25. Основные закономерности сгорания

Для преобразования химической энергии топлива в тепло­вую в ДВС используется процесс сгорания.

Его химические и физические закономерности являются след­ствием практически двух основных особеностей, выделяющих этот процесс среди других. Это наличие высокого результиру­ющего экзотермического эффекта химических реакций и сильной зависимости скорости указанных реакций от температуры.

При осуществлении химической реакции концентрации ис­ходных компонентов обычно уменьшаются, а продуктов сгора­ния— увеличиваются. Поэтому наступает момент, когда ско­рость прямой и обратной реакций выравнивается. Такое состоя­ние носит название химического равновесия, а соответствующие концентрации — равновесных. Поскольку Д,(щ>), как правило, от­личается от .Е,(обр), то с изменением температуры скорости пря­мой и обратной реакций изменяются в различной степени, а сле­довательно, изменяются и равновесные концентрации. Однако время достижения нового равновесия зависит в значительной степени от общего уровня температуры. В области высоких температур при изменении Т новое равновесие достигается быст­ро, а при низких Т может быть вообще не достигнуто. Следует учитывать не только скорость изменения Т, но и скорость хими­ческой реакции. Обычно для сравнения скоростей разнородных процессов используется понятие характерного времени процесса, которое обратно пропорционально его скорости. Если характер­ное время уменьшения температуры значительно меньше харак­терного времени химической реакции (быстрое охлаждение), то получаемые концентрации продуктов реакции будут больше рав­новесных. Такое явление носит название закалки.

Химическая реакция часто происходит в ограниченном реакционном объеме (например, в камере сгорания ДВС), при этом в случае сгорания существует связь (подобие) между расходова­нием исходных компонентов и ростом температуры. Наиболее просто она выражается в виде зависимости концентрации одного из компонентов (стехиометрически связанного с концентрацией другого), например топлива ст, и температуры от любого из параметров, характеризующих ход химической реакции, напри­мер той же температуры (рис. 3.11). Здесь (Г-Г0)/(Гад-Г0), Ст/Сто — относительное изменение температуры и концентрации; То и сто — начальные температура и концентрация; Гад — мак­симальная температура горения.

В зависимости от характера пространственного распределе­ния компонентов химической реакции в объеме различаются гомогенные системы с равномерным исходным распределением компонентов, наиболее характерные для двигателей с внешним смесеобразованием, и гетерогенные системы с неравномерным распределением (вплоть до разделения в пространстве) компоне­нтов, более характерные для дизелей. Четкой границы между этими системами не существует, однако если для гомогенной системы характерным проявлением развития сгорания во време­ни является упомянутое выше распространение пламени по объ­ему, то для гетерогенной — разделение компонентов (топлива и окислителя) в пространстве фронтом горения и диффузия в эту зону компонентов с обеих сторон фронта. В этом случае скорость сгорания, выраженная скоростью потребления исходных компо­нентов, в стационарном или квазистационарном режиме лимити­руется более медленным из двух последовательных процессов (диффузионного смешения и химического реагирования) — диф­фузией. Такой режим горения в гетерогенных системах называет­ся диффузионным, он характерен для сгорания в дизеле.