Топливовоздушные смеси при умеренных температурах могут находиться в течение длительного времени без каких-либо заметных изменений в их составе. При повышении температуры смеси может начаться медленное развитие предпламенных реакций окисления, но воспламенения не будет до тех пор, пока температура смеси не превысит некоторого критического значения, при которой начнется быстрый саморазогрев смеси и произойдет воспламенение. Обычно воспламенение наблюдается при нарушении равновесия между скоростью тепловыделения в результате начавшихся химических реакций окисления и скоростью теплоотвода из реагирующей смеси в окружающую среду. В результате нарушения теплового баланса в некотором объеме топливовоздушной смеси начинается прогрессивный саморазогрев. который заканчивается самовоспламенением горючей смеси.

Для воспламенения топливовоздушной смеси необходим подвод теплоты извне либо ко всей массе свежего заряда, либо к небольшой её части за счет местного разогрева до высокой температуры. Этой энергии должно быть достаточно, чтобы в некотором объеме горючей смеси обеспечить за счет химических реакций превышение скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода в окружающую более холодную горючую смесь.

В зависимости от способа подвода энергии для воспламенения топливовоздушной смеси имеют место следующие виды воспламенения:

• высокотемпературное воспламенение от электрической искры;
• высокотемпературное воспламенение от накаленных поверхностей;
• низкотемпературное самовоспламенение.

Воспламенение от электрической искры

При подаче электрической искры на электроды свечи в искровом канале происходит практически мгновенное нагревание газа до температур, превышающих 10 000 К, при которых происходит разрыв внутримолекулярных связей в молекулах реагирующих веществ и образование активных частиц со свободными валентностями.

При таких условиях с большой скоростью развиваются цепные реакции и наблюдается интенсивное тепловыделение первоначально в небольшом шаровом объеме газа, окружающем электроды свечи.

После прекращения разряда накопленная в этом объеме теплота будет отводиться за счет теплопроводности в окружающие слои газа и температура в начальном объеме будет быстро уменьшаться. Однако вследствие выделения теплоты за счет химических реакций температура в начальном шаровом объеме уменьшится до значений, соответствующих температуре пламени при данном составе горючей смеси, и дальнейшее понижение температуры прекратится. Отвод теплоты в окружающие шаровой объем более холодные слои газа будет полностью компенсироваться теплотой, выделяющейся при сгорании горючей смеси в этом объеме. В результате таких процессов формируется очаг воспламенения сферической формы с радиусом сферы г — 2-3 мм.

На условия формирования первоначального очага воспламенения оказывают влияние такие факторы, как тепловая мощность искры, состав смеси а, конструкция свечи зажигания, характер и интенсивность движения свежего заряда в зоне начального очага горения и другие факторы. Эти факторы, действуя в совокупности и одновременно, случайным образом ускоряют или замедляют химические реакции окисления, что оказывает влияние на скорость развития химических реакций и на время формирования начального очага воспламенения. В результате на формирование начального очага воспламенения требуется отрезок времени, называемый периодом задержки воспламенения. Этот отрезок времени фиксируется с момента подачи искрового разряда до момента когда объем реагирующей смеси вырастет до значений, при котором заметным оказывается выделение теплоты и повышение давления в цилиндре. Длительность периода задержки воспламенения зависит от температуры и давления горючей смеси в момент подачи искры, тепловой мощности самой искры, свойств топлива и состава горючей смеси. Как правило, пониженные температуры горючей смеси в момент подачи искры, обедненный состав горючей смеси, наличие большого количества остаточных газов увеличивают период задержки воспламенения. Длительность задержки воспламенения выражается в градусах угла поворота коленчатого вала или в миллисекундах.

Дальнейшее распространение пламени от сформировавшегося очага воспламенения по всему объему камеры сгорания будет зависеть от условий тепловыделения в очаге воспламенения и теплопередачи в соседние слои свежего заряда.

Если ближайший к очагу воспламенения слой холодной смеси успеет прогреться до температуры, при которой начинаются реакции окисления, то пламя от очага воспламенения перемещается на соседний сферический слой горючей смеси, и таким образом, слой за слоем происходит распространение пламени по всему объему камеры сгорания. Если же количества теплоты, выделяющейся в слое, недостаточно или выделение теплоты происходит медленно и теплота успевает рассеиваться по окружающему холодному свежему заряду, то возникший первоначально очаг воспламенения затухает, и распространение пламени не происходит. Этот момент фиксируется как пропуск вспышки в цилиндре двигателя.

Воспламенение от накаленных поверхностей

В отличие от воспламенения топливовоздушной смеси от электрической искры возможно самовоспламенение топливовоздушной смеси от её контакта с небольшой поверхностью, нагретой до высокой температуры, обычно Т>1000 К. Такими поверхностями могут быть электроды свечи, головка выпускного клапана отдельные участки головки цилиндра или поршня.

Неуправляемое самовоспламенение топливовоздушной смеси в такте сжатия до момента подачи электрической искры называется калильным зажиганием.

