Perché i gas di combustione della camera di combustione fanno girare il motore quando brucia solo?

Ho chiesto questo perché se ho una piccola porzione di combustibile fossile e l'accendo, il combustibile brucerà soltanto. Ma all'interno di una camera di combustione di un veicolo questa stessa combustione spingerà il pistone verso il basso mantenendo il veicolo in movimento; perché?

combustion-cycle

— LostPecti
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LostPecti: modifica se le mie modifiche non catturano il tuo intento.

— Fred Wilson,

No, hai colto perfettamente la mia domanda. Grazie per l'aiuto.

— LostPecti,

La cosa principale è che stai trasformando il carburante in una nebbia sottile. Se accendi una pozzanghera, brucerà lentamente, se ne atomizzi e accendi la nuvola, esploderà. Praticamente qualsiasi cosa è pericolosa quando è abbastanza piccola e in quantità abbastanza elevata mescolata con l'aria. Basta google sulle esplosioni dei mulini, anche la farina è esplosiva se ben miscelata con l'aria che rende i mulini super pericolosi. Lo comprimiamo in modo che ci sia ancora più ossigeno attorno alla sostanza che vogliamo bruciare. Aggiungi questi insieme e otterrai abbastanza forza esplosiva.

— Trotski94,

Durante la combustione, la pressione nella camera di combustione aumenta e questa pressione spinge verso il basso il pistone. Ci sono due ragioni per questo:

Aumento della quantità di molecole di gas

Diciamo che usiamo esano come combustibile. Per bruciare una molecola di esano composta da 6 atomi di carbonio e 14 di idrogeno, abbiamo bisogno di 13 atomi di ossigeno (6,5 molecole di ossigeno) e ottenere 7 molecole di acqua e 6 di carbondioossido:

 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

Poiché l'aria contiene solo il 20% di ossigeno e l'80% di azoto, ci sono quattro molecole di azoto per ogni molecola di ossigeno nella camera. Essi ~~fanno~~ non devono reagire durante la combustione, quindi è sufficiente aggiungere 26 molecole di azoto su entrambi i lati.

Quindi, prima della combustione, ci sono 1 + 6,5 + 26 = 33,5 molecole e dopo ci sono 7 + 6 + 26 = 39 molecole.

Un fatto interessante sui gas (ideali) è che un certo volume a determinate temperature e pressioni contiene sempre la stessa quantità di molecole, indipendentemente dal tipo o dalla miscela di molecole.

Diciamo che abbiamo ancora lo stesso volume nella camera di combustione e trascuriamo l'aumento della temperatura, l'aumento del numero di molecole di un fattore di 39 / 33,5 = 1,16 comporta anche un aumento della pressione di un fattore di 1,16.

Espansione del calore

Se aumenti la temperatura di un gas, si espanderebbe. Se non è possibile perché è racchiuso nella camera di combustione, la pressione aumenta invece. Ad esempio, qualsiasi volume (costante) di gas ideale a temperatura ambiente (20 ° C) aumenta la sua pressione di un fattore per 4,3 se riscaldato a 1000 ° C.

Tutti insieme

Durante la combustione, la pressione aumenta di un fattore di 1,16 all'aumentare del numero di molecole e di un altro fattore di 4,3 a causa della temperatura, portando ad un fattore totale di 5 nell'aumento della pressione. Diciamo che la camera di combustione ha un pistone di 8 cm di diametro (foro tipico), che corrisponde a una superficie di 50 cm². Una pressione di 5000hPa (differenza rispetto alla pressione ambientale di 1013 hPa) applicherà una forza di 2500 N (o 560 lbf) sul pistone e la spingerà verso il basso.

Quello che non ho detto qui è che un vero motore comprime prima la miscela aria / carburante di un fattore di circa 14, che aumenta la temperatura e la pressione nel cilindro. (Investe energia qui, ma la recupera dopo la combustione) Inoltre, non so quale temperatura viene raggiunta durante la combustione.

Inoltre, questo è un calcolo molto semplice che trascura alcuni effetti, ma penso che mostri chiaramente come viene creata la forza sul pistone.

Oh, e se accendi un po 'di carburante in un bidone chiuso, noterai anche un aumento della pressione. Ma poiché il processo è piuttosto lento, la maggior parte del calore lascia il cestino, non diventa così caldo e la pressione non è così alta. (Ma fai attenzione: i vapori di carburante possono esplodere e quindi hai l'alta pressione ...)

— sweber
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Bella risposta. Posso aggiungere alcuni commenti qui. Le temperature del collettore di scarico possono raggiungere 1200-1600 F. Il rapporto tra le pressioni prima e dopo la combustione è generalmente modellato dagli ingegneri automobilistici come "rapporto di esplosione". In questo modo non devono preoccuparsi troppo della chimica dietro le quinte

— Zaid,

Prima di tutto grazie per la tua risposta dettagliata. Fammi vedere se capisco. L'idea di un carburante è quella di fare abbastanza pressione per spingere il pistone verso il basso. Lo fa usando due metodi. Il primo utilizza molecole, più molecole hanno aggiunto maggiore è la pressione nel cilindro. L'altro metodo sta usando il calore, poiché sappiamo che il gas ha atomi e può espandersi meglio di atomi solidi o atomi liquidi. Quando gli atomi nel gas vengono riscaldati si espandono causando ancora più pressione. Quindi in tutte le camere di combustione si basano su un'elevata pressione. Ho una domanda perché aria / pochi devono essere compressi per primi?

— LostPecti,

@LostPecti Penso che la tua domanda sia fantastica. L'altra tua domanda nel tuo commento, "Perché è necessario comprimere aria / carburante?" è un'altra domanda. Dovresti chiederlo. :-) Saluti!

— DucatiKiller,

@LostPecti: Beh, gli atomi / le molecole non si espandono, sono più come piccoli pugili che tengono a distanza i loro vicini colpendoli con un pugno. Il calore è la loro droga (-> più forza, più distanza, più spazio necessario per tutti i pugili) e ovviamente più pugili vogliono più spazio. Il pistone inoltre prende molti pugni, che lo spingono verso il basso. (Hmm, avrei dovuto metterlo nella risposta ...). Ma hai ragione, l'idea di un motore a pistoni che utilizza carburante è quella di generare pressione all'interno del cilindro per spingere il pistone verso il basso. I motori a vapore generano pressione all'esterno e la portano nel cilindro.

— dolce

AFAIK il modo in cui funziona quando si brucia il carburante, lo si ha allo stato liquido a pressione atmosferica. In realtà non stai bruciando il liquido, stai bruciando i vapori che si formano sul liquido.

Quando è nel motore, il carburante viene erogato in goccioline che creano molta superficie per consentire al carburante di espellere il vapore. Quello che fa l'ECU è creare una miscela molto specifica di questo carburante, vapore e aria che è necessaria per creare l'elevata energia che fa girare il motore.

Senza quel rapporto molto specifico non si ottiene l'ustione più energetica. La chimica dietro perché non lo so.

Spero che aiuti.

— cdunn
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