Критические явления при сгорании

Процессы сгорания, происходящие при высоких температу­рах, всегда сопровождаются отводом теплоты, что проявляется в наличии критических явлений при горении: воспламенения и по­гасания.

При отсутствии потерь теплоты любая экзотермическая ре­акция должна привести к саморазгону процесса. Наличие же потерь устанавливает в качестве необходимых условий возник­новения сгорания превышение скорости выделения теплоты над теплоотводом.

Существует два способа теплового инициирования горения (воспламенения):

• создание условий превышения скорости выделения тепло­ты над теплоотводом, что приводит через саморазогрев смеси к возникновению устойчивого горения;

ф подведение от внешнего источника (например, при ис­кровом зажигании) энергии, достаточной для поддержания реак-' ций горения. Такой способ носит название поджигания.

В ДВС возможно сочетание обоих способов воспламенения.

С целью анализа критических явлений при горении сравним (при прочих равных условиях) зависимости от температуры Т скоростей химической реакции смеси, реагирующей в локаль­ном объеме, например в центре камеры сгорания (W

~const-e) (рис. 3.15), и тешюотвода в среду (или стенку) с температурой То (Q~const■ <х(Т—Т0)), считая коэффициент те­плоотдачи а постоянным. В зависимости от начальной темпе­ратуры Го и величины а возможны различные стационарные тепловые режимы (А, В и С) реагирования смеси, определяемые

равенством скоростей тепловыделения и теплоотвода (А и С — устойчивые, В — неустойчивый).

Если увеличивать температуру То (например, в процессе сжатия), то температура реагирования в режиме А также будет расти до значения Т, когда скорость химической реакции бу­дет равна скорости теплоотвода (режим А' при температуре окружающей среды Го) и превысит ее. В этом случае произой­дет воспламенение и переход на режим С. Такой же результат можно получить при уменьшении значения коэффициента тепло­отвода от а до а" (критические условия воспламенения в режиме А" при температуре в зоне реагирования Т и окружающей среды То).

Второй способ воспламенения (поджигание) может быть осу­
ществлен при подведении энергии, например в виде искрового
разряда. Скорости химических реакций в условиях высоких тем­
ператур в зоне искрового разряда имеют огромные величины.
Если подведенной энергии хватает на прогрев определенного
объема (обычно радиусом порядка трех толщин фронта пламени)
до температур, имеющих место в распространяющемся пламени,
то от такого объема будет распространяться пламя. В противном
случае очаг остынет и воспламенения не произойдет. При восп­
ламенении струи топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания
дизеля, одновременно имеет место подвод теплоты от горячего
источника, которым является окружающий заряд, к наружной
оболочке струи, где химические реакции протекают наиболее
интенсивно, и отвод теплоты из этой зоны в холодную централь­
ную часть топливной струи. По мере прогрева топливной струи
скорость отвода теплоты снижается до критического значения,
при котором происходит воспламенение наружной оболочки
струи..

Период времени от момента начала впрыскивания топлива до воспламенения, именуемый периодом задержки воспламенения, зависит от интенсивности прогрева струи, температуры горячего заряда и скорости химических реакций.

Наличие излишне высокого локального теплоотвода или тепловых потерь может приводить к противоположному кри­тическому явлению — погасанию. Характерными примерами яв­ляются гашение пламени у стенки цилиндра, разбавление смеси инертным компонентом, недостаточной по сравнению с необ­ходимой для прогрева свежей смеси скоростью выделения те­плоты (например, при значительном избытке одного из ко­мпонентов смеси). В последних двух случаях замедление рас­пространения пламени ведет к возрастанию потерь теплоты из фронта пламени.

Последний факт связан с существованием предельных кон­центраций, при которых еще происходит горение (так называ­емые концентрационные пределы распространения пламени): верхний предел — при переобогащении смесей, нижний — при их переобеднении.