Процесс сгорания топлива — это процесс окисления молекул топлива. Степень полноты окисления определяет собой совершенство процесса сгорания и экономичность двигателя внутреннего сгорания. Процесс сгора­ния топлива в цилиндре двигателя является определяющим в достижении мощности и экономичности двигателем. Процессы наполнения и сжатия создают те условия, при которых последующий процесс сгорания топлива должен протекать наиболее эффективно. Результаты могочисленных ис­следований позволяют осветить физико-химические явления, сопровождаю­щие процесс сгорания. Установлено, что процесс сгорания смеси, подож­женной в одной точке, распространяется по всей массе смеси от места запала в виде тонкой пленки пламени (фронта пламени). Фронт пламени отделяет сгоревшую часть смеси от несгоревшей (свежей) части. Впереди фронта пла­мени несгоревшая смесь, а позади продукты сгорания смеси. При горении гомогенной, хорошо перемешанной с воздухом смеси процесс идет наиболее интенсивно, так как во фронте пламени развивается высокая температура, при которой скорость реакции достигает значительной величины. Если смесь неравномерно перемешана с воздухом, то скорость сгорания будет меньше. В этом случае она лимитируется скоростью диффузии молекул го­рючего и кислорода друг к другу. Толщина фронта пламени порядка 0,1 мм, однако в таком тонком слое успевают протекать процессы реакции сгорания и процессы диффузии. Выделяемое тепло реакций сгорания расходуется на подогрев до высокой температуры свежей смеси, находящейся перед фрон­том пламени. Движение газа, возникающее в результате процесса горения или искусственно вызванное, изменяет форму фронта пламени, увеличивает его поверхность, но не изменяет свойств любого элемента площади фронта. На единице поверхности фронта пламени данной смеси будет всегда ежесе­кундно сгорать одно и то же количество горючего. Общее же количество го­рючего, сгорающего в единицу времени, будет пропорционально площади фронта пламени. Таким образом, турбулизация смеси будет способствовать повышению сгорания количества горючего в единицу времени.

Количество граммов смеси, сгорающей в одну секунду на единице пло­щади фронта пламени, называется массовой скоростью сгорания.

Если обозначим массовую скорость сгорания ?_т, а площадь фронта пламени F_ф, то количество граммов смеси, которое будет сгорать в одну се­кунду на элементе площади фронта пламени dF_ф, будет равно ?_тdF_ф. Для этого необходимо, чтобы данное количество смеси ежесекундно подводилось к элементу площади фронта пламени dF_ф или сам фронт пламени переме­щался по направлению к несгоревшей свежей смеси. Линейная скорость перемещения данного элемента площади фронта пламени относительно не­сгоревшего газа (смеси) по направлению нор­мали к поверхности рассматриваемого элемен­та фронта пламени равна ?₀ = ?_т/?₀ где ?₀ —плотность исходного холодного газа (смеси) и называется нормальной скоростью распро­странения пламени.

Наблюдения процессов сгорания в трубах показывают, что пока нет изменений в гид­родинамических условиях, форма фронта пла­мени сохраняется, а следовательно, количест­во сгорающего газа и скорость перемеще­ния фронта пламени остаются постоянными. При этом устойчивой формой фронта пламени является не плоская, а искривленная сферическая форма. Наблюдаемая скорость распространения пламени в трубе равна

где d — диаметр трубы.

Отсюда следует, что наблюдаемая скорость распространения пламени будет во столько раз больше нормальной, во сколько раз площадь фронта больше сечения трубы.

Опыты в трубах убедительно показывают, что изменения наблюдаемой скорости распространения пламени происходят по причине колебания га­зового столба или по причине увеличения поверхности фронта пламени вследствие изменения гидродинамических условий.

Если во фронте пламени идет реакция со скоростью ?, то выделенное тепло в результате этой реакции в единице объема смеси будет равно ?Q', где Q' — теплота реакции одной молекулы горючего.

Без учета потерь можно написать:

где q_к — количество тепла, передаваемое смеси конвекцией;

q_т — количество тепла, передаваемое смеси теплопроводностью.

Иными словами, все тепло, выделяемое реакцией, идет на подогрев ис­ходной холодной смеси.

Если будем откладывать по оси ординат (рис. 61) температуру смеси в слое горения и температуру подогрева, а по оси абсцисс — расстояние от слоя х, в котором достигается температура воспламенения Т', то измене­ние температуры в смеси будет следующее.

Холодный газ (смесь) имеет начальную температуру Т₀. В зоне подог­рева движущаяся смесь в направлении положительных значений х подогре­вается до температуры Т' (зона I). По достижении температуры Т' смесь начинает реагировать, температура ее повышается (зона II). На каком-то расстоянии от начала координат вся смесь прореагировала и ее температура достигает максимальной величины (зона III), которая при отсутствии тепловых потерь далее будет постоянной.

Процесс сгорания горячей смеси в цилиндре двигателя обусловливается двумя явлениями: химическими процессами окисления и движением фронта пламени по пространству сгорания, зависящим от газодинамических фак­торов. Следовательно, для исследования и расчета процессов сгорания не­обходимо в общем случае применение как положений химической динамики, так и положений газодинамики. Исследования показали, что реальные хи­мические реакции представляют собой сложные процессы, слагающиеся из ряда элементарных стадий процесса.

Советские ученые (академик Н. Н. Семенов и его школа) впервые и наиболее глубоко исследовали кинетику сложных химических реакций и создали новую цепную теорию химических процессов.

Цепным химическим процессом является такой процесс, при котором конечный продукт процесса (реакции) получается за счет взаимодействия исходного реагента с промежуточным продуктом.

В общем случае скорость реакции определяется

Для процессов цепочно-теплового взрыва, к которым можно отнести и процессы сгорания, уравнение кинетики процесса имеет вид

Принимая реакцию окисления топлива (что наиболее вероятно) бимоле­кулярной можно скорость реакции выразить

На процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя влияет целый ряд дополнительных факторов, учесть которые можно только опытным путем.

Исследование процесса сгорания в двигателях обычно сводится к опре­делению суммарного течения процесса сгорания, обусловливающего ско­рость тепловыделения.

Рассмотрение процесса сгорания по результирующим скоростям сгора­ния значительно упрощает анализ процесса преобразования химической энергии топлива в теплоту.