Эволюционное развитие - это отбор состояний, имеющих смысл. В тепловых двигателях уже более ста лет имели смысл хорошо управляемые режимы сгорания на основе дефлаграционных пламен. Экологические требования и гиперзвук потребовали более полного и быстрого сгорания, в связи с чем появился смысл в детонационных режимах.
Применительно к тепловым двигателям неравновесная термодинамика показывает, что при одних и тех же граничных условиях, наложенных на систему, в виде давления и температуры, но разных начальных условиях, т.е. агрегатных состояниях, система смеси может эволюционировать в конечное состояние по разным кинетическим механизмам. Вот почему, до настоящего времени не имеют успеха усилия ведущих фирм и исследовательских центров по выявлению общих закономерностей кинетических механизмов воспламенения и горения.
В этой связи проблема точного управления процессом самовоспламенения в технологиях объемного сгорания HCCI (воспламенение гомогенного заряда от сжатия) и GDCI (непосредственный впрыск топлива с воспламенением от сжатия) одного порядка и обусловлены невозможностью задания начальных условий с высокой точностью. В результате система смеси будет всегда характеризоваться неопределенным поведением. В подтверждение можно привести вывод Пригожина, что момент самовоспламенения, при адиабатического взрыве, является случайным событием. (см. стр. 206-207, Пригожин, УРСС). Дополнительным подтверждением служат эмпирические данные Тауненда и Мэндлейкера о влиянии состава смеси, т.е. α, на критическое давление при котором температура самовоспламенения сильно меняется, почти на 2000С. (см. стр. 32-33, Соколик, АН СССР). С учетом существенного влияния на критическое давление перехода и химической природы горючего существуют неустранимые неопределенности, влияющие на момент самовоспламенения. В самом деле, при широком фракционировании бензина можно говорить о фракционном составе только с определенной долей вероятности, что примерно 10% легких, 60% средних и 30% тяжелых. При этом природа самих фракций, т.е. химический состав еще больше не определен поскольку сильно зависит от химического состава исходного сырья и технологии обработки. Помимо этого, давление и температура, при адиабатическом сжатии, зависят от частоты вращения двигателя, температуры смеси на входе, эффекта повышения давления и температуры в холодных пламенах (хемилюминесценция), теплонапряженности рабочей камеры. Добавив к этому флуктуационные колебаний α в газовой фазе, изменения уровня турбулентности в смеси, разброс цикловой подачи топлива форсунками (2-4%), влияющие на α, разброс в температуре отработавших газов и количестве экспортируемых радикалов в цилиндры (СО) следует вывод: Точное управления моментом самовоспламенением на основе взрывных параметров, в диапазоне работы двигателя, под силу только демону Максвелла. В связи с этим применение взрывных параметров для управления моментом самовоспламенения является тупиковым решением.
Кроме этого, в рамках классических представлений не представляется возможным физически интерпретировать возникающую в турбулентном хаосе упорядоченность (самоорганизацию), проявляющуюся в виде многоочагового сгорания в режиме HCCI.
Учитывая, что объемное сгорание претендует на ведущее место среди технологий, направленных на повышение энергоэффективности бензиновых двигателей возникает вопрос в существовании альтернативного подхода в решении главной проблемы технологии объемного сгорания - точное управление моментом воспламенения.
Для этого уточним условия реализации объемного сгорания. Например, в формулировке Брозе:
1. Проведение в смеси предпламенных реакций.
2. Наработка свободных радикалов.
3. Возникновение точечного очага воспламенения, способного поджать смесь.
«Распространение горения этого типа оказывается сходным с распространением детонации (абзац 46), но в данном случае импульс давления не является носителем всей энергии, а лишь возбуждает начало процесса.» (см. стр. 41-42, Брозе).
В отношении точечного очага воспламенения, способного поджать смесь, то на первый взгляд, искровой разряд не способен создать первичную локальную область воспламенения поскольку верхний предел воспламенения бензинов α ~ 1.3. Однако, трансляция этого предела на смеси в которых прошли предпламенные процессы не корректна. В подтверждение можно привести полученные экспериментально данные в режиме двигателя, для бедных смесей в которых прошли предпламенные процессы (Ливедаль, Говард). В них обнаружено облегчение воспламенения, начиная с α ˃ 1,25. В соответствии с графиком 108 (См. стр. 145, Соколик, АН СССР) условия воспламенения бедных смесей с α ~ 1.5 – 1.6, т.е. при обеднении на 40-50%, эквивалентны условиям воспламенения смесей стехиометрического состава. Доказательством, что объемному сгоранию всегда предшествует первичный точечный очаг зажигания можно привести комментарии Соколика к выводам Рёгера, Тизара и Пая и ссылки на фотографические регистрации, полученные методом непрерывной развертки в опытах Диксона и Дюшена. (см. стр. 127-128, Соколик, АН СССР). На возникновение самовоспламенения всегда в одной точке, даже при тепловом взрыве, когда температурные флуктуации подавлены, обращал внимание еще Франк – Каменецкий. (см. скан стр. 14, Соколик, АН СССР).
