Понятие о процессе сгорания как о сложном физико-химическом процессе

Процесс сгорания в цилиндре представляет собой сложную многостадийную химическую реакцию, в результате которой исходные компоненты топ шва (С, Н и др.) окисляются кислородом воздуха с появлением пламени и выделением определенного количества теплоты.

Окислительные процессы с точки зрения химии являются процессами перемещения электронов с орбит атомов окисляющегося вещества (С, Н и др.) на орбиты атомов или ионов окислителя (О₂ и др). В результате таких процессов в камере сгорания возникает свечение газа (пламя), являющееся результатом оптического возбуждения исходных молекул топлива.

Реакции окисления начинаются с момента столкновения молекул двух реагирующих веществ, причем энергии соударяющихся молекул должно быть достаточно для разрушения внутримолекулярных связей. Быстрые молекулы, обладающие таким запасом энергии, являются наиболее активными. Для развития реакции необходимо, чтобы в одном из реагирующих компонентов появились в большом количестве активные молекулы. Активация молекул в химических реакциях практически осуществляется за счет подвода теплоты. В ДВС подвод теплоты осуществляется за счет сильного сжатия.

Большинство химических реакций идет через цепь образования ряда промежуточных, иногда крайне неустойчивых соединений. Ведущую роль в развитии цепных реакций играют химически активные частицы, представляющие собой атомы или осколки молекул с незамещенными свободными валентностями (-Н, -ОН, -ОН₂, -СН₂, -СН₃, -С₂H₅, -О, =О и др.). Такие частицы легко вступают в соединения с исходными или промежуточными веществами без и < термической активации. В результате таких взаимодействий образуются конечные продукты окисления (СО₂, Н₂О и др.) и одновременно возникают такие же или другие химически активные частицы, которые вновь вступают в реакции, возобновляя цепочку превращений веществ.

Если при взаимодействии одной химически активной частицы с молекулой образуется лишь одна активная частица, то имеет место неразветвленная цепная реакция. Такая реакция будет продолжаться до тех пор, пока не наступит обрыв цепи - попадание активной частицы на стенку цилиндра, на соударение с другой активной частицей или с молекулой инертного вещества.

Если при взаимодействии одной химически активной частицы с молекулой образуются две или более активных частиц, то имеет место разветвленная цепная реакция. Концентрация активных частиц быстро возрастает, а следовательно, растет и скорость реакции. Со временем нарастают процессы снижения концентрации активных частиц из-за обрыва цепочек и выгорания исходных веществ, в результате чего скорость реакции уменьшается.

В соответствии с цепочно-тепловой теорией окисления углеводородов возникшее пламя является не только мощным источником теплоты, но и источником термически и химически активных частиц, которые диффундируют в свежий заряд в направлении распространения пламени. Под действием теплового потока от пламени и диффузии активных частиц в свежий заряд, непосредственно примыкающем к фронту пламени, развивается самоускоряющийся процесс сгорания.

Наиболее быстро, процессы сгорания протекают в однородных горючих смесях, когда молекулы топлива равномерно распределены между молекулами кислорода воздуха по всему объему свежего заряда.

В неоднородных горючих смесях скорость сгорания определяется скоростями взаимной диффузии молекул топлива и воздуха, то есть скоростью испарения капель топлива и перемешивания паров топлива с воздухом.

Химические реакции сгорания начинают протекать с высокими скоростями лишь после того, как горючая смесь будет нагрета до высокой температуры за счет теплоты, выделяющейся в процессе сгорания. При высоких скоростях в реагирующей смеси появляются местные градиенты давления, приводящие к образованию и распространению both сжатия. При соответствующих условиях такие волны, накладываясь одна на другую, могут усиливаться и превращаться в ударные волны, в свою очередь оказывающие влияние на развитие химических реакций.

Детальное изучение и расчет таких сложных физико-химических процессов, сопровождающихся явлениями тепло- и массообмена, газодинамическими возмущениями затруднено. Однако теория горения, основываясь на ряде упрощающих допущений, позволяет делать качественные и достаточно точные для практического использования выводы при исследованиях и доводке рабочего процесса поршневых двигателей.