Калильное зажигание представляет собой опасный вид нарушения сгорания в форсированных карбюраторных двигателях. Более раннее зажигание и сгорание топливовоздушной смеси на такте сжатия приводит к резкому увеличению теплоотдачи от горячих газов в окружающие камеру сгорания поверхности и к опасному виду разрушения поршня (прогар).

Опасность калильного зажигания заключается в отсутствии внешних признаков его появления в одном из цилиндров много-цилиндрового двигателя и обнаруживается уже тогда, когда оно привело к прогоранию поршня.

В процессе сжатия топливовоздушной смеси в последней повышаются давление и температура. Одновременно с увеличением температуры в массе смеси начинаются предпламенные окислительные реакции, которые тем не менее не приводят к самовоспламенению всей массы газа из-за недостаточно высокой температуры.

Вместе с тем. топливовоздушная смесь вблизи нагретой поверхности имеет слои с существенно большей температурой, чем вся остальная масса свежего заряда. В этих слоях скорость предпламенных реакций с выделением теплоты достаточно высока, в результате чего скорость тепловыделения превышает скорость теплоотдачи в соседние, более холодные слои свежего заряда. Происходит интенсивный саморазогрев и вблизи нагретой поверхности появляется точечный очаг воспламенения, от которого распространяется фронт пламени по подготовленной к воспламенению горючей смеси точно так же. как и при воспламенении от электрической искры.

Наличие в камере сгорания католически активных поверхностей, например, поверхностей, покрытых платиной, на которых окислительные реакции развиваются с более высокими скоростями, чем во всей массе свежего заряда при той же температуре, не вызывает калильного зажигания. Накаленная поверхность, покрытая каталитически активным слоем, в свою очередь покрывается защитным газовым слоем, состоящим из продуктов окисления СО₂, H₂O, отделяющим его от основной массы свежего заряда, и препятствует проникновению к горячей поверхности продуктов реагирующих веществ. Такая поверхность может быть нагрета до более высоких температур Т = 1400-1500 К и не вызывать калильного зажигания. Например, электроды свечи из платины, являющейся активным катализатором, допускают разогрев до 1500 К без признаков калильного зажигания.

Причиной возникновения калильного зажигания могут служить отложения нагара на стенках камеры сгорания. Отлетевшая от основной массы нагара раскаленная частица нагара при соприкосновении с кислородом окружающей топливовоздушной смеси начинает активно окисляться и дополнительно разогреваться до температуры тления гораздо большей, чем температура накаленной металлической поверхности. Сама частица нагара из-за выгорания углерода покрывается слоем углекислого газа СО₂. в результате чего воспламенение топливовоздушной смеси возникает в прилегающем слое, несколько удаленном от поверхности частицы, но имеющем достаточно высокую температуру, при которой активно развиваются окислительные реакции с выделением теплоты и появлением очага воспламенения. Появление такого очага воспламенения возможно как до появления электрической искры на электродах свечи, так и после того, как началось распространение пламени от свечи зажигания по несгоревшей массе свежего заряда.

В последнем случае резко возрастает скорость выгорания топлива на заключительных стадиях сгорания свежего заряда и резкое нарастание давления в камере сгорания.

Калильному зажиганию от нагара подвержены ароматические углеводороды, обладающие повышенной склонностью к нагарообразованию. Особенно много нагара образуется при длительной работе двигателя на режимах малых нагрузок и холостом ходу.

Калильное зажигание с неуправляемым моментом зажигания, возникающее на такте сжатия, увеличивает затраты работы на сжатие уже сгорающей смеси, а также резко увеличивает теплоотдачу в стенки камеры сгорания и днище поршня за время длительного контакта горячих газов с указанными поверхностями. Это приводит к уменьшению мощности двигателя и к перегреву внутренних поверхностей камеры сгорания, что в свою очередь может привести к детонации и прогару днища поршня.

Низкотемпературное самовоспламенение

В карбюраторных двигателях с высокой степенью сжатия иногда наблюдается самопроизвольная работа двигателя при выключенном зажигании. Такое явление может быть как результат калильного зажигания перегретого двигателя, но нередко возникает и на нормально прогретом двигателе при выключенном зажигании. Одновременно с выключением зажигания прикрывается дроссельная заслонка, частота вращения коленчатого вала быстро уменьшается, но вращение не прекращается. В этот момент в цилиндр двигателя поступает в небольшом количестве сильно обогащенная горючая смесь через систему холостого хода, перемешивается с горячими остаточными газами, в результате чего начальная температура свежего заряда получается достаточно высокой. В результате сильного сжатия такой смеси в последней из-за высокой температуры происходит интенсивное развитие предпламенных реакций и самовоспламенение топливовоздушной смеси, подобно воспламенению горючей смеси в дизель ном двигателе. При этом частота вращения коленчатого вала устанавливается такой, при которой длительность задержки воспламенения оказывается меньше времени пребывания нагретой сжатием горючей смеси в цилиндре. В результате возникают самопроизвольные вспышки и вращение коленчатого вала с частотой n = 300-400 мин^-1.

Радикальным средством устранения этого явления является автоматическое прекращение подачи топлива через систему холостого хода при выключении зажигания, либо плавное открытие дроссельной заслонки.