Выделение сажи в процессе сгорания может быть разделено на три основные фазы [50, 57]:

1) образование зародыша;

2) рост зародышей в частицы сажи;

3) коагуляция первичных сажевых частиц.

Скорость образования сажи определяется скоростью химиче­ских процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса).

Схема возможных механизмов (путей) образования сажи по­казана на рис. 1 [57].

При относительно низких температурах (менее 1500 К) ре­акции полимеризации и конденсации преобладают над реакция­ми дегидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или поли­циклические соединения. При температурах 2000— 3500К, соответствующих процессу сгорания в дви­гателях, происходит рас­пад молекул или даже их расщепление.

Необходимо отметить, что образование сажи в предварительно переме­шанном и диффузионном пламени (ламинарном и турбулентном) также происходит через пиролиз молекул углеводорода.

Многочисленными эк­спериментальными ис­следованиями установле­ны концентрации окислителя, при которых начинается выделе­ние сажи из пламени. Эти концентрации оценивают коэффици­ентом избытка воздуха при сгорании а.

Концентрационный предел начала образования сажи зависит от многих факторов (температуры, давления, вида топлива, ти­па горелки) и по а составляет 0,33—07 [8, 73, 74]. С увеличе­нием температуры начало образования сажи сдвигается в сто­рону более богатых топливовоздушных смесей, с увеличением давления—в сторону более бедных смесей. Максимум сажесодержания при повышении температуры процесса также сдвигается в сторону богатых смесей. Необходимо отмстить, что на образование сажи в пламени (горелка или цилиндр двигателя внутреннего сгорания) коэффициент избытка воздуха влияет не непосредственно, а через физические факторы (температура пла­мени; появление зон смеси с концентрациями, благоприятными для термического разложения).

Количество образовавшейся сажи в большой степени зави­сит от температуры в зоне пиролиза углеводородов. С ростом температуры это количество резко увеличивается, так как ско­рость реакции (1) контролируется ее кинетикой. Подобным об­разом влияет и увеличение давления.

В исследованиях сажеобразования па модельной установке (при впрыске вторичного жидкого топлива в продукты сгора­ния) установлено существование равновесной температуры про­цесса, т. е. температуры, при которой процесс характеризуется равновесием между скоростями горения и распада топлива в тепловом выражении [12].

Максимальное сажесодержание в продуктах горения соот­ветствует равновесной температуре. Уменьшение или увеличе­ние температуры по сравнению с равновесной уменьшает сажесодержание. Равновесная температура зависит от условий эк­сперимента и вида топлива [12].