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

8

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?

LostPecti
źródło
LostPecti: edytuj, jeśli moje zmiany nie odzwierciedlają twoich zamiarów.
Fred Wilson,
Nie, doskonale uchwyciłeś moje pytanie. Dzięki za pomoc.
LostPecti,
Najważniejsze, że zamieniasz paliwo w drobną mgłę. Jeśli rozpalisz kałużę, spłonie ona powoli, jeśli rozpylisz ją i rozpalisz chmurę, wybuchnie. Prawie wszystko jest niebezpieczne, gdy jest wystarczająco małe i w wystarczająco dużych ilościach zmieszanych z powietrzem. Wystarczy google o eksplozjach młyna, nawet mąka jest wybuchowa, gdy jest dobrze wymieszana z powietrzem, co czyni młyny super niebezpiecznymi. Kompresujemy go, aby wokół substancji, którą chcemy spalić, było jeszcze więcej tlenu. Dodaj je razem, a otrzymasz całkiem wybuchową siłę.
Trotski94,

Odpowiedzi:

10

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 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 ...)

Sweber
źródło
Świetna odpowiedź. Mogę tu dodać kilka komentarzy. Temperatura kolektora wydechowego może osiągnąć 1200-1600 F. Stosunek ciśnień przed i po spalaniu jest zwykle modelowany przez inżynierów samochodowych jako „współczynnik wybuchu”. W ten sposób nie muszą się zbytnio przejmować chemią za kulisami
Zaid
Po pierwsze dziękuję za szczegółową odpowiedź. Pokaż mi, czy rozumiem. Ideą paliwa jest wytworzenie wystarczającego ciśnienia, aby popchnąć tłok w dół. Robi to za pomocą dwóch metod. Pierwszy wykorzystuje cząsteczki, im więcej cząsteczek dodaje, tym więcej ciśnienia w cylindrze. Druga metoda wykorzystuje ciepło, ponieważ wiemy, że gaz ma atomy i może rozszerzać się lepiej niż atomy stałe lub atomy ciekłe. Gdy atomy w gazie są ogrzewane, rozszerzają się, powodując jeszcze większe ciśnienie. Dlatego we wszystkich komorach spalania należy polegać na wysokim ciśnieniu. Mam pytanie, dlaczego powietrze / kilka trzeba najpierw skompresować?
LostPecti,
@LostPecti Myślę, że twoje pytanie jest świetne. Twoje drugie pytanie w komentarzu: „Dlaczego powietrze / paliwo należy sprężać?” to kolejne pytanie. Powinieneś o to zapytać. :-) Twoje zdrowie!
DucatiKiller 21.04.16
@LostPecti: Cóż, atomy / cząsteczki nie rozszerzają się, są bardziej jak małe boksery, które trzymają sąsiadów na dystans, uderzając je. Ciepło jest ich domieszką (-> więcej siły, większy dystans, więcej przestrzeni potrzebnej wszystkim bokserom) i oczywiście więcej bokserów chce więcej miejsca. Tłok przyjmuje również wiele ciosów, które go zmuszają. (Hmm, powinienem był to udzielić odpowiedzi ...). Ale masz rację, ideą silnika tłokowego wykorzystującego paliwo jest wytwarzanie ciśnienia wewnątrz cylindra w celu popychania tłoka w dół. Silniki parowe wytwarzają ciśnienie na zewnątrz i wprowadzają je do cylindra.
Sweber 21.04.16
4

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.

cdunn
źródło