1.2 Современные представления о распространении пламени и сгорании в двигателях с искровым зажиганием
Сгорание во всех его стадиях является комплексом сложных взаимодействующих физико-химических процессов. В основе этого комплекса лежат химические реакции взаимодействия горючего с окислителем.
Окислителем обычно является кислород атмосферного воздуха. Результаты сгорания как экзотермической равновесной химической реакции определяются простыми термохимическими уравнениями. Последние позволяют определить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания заданного количества топлива, состав продуктов сгорания, объемы компонентов и т.д.Однако эти уравнения не дают представления о динамике процесса сгорания. Динамику процесса отражает химическая кинетика. Классические кинетические уравнения реакций первого, второго и третьего порядков, установленные на основе закона действующих масс, правильно описывают суммарную скорость лишь небольшого числа самых простых химических превращений. Они применимы для простых гомогенных систем, в которых отсутствуют осложняющие обстоятельства, т.е. для систем с однородными реагентами при условии постоянства температуры и объема, при отсутствии каталитического влияния стенок сосуда и т.п. [63, 113, 157].
Химические превращения в двигателях не могут быть отнесены к простым реакциям. Известно, что сгорание углеводородов осуществляется по сложным цепным механизмам [47, 63, 88, 95, 97, 158].
Механизм цепных воздействий был предложен Ю.Б. Харитоном и Н.Н. Семеновым. В основе этого учения лежит представление о том, что превраще-
15
ние исходных веществ (горючего и окислителя) в процессе реакции происходит ряд стадий, в ходе которых образуются химически активные вещества, интенсивно взаимодействующие как с исходными веществами, так и между собой [113,114,120,121].
Теория цепных химических реакций рассматривает главным образом элементарные процессы, происходящие с отдельными молекулами и атомами. Правда, она также дает и общие макроскопические закономерности скоростей реакций, но решение дифференциальных уравнений, описывающих эти закономерности, для сложных исходных продуктов затруднительно и требует значительного числа констант, определяемых опытным путем. Особые трудности вызывает описание цепных реакций в цилиндре двигателя, где вступает в реакцию окисления при высоких давлениях смеси самых разнообразных углеводородов, входящих в топливо в самых различных соотношениях. В течение процесса сгорания (окисления) изменяются давления, объем, и температура горючей смеси. В каждый момент времени в камере сгорания поле температур неоднородно: есть, по крайней мере, явный раздел между сгоревшей и несгорев- шей частью заряда. В пределах каждой из этих частей температуру можно считать выровненной за счет высокой степени турбулентности.
Рассмотрим более подробно механизм распространения пламени и кинетику химических реакций горения.