Распространение ламинарного пламени при горении однородных смесей

От возникшего в области расположения электродов свечи очага воспламенения при благоприятных условиях происходит распространение пламени, которое можно наблюдать по перемещению зоны горения (фронта пламени). На рис. 2.3 представлена схема движения фронта пламени по объему камеры сгорания.



Фронт пламени в неподвижной или ламинарно движущейся горючей смеси имеет форму сферической поверхности с центром в очаге воспламенения.

Фронт пламени представляет собой узкую полосу, разделяющую несгоревшую смесь с температурой T_c от продуктов её сгорания с температурой Т_z (рис. 2.4). Фронт ламинарного пламени состоит из двух зон. В первой зоне (зоне прогрева δ_п) горючая смесь разогревается за счет передачи теплоты теплопроводностью от горячих продуктов сгорания, а также за счет диффузии активных частиц продуктов промежуточных реакций из зоны горения в свежий заряд.




Во второй зоне (зоне химических реакций δ_х) происходят химические превращения исходных компонентов горючей смеси в конечные продукты сгорания. В этой зоне в результате высоких скоростей химических реакций окисления резко повышается температура продуктов сгорания. Значение максимальной температуры горения Т_z определяется тепловыделением горючей смеси, то есть количеством теплоты, выделяющейся в результате прямой реакции окисления углеводородов топлива. Одновременно с выделением теплоты идет процесс теплопередачи в стенки цилиндра и возрастают затраты теплоты на диссоциацию газов, что ограничивает рост температуры продуктов сгорания. Усиленный теплоотвод из зоны горения, например, в непосредственной близости пламени у холодных стенок камеры сгорания, может вызвать даже прекращение горения.

Полная толщина фронта ламинарного пламени δ_л=δ_п+δ_х, относительно невелика и составляет δ_л=0,3-1 мм, причем доля зоны прогрева составляет примерно 0,8δ_л, а на долю зоны химических превращений приходится 0,2δ_л.

Последовательный прогрев свежего заряда и его сгорание приводит к перемещению фронта пламени с некоторой скоростью относительно свежего заряда в направлении, перпендикулярном к поверхности фронта. Скорость перемещения фронта ламинарного пламени называют нормальной скоростью пламени U_н или скоростью ламинарного горения. Нормальная скорость пламени U_н зависит от скорости химических реакций в самом фронте, которая в свою очередь зависит от начальных параметров (Т_с, Р_с) топливовоздушной смеси и от концентрации реагирующих компонентов К_сн и К_о2.


При наличии в зоне химических реакций молекул инертных веществ, например азота воздуха N₂, скорость химических реакций уменьшается, так как часть выделившейся теплоты расходуется на нагрев инертного вещества, а активные частицы дезактивируются при столкновениях с молекулами этого вещества. Тормозящее действие на скорость химических реакций оказывает наличие одною из реагирующих компонентов в избыточном количестве, чем необходимо по стехиометрическому соотношению. Например, при избытке молекул кислорода О₂ (бедная топливовоздушная смесь, α > 1,0), из-за затрат теплоты на нагрев избыточных молекул О₂, молекул азота N₂, при недостаточном тепловыделении скорость реакции может уменьшиться настолько, что горение практически прекращается.

Аналогичное явление наблюдается при избытке молекул топлива (богатая топливовоздушная смесь, α < 0,4).

Таким образом, существуют верхний и нижний пределы концентрации исходных реагирующих компонентов К_сн и К_о2, вне которых по топливовоздушной смеси пламя не распространяется.

Верхним пределом распространения пламени называют такой обогащенный состав топливовоздушной смеси, при котором дальнейшее увеличение количества топлива в смеси (переобогащение смеси, α < 1,0) делает смесь не горючей.

Нижним пределом распространения пламени называют такой обедненный состав топливовоздушной смеси, при котором дальнейшее уменьшение количества топлива в смеси (переобеднение смеси, α > 1,0) делает смесь также не горючей.

Диапазон изменения состава топливовоздушной смеси, соответствующий возможному распространению пламени по смеси, называется пределом распространения пламени. Для бензовоздушных смесей этот диапазон находится в пределах 0,3≤α≤1,5 при нормальных условиях (Р_о=0,1 МПа, Т_о=293 К). При этих же условиях, как показывает опыт, нормальная скорость перемещения ламинарного пламени для большинства углеводородных топлив не превышает 0,5 м/с. Естественно, что в течение короткого времени, отводимого для сгорания в цилиндре высокооборотного карбюраторного двигателя, осуществить сжигание неподвижной или ламинарно движущейся однородной горючей смеси с приведенной выше скоростью не представляется возможным. Необходимое ускорение процесса перемещения фронта пламени по объему камеры сгорания возможно увеличением начальной температуры, что объясняется увеличением скорости химических реакций во фронте пламени.

Однако повышение начального давления топливовоздушной смеси приводит к некоторому уменьшению нормальной скорости распространения фронта пламени, что объясняется снижением относительной скорости процессов диффузии активных частиц и теплопередачи из зоны химических реакций в зону предварительного прогрева свежего заряда в условиях высокой плотности заряда.

В условиях, характерных для цилиндра карбюраторного двигателя, нормальная скорость распространения ламинарного пламени не превышает 2-3 м/с.