica w stosunku do ciśnienia otoczenia 1013 hPa) przyłoży siłę 2500 N (lub 560 funtów) na tłok i popchnie go w dół.

Nie powiedziałem tutaj, że prawdziwy silnik najpierw ściska mieszaninę powietrze / paliwo około 14 razy, co zwiększa temperaturę i ciśnienie w cylindrze. (Tutaj inwestuje energię, ale odzyskuje ją po spaleniu). Nie wiem też, jaka temperatura zostanie osiągnięta podczas spalania.

Jest to również bardzo podstawowe obliczenie pomijające niektóre efekty, ale myślę, że wyraźnie pokazuje, jak powstaje siła na tłoku.

Aha, a jeśli podpalisz trochę paliwa w zamkniętym pojemniku, zauważysz również wzrost ciśnienia. Ale ponieważ proces jest dość powolny, większość ciepła opuszcza kosz, więc nie robi się tak gorąco, a ciśnienie nie jest tak wysokie. (Ale bądź ostrożny: opary paliwa mogą eksplodować, a wtedy masz wysokie ciśnienie ...)

AFAIK, jak to działa, gdy palisz paliwo, masz go w stanie ciekłym pod ciśnieniem atmosferycznym. W rzeczywistości nie palisz cieczy, palisz opary, które tworzą się nad cieczą.

W silniku paliwo jest uwalniane do kropelek, które tworzą dużą powierzchnię dla paliwa w celu usunięcia pary. ECU tworzy bardzo specyficzną mieszankę tego paliwa, pary i powietrza, która jest potrzebna do wytworzenia opału o wysokiej energii, który powoduje, że silnik się obraca.

Bez tego bardzo konkretnego stosunku nie dostajesz bardziej energetycznego oparzenia. Chemia, dlaczego tak jest, nie wiem.

Mam nadzieję że to pomogło.