С учетом показанной Ландау аналогии в создании очага зажигания от искры и воспламенения от горячей точки, (см. стр. 223, Соколик, АН СССР) эффект облегчения условий воспламенения весьма убедительный аргумент в пользу утверждения о возможности реализации принудительного управления воспламенением при α ~ 1,5 – 1,6 не от сжатия, как в технологиях HCCI и GDCI, а от искрового зажигания двигателя.
В отношении условия наработки свободных радикалов, то вместо радикалов СО, транслируемых в цилиндры с отработавшими газами, можно использовать свободные радикалы от тяжелых топливных погонов, которых в товарных бензинах порядка 30%. Как отмечено многими авторами, в том числе Брозе, при увеличении количества атомов в молекулах число степеней свободы вращательного и колебательного движения значительно превосходит энергию поступательного движения, в связи с чем, происходит быстрое разрушения внутримолекулярных связей. (см. скан. стр. 13, Брозе, в приложении). Быстрый распад тяжелых топливных молекул, с учетом автокаталитического процесса, запускает в низкотемпературной зоне окисления механизм разветвления цепи с образованием активных промежуточных продуктов в виде перекисей, альдегидов, формальдегида и углеводородных радикалов, а на стадии голубых пламен, когда давление стабилизирует наработку перекисей, распад формальдегида, высших альдегидов и углеводородных радикалов с образованием радикалов HCO*и CH*. Другими словами, участие в предпламенных процессах многоатомных топливных молекул, позволяет значительно эффективнее решать задачу обеспечения смеси радикалами.
Что касается условия предпламенных процессов, то они имеют фундаментальное значение для всего процесса, в том числе самоорганизации смеси. Задолго до разработки концепции самоорганизации в газовой кинетике (Николис, Пригожин) Соколик, связывал локализацию продуктов неполного окисления, химическое ускорение пламени и образование ударной волны в моторе с предпламенными процессами. Он показал, что в отличие от «стука», вызванного детонационным сгоранием, в конечном объеме заряда, возможна реализация условий «недетонационного стука», когда возникает сферическая ударная волна, но без детонационного сгорания. Им отмечено, что сгорание при «недетонационном стуке» становится фактором повышения эффективности рабочего цикла двигателя. (см. стр. 410-411, Соколик, АН СССР). С разработкой концепции самоорганизации в химической кинетике, возникла физическая и химическая интерпретация идеи объемного сгорания, высказанная в общем виде Серрюисом в так называемой «теории нуклеарного воспламенения». По мнению Соколика, это единственная теория, способная объяснить возникновение ударной волны в условиях двигателя.
Как стало очевидным, при неравновесных условиях и автокаталитических реакциях, что полностью соответствует предпламенному периоду в двигателе, распределение неупруго сталкивающихся частиц перестает быть случайным. (см. стр. 124,125, Пригожин, URSS). Химические корреляции в системе становятся крупномасштабными, и система ведет себя как единое целое, несмотря на то, что химическое взаимодействие носит короткодействующий характер. (см. стр.132, Пригожин, URSS). Априори можно ожидать, что неупругие столкновения приведут вместе с диффузией к хаотическому распределению продуктов первичного окисления, но это не так. В механизме высокотемпературного воспламенения реакции продолжения и разветвления цепи идут с участием кислорода. Неупругие столкновения, начиная с первичных бимолекулярных реакций присоединения кислорода, порождают локальные пространственные асимметрии в межмолекулярных столкновениях. Интенсивность межмолекулярных столкновений из внешних областей остается прежней, а со стороны топливных молекул, производящих присоединения кислорода, снижается. Локальные потоки молекул кислорода из внешних областей системы к топливным молекулам или частям молекул сдерживают диффузию отщепляющихся от них частей. При этом транспортные процессы, с ростом давления от сжатия, дополнительно подавляются усиливающейся интенсивностью столкновений. В результате при разветвлении цепи диффузия отщепляющихся фрагментов не может значительно превысить длину свободного пробега частиц в системе. Локализация промежуточных компонентов, т.