5.3. Процессы, происходящие в заряде при воспламенении

Окислительные процессы являются процессами перемещения электронов с орбит атомов или ионов окисляющего вещества (горючего) на орбиты атомов или ионов окислителя (кислорода). Для такого перемещения электронов необходима энергия, которая подводится к молекулам в начале реакции в виде кинетической энергии при соударениях. Число соударений и их энергия зависят от концентрации реагентов в смеси и их температуры. Для начала горения необходима первоначальная затрата энергии, роль которой в ДВС выполняет теплота сжатого заряда или энергия электрического разряда.

Различают низкотемпературное многостадийное и высокотемпературное одностадийное воспламенение. По теории низкотемпературного воспламенения сначала развиваются предпламенные окислительные процессы с образованием промежуточных продуктов. Теплоты при этом выделяется недостаточно для резкого ускорения реакций окисления, но в камере сгорания возникает «холодное пламя» - голубое свечение, являющееся результатом оптического возбуждения молекул формальдегида НСНО и радикала НСО. В этот период времени τ₁ (кривая 1) давление в камере сгорания не увеличивается (иногда снижается), а температура смеси постоянна и составляет 440 – 670 К (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма изменения давления при

самовоспламенении однородной смеси от времени τ:

1 – многостадийное воспламенение; 2 – одностадийное воспламенение

Во втором периоде τ₂ идет процесс окисления альдегидов СН₃СНО и образования химически активных перекисей, свободных радикалов ОН, СН, СН₂ и атомов Н. Давление увеличивается на Δр_хол.пл. в результате повышения температуры холодного пламени от десятков до сотен градусов и появляется вторичное, более интенсивное свечение, накопление активных перекисей, радикалов и атомов, приводящее к тепловому взрыву в конце периода τ_i и появлению очага воспламенения.

Такие процессы в период задержки самовоспламенения топлива с характерным преобладанием в них цепных многостадийных химических превращений имеют место при относительно низких температурах, и мало от них зависят. При этом период τ₁ с повышением температуры сокращается и мало зависит от давления, а период τ₂, наоборот увеличивается с увеличением температуры и уменьшается при возрастании давления.

Низкотемпературное многостадийное воспламенение свойственно имеет место в дизелях, при этом, чем выше цетановое число (ЦЧ) топлива, тем короче период τ_i. Таких очагов в камере сгорания и даже в факеле топлива может оказаться несколько в точках, в которых созданы благоприятные условия – сочетание температуры, давления и меняющегося в процессе образования очага состава смеси (от α ≈ 0,1 в начале до α ≈ 1,0 в конце). Обычно это происходит вблизи от поверхности топливного факела и на некотором удалении от распылителя форсунки в зонах повышенных температур.

Длительность τ_i и число очагов воспламенения мало зависят от тонкости распыливания топлива, поскольку всегда имеется достаточное количество мелких капель даже при грубом распыливании. Увеличение угла опережения впрыскивания топлива удлиняет период задержки воспламенения для всех сортов топлива, т.к. процессы при прогреве топлива, его испарении и разгоне химических реакций начинаются при меньших температурах. Интенсификация турбулентности увеличивает период τ_i, поскольку снижается температура и концентрация паров топлива в вероятном очаге воспламенения.

Высокотемпературное воспламенение (кривая 2 на рис. 5.7) имеет место при высоких начальных температурах (800 – 1200 К) и представляет собой непрерывный процесс цепных химических реакций, которые самоускоряются в результате выделения теплоты при горении.

Тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов образования очага воспламенения, можно осуществить электрическим разрядом с напряжением между электродами свечи (8 – 15)∙10³ В. При высоких температурах в разряде ( 10000 К) образуется очаг воспламенения небольшого объема, в котором процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода происходят очень быстро и укладываются в период (1 – 2)∙10^-5 с. Такое развитие воспламенения возможно в гомогенной, однородной смеси, что характерно для ДВС с искровым зажиганием.

Если объем образовавшегося очага воспламенения достаточно велик, а времени его существования τ_i (период задержки воспламенения) достаточно для прогрева окружающих слоев топливовоздушной смеси, то процесс сгорания начнет распространяться по всему объему смеси. Если объем очага воспламенения и длительность его поддержки разрядом оказались недостаточными, то очаг затухнет и сгорание не получит развития.

Установлено, что период задержки воспламенения τ_i зависит от сорта топлива, состава смеси (коэффициента избытка воздуха α), температуры Т_с и давления р_с смеси в конце сжатия и мощности электрического разряда. Чем ниже температура воспламенения топлива и его термическая стабильность, тем короче период задержки воспламенения. Период задержки воспламенения смесей с α = 0,4 – 0,6 наиболее мал, поскольку при горении этих смесей выделяется максимальное количество активных продуктов сгорания (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Изменение содержания активных продуктов

сгорания в зависимости от α и τ

Повышение температуры и давления смеси уменьшает период воспламенения τ_i, а увеличение мощности электрического разряда уменьшает τ_i тем сильнее, чем более неблагоприятные другие условия воспламенения.