29. 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.