е. близкое пространственное расположение, будет фактически соответствовать эффекту притяжения молекул в реакциях продолжения цепи. Другими словами, столкновения молекул в предпламенный период характеризуется нарушением случайности. При подходе к точке бифуркации амплитуды корреляций возрастают, и система смеси характеризуется разбиением на множество активных центров «ядер» с повышенной концентрацией продуктов первичного окисления с ярко выраженными взрывным характером. В свете эффекта самоорганизации, активное формирование «ядер» приходиться на стадию голубых пламен. Как показали Бейли и Норриш, голубое пламя, образующееся в продуктах холодного пламени, характеризуется более глубоким изменением состава продуктов, резким снижением количества исходного углеводорода и сильным снижением концентрации свободного кислорода О2. (см. стр. 57-58, Соколик, АН СССР). Активное присоединения кислорода на стадии голубого пламени усиливает локальные потоки молекул кислорода к топливным молекулам, что способствует подавлению транспортных процессов в системе. При этом, как показали детальные исследования голубого свечения Гейдона и Мура, в спектре голубых пламен весьма интенсивны полосы радикалов НСО* и СН*, отсутствующие в холодных пламенах. (см. стр. 58-59, Соколик, АН СССР). С учетом этого, в период голубого пламени формирующиеся «ядра» обеспечиваются свободными радикалами, необходимыми для быстрого развития объемного сгорания. По мнению Соколика, интенсивность специфического излучения голубого пламени (полос НСО*) является мерой создания в нем концентрации свободных радикалов. (см. стр. 59, Соколик, АН СССР). Вовлечение в гомогенизацию на впуске и предпламенные процессы тяжелых топливных фракций значительно, особенно на стадии голубых пламен, увеличит число молекул в системе. (см. стр. 57, Соколик, АН СССР). С учетом самоорганизации увеличение числа молекул будет способствовать повышению плотности активных «ядер» в системе. Повышение плотности позволит плазменному шнуру при искровом разряде произвести тепловое, радиационное и электронное воздействие на значительное число активных «ядер» с целью воспламенения. Иными словами, когда смесь еще не достигла температур самовоспламенения воздействие искрового разряда искусственно генерирует критическую температурную флуктуацию в системе. Воспламенившаяся группа «ядер», образует градиент давления, который через адиабатическое сжатие подожмет смесь. В формулировке Пригожина это означает, что первичная локальная область, через адиабатическое сжатие, подала со скоростью звука инновационный сигнал (транспортный процесс) остальным активным «ядрам» на необратимый процесс перехода в новое устойчивое состояние. Даже при флуктуационном разбросе параметров в «ядрах», часть активных «ядер» с параметрами близкими к воспламенению, воспримет, через волны сжатия, сигнал к переходу в новое устойчивое состояние и воспламениться. За счет общего повышения температуры и элементарных волн сжатия, остальные «ядра», обеспеченные свободными радикалами, очень быстро вовлекаются в необратимый процесс сгорания. Необходимо отметить, что приведенная интерпретация полностью соответствует представлениям, развитых брюссельской группой, во главе с Пригожиным, на поведение сильно неустойчивых систем в окрестности точек бифуркации и подтверждается выводами Рёгера, Тизара и Паяо том, что самовоспламенение может возникать даже тогда, когда непосредственно после сжатия, остальная часть смеси не достигла температур самовоспламенения. (см. стр. 127, Соколик, АН СССР). В этой связи возможность принудительного воспламенения искровым разрядом, даже после ВМТ, исключит жесткость работы двигателя, характерную технологи HCCI.
Учитывая вышесказанное, бытующее мнение, что многоочаговое сгорание в HCCI цикле возникает одновременно во всем объеме, благодаря адиабатическому сжатию, не соответствует физической реальности и является ошибочным.
В рамках самоорганизации получает разумную физическую интерпретацию и вывод Соколика о связи эффекта облегчения воспламенения с голубым пламенем.Явление самоорганизации, в соответствии с указанным механизмом, доказывают многочисленные фото регистрация многоочагового сгорания в режиме HCCI, например, см. скан фото 1.2.3.4. «Судовые энергетические установки». Необходимо отметить, что регистрируемое в отработавших газах HCCI цикла повышенное содержание СО и СН, в сравнении с классическом сгоранием и экспериментально достигнутые удельные расходы топлива 172-175 г/кВт*ч компанией Delphi–Hyundai на технологии GDCIслужат убедительным подтверждением возможности увеличения топливной экономичности более чем 30% в цикле ОТТО.