Процесс самовоспламенения — такой химический процесс, который протекает в условиях прогрессивного самоускорения, сопровождающегося выделением тепла или катализирую­щих промежуточных продуктов процесса. В первом случае самовоспла­менение называется тепловым, а во втором — цепным или диффузионным.

Рассмотрим процесс теплового самовоспламенения (реакция окисления) газа, помещенного в сосуд с объемом V, температура стенок которого Т_ст. Температуру газов Т внутри сосуда примем везде одинаковой, а также примем неизменной в газе концентрацию реагирующих веществ.

Количество тепла, выделяемого рассматриваемой реакцией окисления в секунду, равно

Если принять ? постоянным, то изменение q₂ в зависимости от темпе­ратуры Т будет прямолинейным (рис. 71), а изменение q₁ — криволиней­ным. Температура Т_в, при которой прямая линия теплоотдачи q₂ будет касательной к кривой тепловыделения q₁, является температурой самовоспламенения. В точке касания указанных кривы:имеется равенство количества выделяемого и отводимого тепла и равен­ство изменения скоростей тепловыделения и теплоотвода с изменением температуры.

В случае расположения кривой q₁ ниже линии q₂ (рис. 71, а), начиная с температуры Т₁ количество отводимого тепла q₂ больше выделяе­мого q₁, и вследствие этого скорость реакции будет непрерывно уменьшаться. Если реакция идет по верхней кривой q₁, то тепловыделение с самого начала ее превышает теплоотвод, а потому реакция идет ускоренно. Случай, когда в рассматриваемой системе будет меняться только температура стенки сосуда Т_ст (рис. 71, б), показывает, что при повышении температуры стенки выше ее температуры, соответствующей граничному режиму q₁ = q₂, тепло­ выделение начинает превышать теплоотвод и наступает самовоспламенение.

Таким образом, величина температуры самовоспламенения в основном зависит от количества отводимого тепла, выделяемого реакцией окисления.

Согласно цепной тео­рии самовоспламенения, та температура, при которой число разветвлений цепей становится больше числа обрывов, т. е. реакция ста­новится автокаталитической, является температу­рой самовоспламенения. Промежуток времени меж­ду началом реакции окис­ления реагирующих ве­ществ и моментом образо­вания взрыва — самово­спламенения называется периодом задержки само­воспламенения или воспламенения. Н. Н. Семенов, основываясь на цепной теории самовоспламенения, получил для определения продолжительности периода задержки самовоспламенения следующее выражение:

Из приведенной формулы следует, что чем больше давление и темпера­тура воздуха, тем меньше будет период задержки самовоспламенения.

В условиях протекания процесса самовоспламенения в цилиндре двига­теля наиболее вероятным является то, что цепная реакция сопровождается таким увеличением скорости тепловыделения, при котором начинается про­грессивный саморазгон скорости реакции, завершающийся самовоспламе­нением. Иными словами, самовоспламенение наступает при условия дости­жения реакцией окисления такой критической скорости ?_кр, при которой скорость тепловыделения обеспечивает возникновение теплового взрыва.

Таким образом, предпламенный процесс высокотемпературного само­воспламенения является процессом одностадийным. В цилиндре двигателя такое высокотемпературное самовоспламенение возникает в точке наиболь­шей температуры, т. е. оно является «точечным», а не объемным. По опытным данным, температура «горячей точки» должна быть не менее 1000—1200° К, а потому высокотемпературное самовоспламенение топлива в цилиндре ди­зеля не может быть достаточным для необходимого развития процесса сго­рания.

Опытом было обнаружено, что процессу самовоспламенения топлива может предшествовать процесс, получивший название холоднопламенного окисления. Установлено, что этот процесс представляет собой процесс на­копления (с возрастающей скоростью) перекисей, при достижении кри­тической концентрации которых происходит распад с образованием «холод­ного пламени», с температурой немного выше начальной, а свечение проис­ходит по причине образования большого количества оптически возбужденных молекул формальдегида. Холодное пламя возникает в сильно обогащенных зонах (? ? 0,1) и распространяется по пространству сгорания посредством диффузии активных частиц в свежую смесь.

При этом отсутствует заметное повышение давления и температуры га­зовой смеси. Продуктами холоднопламенного окисления являются альде­гиды, СО и активные продукты распада перекисей. Накопление этих про­дуктов до критической концентрации также приводит к образованию взрыв­ного распада (промежуточного между холодкопламенным и нормальным «горячим»). При вторичном распаде наблюдается значительное повышение температуры, но окисление при этом не доходит до конечных продуктов, а потому выделяются СО и активные продукты, которые спустя небольшой промежуток времени образуют тепловой взрыв, распространяющийся с боль­шой скоростью и с полным выделением тепловой энергии. Таким образом, рассмотренное низкотемпературное самовоспламенение является много­стадийным и объемным. При повышении давления промежуточные стадии низкотемпературного процесса самовоспламенения сохраняются, только сокращается продолжительность последних стадий.

В цилиндре дизеля низкотемпературный многостадийный процесс само­воспламенения вполне возможен, и так как он является объемным, то до­статочен для нормального развития процесса сгорания.

Опыты А. С. Соколика и В. Л. Басевича показывают, что вслед за образованием очагов воспламенения процесс сгорания топлива в цилиндре дизеля развивается путем формирования и распространения турбулентных фронтов пламени. При этом скорость сгорания в значительной мере опре­деляется размерами начальных очагов воспламенения.