¿Por qué los gases de combustión de la cámara de combustión hacen girar el motor cuando solo se quema?

Pregunté esto porque si tengo una pequeña porción de combustible fósil y lo enciendo, el combustible solo se quemará. Pero dentro de una cámara de combustión de un vehículo, esta misma combustión impulsará el pistón hacia abajo manteniendo el vehículo en movimiento; ¿por qué?

combustion-cycle

— LostPecti
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LostPecti: edite si mis cambios no capturan su intención.

— Fred Wilson

No, capturaste mi pregunta perfectamente. Gracias por tu ayuda.

— LostPecti

Lo principal es que estás convirtiendo el combustible en una fina niebla. Si enciende un charco, arderá lentamente, si lo atomiza y enciende la nube, explotará. Casi cualquier cosa es peligrosa cuando es lo suficientemente pequeña y en cantidades suficientemente altas mezclada con el aire. Simplemente busque en Google las explosiones de molinos de harina, incluso la harina es explosiva cuando se mezcla bien con el aire, lo que hace que los molinos de harina sean súper peligrosos. Lo comprimimos para que haya aún más oxígeno alrededor de la sustancia que queremos quemar. Agregue estos juntos y obtendrá la fuerza explosiva.

— Trotski94

Durante la combustión, la presión en la cámara de combustión aumenta, y esta presión empuja hacia abajo el pistón. Hay dos razones para esto:

Aumento de la cantidad de moléculas de gas.

Digamos que usamos hexano como combustible. Para quemar una molécula de hexano que consta de 6 átomos de carbono y 14 de hidrógeno, necesitamos 13 átomos de oxígeno (6.5 moléculas de oxígeno) y obtener 7 moléculas de agua y 6 moléculas de dióxido de carbono:

 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

Debido a que el aire consiste en solo 20% de oxígeno y 80% de nitrógeno, hay cuatro moléculas de nitrógeno para cada molécula de oxígeno en la cámara. Ellos ~~hacen~~ no deberían reaccionar durante la combustión, por lo que sólo tiene que añadir 26 moléculas de nitrógeno en ambos lados.

Entonces, antes de la combustión, hay 1 + 6.5 + 26 = 33.5 moléculas y después, hay 7 + 6 + 26 = 39 moléculas.

Un hecho interesante sobre los gases (ideales) es que un cierto volumen a cierta temperatura y presión siempre contiene la misma cantidad de moléculas, independientemente de qué tipo o mezcla de moléculas.

Digamos que todavía tenemos el mismo volumen en la cámara de combustión y descuidamos el aumento de temperatura, el aumento del número de moléculas en un factor de 39 / 33.5 = 1.16 resulta en un aumento de la presión en un factor de 1.16 también.

Expansión de calor

Si aumenta la temperatura de un gas, se expandiría. Si no puede porque está encerrado en la cámara de combustión, la presión aumenta en su lugar. Por ejemplo, cualquier volumen (constante) de gas ideal a temperatura ambiente (20 ° C) aumenta su presión en un factor de 4.3 cuando se calienta a 1000 ° C.

Todos juntos

Durante la combustión, la presión aumenta en un factor de 1.16 a medida que aumenta el número de moléculas, y otro factor de 4.3 debido a la temperatura, lo que lleva a un factor total de 5 en el aumento de la presión. Digamos que la cámara de combustión tiene un pistón de 8 cm de diámetro (diámetro típico), que corresponde a una superficie de 50 cm². Una presión de 5000 hPa (diferencia con la presión ambiental de 1013 hPa) aplicará una fuerza de 2500 N (o 560 lbf) sobre el pistón y lo empujará hacia abajo.

Lo que no dije aquí es que un motor real comprime primero la mezcla de aire / combustible por un factor de aproximadamente 14, lo que aumenta la temperatura y la presión en el cilindro. (Invierte energía aquí, pero la recupera después de la combustión) Además, no sé qué temperatura se alcanza durante la combustión.

Además, este es un cálculo muy básico que descuida algunos efectos, pero creo que muestra claramente cómo se crea la fuerza sobre el pistón.

Ah, y si enciende un poco de combustible en un contenedor cerrado, también notará un aumento de la presión. Pero como el proceso es bastante lento, la mayor parte del calor sale del depósito, no se calienta tanto y la presión no es tan alta. (Pero tenga cuidado: los vapores de combustible pueden explotar, y luego tiene la alta presión ...)

— Sweber
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Gran respuesta. Puedo agregar algunos comentarios aquí. Las temperaturas del múltiple de escape pueden alcanzar 1200-1600 F. La relación de presiones antes y después de la combustión generalmente es modelada por los ingenieros automotrices como "relación de explosión". De esta manera, no tienen que preocuparse demasiado por la química detrás de escena

— Zaid

En primer lugar, gracias por su respuesta detallada. Déjame ver si entiendo. La idea de un combustible es ejercer suficiente presión para empujar el pistón hacia abajo. Hace esto usando dos métodos. El primero es usar moléculas, mientras más moléculas se agreguen más presión en el cilindro. El otro método es usar calor, ya que sabemos que el gas tiene átomos y puede expandirse mejor que los átomos sólidos o los átomos líquidos. Cuando los átomos en el gas se calientan, se expanden causando aún más presión. Por lo tanto, en todas las cámaras de combustión dependen de una gran cantidad de presión. Tengo una pregunta ¿por qué primero hay que comprimir aire / pocos?

— LostPecti

@LostPecti Creo que tu pregunta es genial. Su otra pregunta en su comentario, "¿Por qué el aire / combustible necesita ser comprimido?" Es otra pregunta. Deberías preguntarlo. :-) ¡Salud!

— DucatiKiller

@LostPecti: Bueno, los átomos / moléculas no se expanden, son más como pequeños boxeadores que mantienen a sus vecinos a distancia golpeándolos. El calor es su droga (-> más fuerza, más distancia, más espacio necesario para todos los boxeadores) y, por supuesto, más boxeadores quieren más espacio. El pistón también recibe muchos golpes, lo que lo empuja hacia abajo. (Hmm, debería haber puesto eso en la respuesta ...). Pero tiene razón, la idea de un motor de pistón que usa combustible es generar presión dentro del cilindro para empujar el pistón hacia abajo. Los motores de vapor generan presión afuera y la conducen al cilindro.

— Sweber

ASÍ COMO la forma en que funciona cuando se quema el combustible, lo tiene en estado líquido a presión atmosférica. En realidad no estás quemando el líquido, estás quemando los vapores que se forman sobre el líquido.

Cuando está en el motor, el combustible se desembolsa en gotitas, lo que crea una gran superficie para que el combustible expulse el vapor. Lo que hace la ECU es crear una mezcla muy específica de este combustible, vapor y aire que se necesita para crear la quema de alta energía que hace que el motor gire.

Sin esa proporción muy específica, no obtienes la quemadura más energética. La química detrás de por qué es eso no lo sé.

Espero que eso ayude.

— cdunn
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