Сущность объемного и диффузного сгорания. Сущность объемного сгорания.

В случае нагрева, например путём быстрого сжатия, однородной газовой смеси реагентов до температуры Т_нач в последней одновременно по всему объёму возбуждается экзотермическая реакция. Параллельно с выделением теплоты происходит отвод теплоты в окружающую среду. При температуре Т_нач выше Т_воспл по истечении некоторого промежутка времени (задержка воспламенения) наблюдается быстрый саморазгон химических реакций – происходит объёмное воспламенение, сопровождающееся охватом всего объёма пламенем. В течение периода задержки воспламенения соотношение между скоростями выделения и отвода теплоты вследствие различной температурной зависимости соответствующих процессов таково, что имеет место лишь сравнительно небольшое повышение температуры и ускорение химических реакций. Период задержки _i тем меньше, чем больше скорость предпламенных реакций и их тепловой эффект. Поэтому период задержки воспламенения обычно сокращается при увеличении температуры и давления. Температура воспламенения Т_воспл зависит от природы реагентов, соотношения их в смеси и достигнет оптимума при определённом составе смеси.

2.Сущность диффузионного горения.

Горение неоднородных смесей существенно отличается от горения однородных смесей. Скорость горения определяется (минимизируется) скоростью диффузного смешивания топлива с окислителем, т.к. химические реакции горения протекают со значительно большими скоростями. Пары топлива, образующиеся на поверхности капли, диффундируют в окружающую каплю воздух, образуя на некотором расстоянии от нее горючую смесь, причем этот процесс протекает быстрее, чем испарение топлива.

Мелкие капли (d<40мкм), равномерно распределённые в воздухе, сгорают примерно с той же скоростью, что и однородная смесь паров топлива с воздухом, причем предел возможного обеднения смеси, при котором еще сохраняется устойчивое горение, оказывается значительно более широким, чем в однородных. Это объясняется тем, что в неоднородных смесях всегда образуются зоны с  = 0,8…0,95, отвечающие наибольшим скоростям реакции. Такие зоны служат центрами воспламенения окружающей, более обеднённой смеси. По этой причине дизеля имеют возможность работать на малых нагрузках с крайне бедными смесями с  > 4. По этой же причине горение неоднородных смесей при низком общем <1,4, как правило, приводит к сгоранию с образованием дыма и сажи, т.к. при этом существуют зоны со значительным местным переобогащением смеси ( = 0,2 – 0,3). В этих зонах происходит крекинг процесс молекул углеводородов без достаточного доступа воздуха.

Воспламенение смеси и распространение пламени в карбюраторных двигателях.

Согласно современной теории горения топлива его воспламенение может происходить по высокотемпературному одностадийному процессу. В результате мощного подвода теплоты от электрического заряда (температура в искровом промежутке достигает 10000 К) температура рабочей смеси в зазоре свечи поднимается до 800 – 1200 К, что вызывает образование очага воспламенения. Вследствие термической диссоциации и ионизациив объёме искрового промежутка, смесь реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения.

Формирование первоначального очага воспламенения определяется скоростью выделения тепла во внешнюю среду: при недостаточной скорости выделения тепла во внешнюю среду возникшее под действием искры пламя может затухнуть из-за чрезмерного понижения температуры газов. Размеры очага воспламенения в первоначальный период определяются зазором между электродами свечи и мощностью разряда. Чем больше мощность разряда, тем более бедную смесь можно воспламенить. На условие зажигания помимо мощности и природы искры влияют следующие факторы: природа и состав смеси, условие отвода теплоты от зоны зажигания (конструкция свечи, способ ее установки, интенсивность движения заряда).

Рис. 28. Зависимость нормальной скоростираспространения пламени от состава смесит.

Образовавшийся очаг воспламенения действует на ближайшие слои, нагревает их, повышает давление и вызывает ускорение химических реакций и воспламенение новых слоев смеси. Процесс воспламенения и сгорания происходит в узкой зоне, отделяющей несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Эта зона носит название – фронт пламени. Толщина этой зоны в первоначальный момент горения колеблется от 0,1 до 1 мм. Путь, который проходит фронт пламени перпендикулярно к своей поверхности за единицу времени – нормальная скорость распространения пламени (U_н). Нормальная скорость распространения пламени определяется явлением молекулярного переноса теплоты и активных частиц.

Скорость химических реакций больше в несколько обогащенных смесях и достигает максимума при  = 0,85 – 0,95. При обеднении и обогащении смеси U_н уменьшается. Имеется некоторый критический предел, ниже которого пламя не распространяется (гаснет) т.к. при этом чрезмерно возрастает ширина зоны горения и, как следствие, относительные тепловые потери из этой зоны. Предельно богатую смесь, при которой еще возможно распространение ламинарного пламени называют верхним пределом воспламеняемости. Аналогично, предельно обедненную смесь, при которой ещё возможно распространение ламинарного пламени называют нижним пределом воспламеняемости. Для карбюраторных двигателей: _min =0,3 – 0,6, α_max =1,3 – 1,4.

Рис. 29. Схема турбулентного распространения пламени при слабой (а) и сильной (б) турбулезации

Свежий заряд в цилиндре двигателя подвергается интенсивному завихрению и перемешиванию, в результате чего появляются неупорядочные пульсирующие движения отдельных объёмов смеси. Такое газодинамическое состояние рабочего тела называется турбулентным. Турбулентность движения смеси усиливает процессы переноса теплоты, ускоряет активизацию и прогрев смежных слоев свежего заряда при увеличении скорости распространения пламени до 35 – 55 м/с. Фронт турбулентного пламени сильно искривлен, а при высокой турбулентности раздроблен на большое число очагов. Перенос термический и химически активных частиц осуществляется путем турбулентной диффузии, т.е. переноса целых объемов смеси. Коэффициент турбулентной диффузии в сотни раз превышает коэффициент молекулярной диффузии. Этим и объясняется интенсификация распространения пламени. Ширина зоны турбулентного горения колеблется от 25мм до нескольких см. Турбулентная скорость пламени U_т растет не только при увеличении температуры, но и с повышением давления. Интенсивность турбулентного движения заряда в некоторых случаях может воздействовать на процессы воспламенения отрицательно, способствуя переохлаждению заряда.