Wzrost temperatury podczas sprężania

Zmniejszając objętość gazu podnosimy jego temperaturę.

Zjawisko to opisuje równanie Poissona:

gdzie:

• V - objętość [dm³],
• T - temperatura [K]
• κ (kappa) - wykładnik adiabaty - dla powietrza κ = 1.4

Powyższe równanie jest prawdziwe dla przemiany adiabatycznej (przemiana adiabatyczna to zjawisko, w którym nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem). Silnik spalinowy nie jest maszyną adiabatyczną, niemniej sam proces sprężania zachodzi tak szybko, że możemy uznać w przybliżeniu do dalszych obliczeń, iż jest adiabatyczny.

Wyobraźmy sobie strzykawkę o pojemności 1 litra. Jest w niej powietrze o temperaturze 20C. Zamykamy strzykawkę aby była szczelna i ściskamy szybko tłok w taki sposób aby objętość zamkniętej przestrzeni zmniejszyła się o połowę - do 0.5 litra.

Pytanie jaka będzie temperatura powietrza w zamkniętej przestrzeni?

Spróbujmy obliczyć temperaturę końca sprężania ze wzorów.

Ponieważ przestrzeń jest zamknięta i zakładamy adiabatyczną przemianę to:

po wstawieniu wartości otrzymujemy temperaturę T₂=114C.

Oznacza to, że po zmniejszeniu objętości gazu o połowę, temperatura gazu wzrosła prawie o 100C.

UWAGA. Do powyższych wzorów należy podstawić wartości w K (Kelwinach).

Jeśli będziemy sprężać bardziej gaz, to temperatura będzie rosła jeszcze bardziej.

W tabelce poniżej zawarłem temperatury powietrza w zależności od ciśnienia.

ε to stopień sprężania, stosunek V₁/V₂ to iloraz objętości przed zmianą objętości i po zmianie (dla powyższego przypadku będzie to 2).

W trzeciej kolumnie podałem temperaturę końca sprężania (początkowa temperatura wynosiła t₁=20C).

Teraz te same zależnośc umieszczone na wykresie.

Podsumujmy - zmniejszając objętość gazu podnosimy jego temperaturę.

Wróćmy teraz do liczby oktanowej.

Załóżmy, że w analizowanej strzykawce jest stechiometryczna mieszanka paliwa z powietrzem. Jeśli będziemy zmniejszać objętość to wzrośnie temperatura.

Przy zbyt niskiej liczbie oktanowej ściśnięta mieszanka paliwa z powietrzem zapali się sama (w normalnym silniku, jeszcze przed wystąpieniem iskry zapłonowej).

Mówiąc w uproszczeniu liczba oktanowa określa nam więc jak bardzo możemy zmniejszyć objętość mieszanki paliwa z powietrzem, aby nie doszło do samoczynnego wybuchu (samozapłonu).

Przypomnijmy jeszcze zależność liczby oktanowej od możliwego do osiągnięcia stopnia sprężania w silniku.

Jeszcze 100 lat temu nieprzekraczalny stopnień sprężania wynosił ε=4, właśnie z powodu spalania stukowego.

Charles Franklin Kettering odkrył, że dodanie czteretylku ołowiu znacznie podnosi liczbę oktanową, co umożliwiło podniesienie stopnia sprężania silników, wzrost mocy, oraz sprawności.