7.5 Воспламенение (зажигание) горючей смеси

Для начала горения смеси ее надо воспламенить или зажечь с помощью внешних источников энергии, то есть необходимо создать в ней начальный, локальный очаг химической реакции, полностью воспроизводящий механизм распространения пламени. В качестве инициаторов энергии могут быть: электрическая искра, небольшое «дежурное» пламя, специальное пиротехническое устройство, раскаленное тело, световой поток, лазерный пробой и другие, с помощью которых создается интенсивный поток световой или тепловой энергии, достаточный для воспроизведения процесса распространения пламени. Поэтому создание в горючей смеси очага пламени, способного к самопроизвольному распространению, является основным и определяющим условием зажигания смеси.

В автотранспортной технике широко применяют воспламенение горючей смеси электрической искрой, при котором энергия искрового заряда реализуется образованием в искровом канале диаметром около 0,1 мм плазмы с Т ≈ 10000 К и излучением, охватывающим широкий диапазон спектра от УФ и видимого до колебаний с частотой 10⁴–10⁶ Гц. Следовательно, в минимальном объеме искрового разряда реализуется мощный начальный очаг химических реакций, полностью воспроизводящий механизм распространения пламени. Этот начальный очаг пламени, воздействуя многочастотным излучением на окружающую его свежую смесь, вызывает расщепление молекул горючего в предпламенной зоне и создает условия, необходимые для распространения пламени. Когда мощность искрового разряда мала, то плотность излучения на единицу поверхности смеси в предпламенной зоне оказывается недостаточной для предпламенной фрагментации молекул горючего и смесь не воспламеняется.

Считают, что минимальная мощность искры и оптимальные условия зажигания горючей смеси легкого топлива в двигателях создаются при выделении 20–30 МДж энергии за 1 мс в искровом промежутке. При воспламенении смеси от нагретой поверхности возможен механизм, при котором в слое смеси, соприкасающейся с нагретой поверхностью, протекают со сравнительно небольшой скоростью процессы многофотонного поглощения ИК-излучения, в результате которого в смеси образуются фрагменты (активные свободные радикалы). Последние служат активными центрами химических реакций, которые приводят к цепочно-тепловому самовоспламенению объема смеси, соприкасающейся с нагретой поверхностью, образованию начального очага пламени, способного к дальнейшему самовоспроизведению. Минимальная температура нагретой поверхности, при которой происходит воспламенение смеси, зависит от ее размеров, материала (состав) поверхности и скорости движения смеси относительно нагретой поверхности. Например, в области температур поверхности около 1000ºС воспламенение горючей смеси возможно при изменении ее скорости движения в довольно узких пределах 10–20 м/с.

7.6 Самовоспламенение (взрывное горение) горючей смеси

Самовоспламенение, или взрывное горение, является одним из способов сжигания горючей смеси, принципиально отличающимся от воспламенения электрической искрой, и в последнее время довольно часто применяется во всех типах тепловых двигателей. Явление самовоспламенения происходит в условиях, инициирующих протекание самоускоряющихся экзотермических реакций, при которых, после определенного индукционного периода, происходит взрыв, сопровождающийся мгновенным нарастанием давления и появлением пламени. Из существующих двух подходов к теоретическому рассмотрению процесса самовоспламенения первый связывает этот процесс с превышением скорости выделения тепла за счет химических реакций над скоростью отвода тепла из смеси. При экспоненциальной зависимости скорости химических реакций от температуры происходит их самоускорение, проявляющееся в виде взрыва, которое принято называть тепловым взрывом. Когда окисление горючей смеси, являясь цепным процессом, самоускоряется при превышении скорости разветвления цепей над скоростью их обрыва, тогда такое самовоспламенение называют цепным взрывом.

В реальных условиях на процесс самовоспламенения оказывают влияние тепловое (превышение скорости выделения тепла химических реакций над скоростью отвода тепла из смеси) и цепочное (окисление по цепному механизму с увеличением скорости разветвления цепей над скоростью их обрыва) ускорения, такое самовоспламенение называют цепочно-тепловым. Однако вклад теплового эффекта в процессе самовоспламенения, при постоянных температуре и давлении (в начале), температура самовоспламенения и индукционный период, характеризующие процесс взрывного горения, определяются энергией активации, а следовательно, скоростью химических реакций, протекающих в реагирующей смеси, что отличает взрывное горение от окисления горючей смеси вследствие распространения пламени.