Нетрудно заметить, что скорость цепной реакции в g раз больше скорости обычной реакции по Аррениусу.

В начальной стадии реакции горения, то есть когда температура не превысит определённого порога, g = 1. В этом случае справедливы зависимости формальной химической кинетики. При достижении температуры разветвлённой цепной реакции имеет место зависимость

v_r = A , (10.27)

где j - коэффициент, зависящий от соотношения вероятностей продолжения, разветвления и обрыва цепей, то есть в конечном счёте от температуры рабочего тела и его давления;

t - время реакции.

Зависимость (10.27) выражает автокаталитический быстро ускоряющийся характер разветвлённой цепной реакции. Графическая интерпретация данной зависимости показана на рис. 10.2, где в течении времени t_i реакцию практически трудно обнаружить, так как процессы протекают весьма медленно из-за низкой температуры и малого количества активных частиц (центров). Поэтому данный отрезок времени t_i называют периодом индукции, то есть временем накопления активных центров, или временем задержки воспламенения. При увеличении температуры смеси идёт быстрое самоускорение реакции до максимальной величины v_r^max. Затем, по мере выгорания топлива, скорость уменьшается.

Величина периода индукции определяет угол опережения зажигания в двигателях с принудительным воспламенением или угол опережения начала впрыска топлива в дизелях q_н. Следует отметить, что при увеличении октанового числа бензина возрастает не только его теплотворная способность, но и период индукции.

Основными факторами, определяющими t_i, являются: а) температура топливовоздушной смеси; б) давление рабочего тела; в) качество смеси a; г) свойства топлива (ОЧ и ЦЧ). При использовании стандартного топлива по ГОСТ 305-73 и ГОСТ 4749-73 определяющими факторами для t_i являются термодинамические параметры рабочего тела (T и p) в начале воспламенения, то есть период индукции зависит от угла q_н и герметичности цилиндра. Для современных дизелей с непосредственным впрыском топлива при работе на номинальном режиме время задержки воспламенения составляет 1 ... 5 мс. Пределом для стандартного топлива считается t_i = 0,3 мс.

Горение в дизелях

При впрыскивании жидкого топлива в виде мелких капель в нагретый воздух вначале происходит их испарение. Образующаяся топливовоздушная смесь весьма неоднородна как по составу, так и по температуре. В ядре впрыскиваемого факела смесь переобогащена. Здесь a = 0,3 ... 0,4. На периферии - переобеднена (a >> 1). Температура в ядре факела соответствует температуре в распылителе форсунки (T » 200 °С), а на периферии равна температуре воздуха к началу подачи топлива (T » 600 °С при p » 3 МПа).

Топливо, испарившееся в течение периода индукции, по схеме неразветвлённой цепной реакции распадается на продукты неполного сгорания - альдегиды. Этот процесс сопровождается люминесцентным свечением всего факела, что называют “холодным пламенем”.

После t_i горение развивается по схеме разветвлённой цепной реакции с непременным образованием большого количества перекисей, которые дают так называемое “вторичное холодное пламя” всего факела.

После накопления в смеси достаточного количества активных частиц, то есть повышения температуры факела до определённой величины, наступает взрывное самоускорение реакции с ярким свечением и резким подъёмом температуры до 2500 ... 3000 °С. Скорость распространения пламени по факелу составляет v_пл = 100 ... 150 м/с.

В дальнейшем процессы резко замедляются и имеет место относительно медленное диффузионное догорание остатков впрыснутого ранее и впрыскиваемого топлива. На скорость распространения пламени в этом периоде, который называют управляемым горением, существенное влияние оказывает степень турбулизации рабочего тела.

9.5.1 Турбулентный режим движения газа или жидкости имеет место тогда, когда инерционные силы отдельных движущихся объёмов (молей) рабочего тела превышают силы вязкости. Это происходит при значениях числа Рейнольдса Re = v_ср d / n > 2000, где v_ср - средняя (переносная) скорость потока; d - диаметр сечения потока; n = m/r - кинематическая вязкость рабочего тела, где m - динамическая вязкость; r - плотность. Для данного режима характерны турбулентные вихри в различных направлениях с относительными скоростями v_от.

Одним из показателей, с помощью которого оценивают интенсивность турбулентности является среднеквадратическое значение относительных скоростей вихрей