Warum drehen Brennkammerverbrennungsgase den Motor, wenn er nur brennt?

Ich habe das gefragt, weil wenn ich eine kleine Portion fossilen Brennstoffs habe und ihn anzünde, der Brennstoff nur verbrennt. Aber in einem Brennraum eines Fahrzeugs treibt dieselbe Verbrennung den Kolben nach unten und hält das Fahrzeug in Bewegung. Warum?

Während der Verbrennung wird der Druck in der Brennkammer erhöht und dieser Druck drückt den Kolben nach unten. Dafür gibt es zwei Gründe:

Erhöhung der Menge an Gasmolekülen

Nehmen wir an, wir verwenden Hexan als Kraftstoff. Um ein Hexanmolekül bestehend aus 6 Kohlenstoff- und 14 Wasserstoffatomen zu verbrennen, benötigen wir 13 Sauerstoffatome (6,5 Sauerstoffmoleküle) und erhalten 7 Wasser- und 6 Kohlendioxidmoleküle:

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

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

Da Luft nur zu 20% aus Sauerstoff und zu 80% aus Stickstoff besteht, befinden sich für jedes Sauerstoffmolekül in der Kammer vier Stickstoffmoleküle. Sie tun sollten nicht während der Verbrennung reagieren, so dass man einfach 26 Moleküle hinzufügen Stickstoff auf beiden Seiten.

Vor der Verbrennung gibt es also 1 + 6,5 + 26 = 33,5 Moleküle und danach 7 + 6 + 26 = 39 Moleküle.

Eine interessante Tatsache bei (idealen) Gasen ist, dass ein bestimmtes Volumen bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck immer die gleiche Menge an Molekülen enthält, unabhängig von der Art oder Mischung der Moleküle.

Nehmen wir an, wir haben noch das gleiche Volumen im Brennraum und vernachlässigen die Temperaturerhöhung, die Erhöhung der Molekülzahl um den Faktor 39 / 33,5 = 1,16 führt auch zu einer Druckerhöhung um den Faktor 1,16.

Wärmeausdehnung

Wenn Sie die Temperatur eines Gases erhöhen, würde es sich ausdehnen. Wenn dies nicht möglich ist, weil es in der Brennkammer eingeschlossen ist, steigt stattdessen der Druck. Zum Beispiel erhöht jedes (konstante) Volumen des idealen Gases bei Raumtemperatur (20 ° C) seinen Druck um einen Faktor von 4,3, wenn es auf 1000 ° C erhitzt wird.

Alle zusammen

Während der Verbrennung steigt der Druck mit zunehmender Anzahl der Moleküle um den Faktor 1,16 und ein weiterer Faktor 4,3 aufgrund der Temperatur, was zu einem Druckanstieg um den Gesamtfaktor 5 führt. Angenommen, die Brennkammer hat einen Kolben von 8 cm Durchmesser (typische Bohrung), was einer Oberfläche von 50 cm² entspricht. Ein Druck von 5000 hPa (Differenz zum Umgebungsdruck von 1013 hPa) übt eine Kraft von 2500 N (oder 560 lbf) auf den Kolben aus und drückt ihn nach unten.

Was ich hier nicht gesagt habe, ist, dass ein echter Motor zuerst das Luft / Kraftstoff-Gemisch um den Faktor 14 komprimiert, was die Temperatur und den Druck im Zylinder erhöht. (Es investiert Energie hier, aber es bekommt sie nach der Verbrennung zurück.) Außerdem weiß ich nicht, welche Temperatur während der Verbrennung erreicht wird.

Auch dies ist eine sehr grundlegende Berechnung, die einige Effekte vernachlässigt, aber ich denke, sie zeigt deutlich, wie die Kraft auf den Kolben erzeugt wird.

Oh, und wenn Sie ein wenig Kraftstoff in einem geschlossenen Behälter anzünden, werden Sie auch einen Druckanstieg bemerken. Aber da der Prozess ziemlich langsam ist, verlässt der größte Teil der Wärme den Behälter, wird nicht so heiß und der Druck ist nicht so hoch. (Aber Vorsicht: Kraftstoffdämpfe können explodieren, und dann haben Sie den hohen Druck ...)

AFAIK so wie dies funktioniert, wenn Sie den Kraftstoff verbrennen, haben Sie es in flüssigem Zustand bei atmosphärischem Druck. Tatsächlich verbrennen Sie nicht die Flüssigkeit, sondern die Dämpfe, die sich über der Flüssigkeit bilden.

Im Motor wird Kraftstoff in Tröpfchen ausgebracht, wodurch eine große Oberfläche entsteht, über die der Kraftstoff Dampf ausstoßen kann. Das Steuergerät erzeugt ein sehr spezifisches Gemisch aus Kraftstoff, Dampf und Luft, das für den energiereichen Verbrennungsprozess des Motors benötigt wird.

Ohne dieses sehr spezifische Verhältnis bekommt man keine energischere Verbrennung. Die Chemie dahinter, warum das so ist, weiß ich nicht.

Ich hoffe das hilft.