Представляет собой крайне сложный химический процесс, развивающийся в условиях быстро изменяющихся температур, давлений и концентраций реагирующих веществ. Реакции горения обычно протекают в виде нескольких последовательных стадий и ряда конкурирующих между собой параллельных процессов. Изучение химических превращений в процессе сгорания такой сложной смеси углеводородов, какой является бензин, связано с большими трудностями. Многообразие протекающих реакций может быть продемонстрировано на примере простейшего углеводорода — метана. Акад. Н.Н. Семенов считает, что высокотемпературное окисление метана идет по радикально-цепной схеме.
Началом цепи является активное соударение молекул метана и кислорода, в результате которого образуются два радикала: С Н, и НО 2.
В последующих стадиях принимают участие радикалы типа ОН и НСО и относительно стабильные промежуточные продукты — формальдегид и перекись водорода.
Таким образом, даже при сгорании простейшего углеводорода — метана идет целый комплекс различных элементарных актов, скорость протекания которых обусловливает состав образующихся продуктов в каждый данный момент и скорость протекания процесса в целом. Многочисленный экспериментальный материал позволяет считать представленный выше механизм окисления метана установленным, однако и здесь неясности еще остались.
Высокотемпературное окисление более сложных углеводородов различного строения изучено очень мало в связи с еще более сложной картиной происходящих процессов.
При сгорании углеводородных топлив следует разграничить два процесса — процесс воспламенения (инициирования горения) и процесс распространения пламени.
Для воспламенения горючей смеси необходим подвод энергии извне в количествах, достаточных для того, чтобы обеспечить в некотором объеме смеси такие начальные скорости химических реакций, при которых тепловыделение начинает превышать скорость отвода тепла от реагирующей смеси в стенки или в окружающую более холодную смесь. Воспламенение смеси может быть осуществлено путем самовоспламенения или путем принудительного зажигания. Самовоспламенение горючей смеси происходит в таких условиях, когда во всей массе смеси или в некоторых ее частях относительно большого объема начинается развитие самоускоряющихся химических реакций, завершающихся возникновением пламени. Самовоспламенение может произойти за счет нафевания горючей смеси от стенок сосуда, адиабатическим или ударным сжатием.и т.д.
Зажигание представляет собой интенсивное местное нагревание от постороннего источника небольшой части горючей смеси до высокой температуры. Чаще всего процесс зажигания осуществляется электрической искрой, при этом смесь в зоне разряда нафевается практически мгновенно до температуры, намного превышающей температуру ее горения. Скорос/ги химических реакций в зоне искрового разряда достигают огромных величин. После прекращения разряда скорость реакций уменьшается до значений, отвечающих условиям горения данной смеси во фронте пламени.
Воспламенение углеводородно-воздушных смесей в связи со сложным цепным механизмом развития предпламенных процессов может быть одно- или многостадийным в зависимости от температуры и давления среды и строения углеводородов, составляющих смесь. При некоторых условиях обычному воспламенению (горячему взрыву) смеси может предшествовать появление так называемого холодного пламени — особой промежуточной стадии окислительного процесса, сопровождающейся относительно небольшим повышением температуры (около 100°С) и слабым сине-фиолетовым свечением, различимым визуально лишь в темноте. Считают, что причиной свечения является хемилюминесценция, вызываемая возбужденными молекулами формальдегида. Холоднопламенный саморазогрев горючей смеси ясно обнаруживается при исследованиях в бомбе - в виде характерного скачка на индикаторной диаграмме.
В отличие от воспламенения процесс распространения пламени осуществляется спонтанно, без внешнего воздействия на горючую смесь. Очередные слои или объемы горючей смеси воспламеняются за счет энергии, выделяющейся при сгорании предшествующих порций той же смеси.
Процессы распространения пламени различаются по способам передачи энергии от горящих слоев в свежую смесь. Различают диффузионно-цепное и тепловое распространение пламени. Диффузия из зоны горения в свежую смесь активных центров, вызывающих развитие цепных реакций в новых слоях, играет основную роль в диффузионно-цепном механизме распространения пламени, тогда как при тепловом распространении основное значение приобретают процессы передачи тепла из зоны горения в свежую смесь. При распространении пламени в камере сгорания двигателя имеют место оба механизма, но значение каждого из них меняется по мере развития процесса сгорания. Непосредственно после воспламенения горючей смеси основная роль в распространении пламени принадлежит диффузионно-цепным процессам, в дальнейшем преобладающее значение приобретают тепловые процессы.
Скорость распространения пламени зависит также от состояния смеси перед воспламенением. Если смесь неподвижна или течет ламинарно, то процессы переноса во фронте пламени осуществляются за счет молекулярной диффузии и теплопроводности. Такое распространение пламени называют ламинарным. Если горючая смесь находится в турбулентном движении, то молекулярная диффузия начинает играть второстепенную роль — ведущее значение в распространении пламени приобретают процессы турбулентного смешения свежей смеси с продуктами сгорания. Подобное горение называют турбулентным.
При исследовании процессов сгорания в бомбах и трубах при небольших скоростях движения смеси имеет место ламинарное распространение пламени и скорость сгорания составляет 1—4 м/с.
В двигателях внутреннего сгорания наполнение рабочей смесью происходит с большими скоростями; создается сильное вихревое движение, которое частично сохраняется и в период сжатия. В этих условиях горение носит турбулентный характер и скорость распространения пламени заметно возрастает — до 10—40 м/с.
Увеличение скорости распространения фронта пламени с ростом турбулентности горючей смеси происходит также вследствие искривления и увеличения поверхности фронта пламени и имеет очень важное значение для обеспечения нормального сгорания смеси в двигателе при различных числах оборотов. С увеличением числа оборотов непрерывно уменьшается время, отведенное на процесс сгорания смеси в двигателе. Одновременно усиливается вихревое движение смеси за счет увеличения скорости поступления смеси через впускной клапан, что приводит к росту скорости распространения пламени. Влияние турбулентности рабочей смеси на скорость распространения фронта пламени показано в табл.

Таким образом, скорость распространения фронта пламени увеличивается приблизительно пропорционально числу оборотов коленчатого вала. Если бы скорость распространения фронта пламени не зависела от турбулентности смеси, работа двигателя на разных режимах была бы невозможна. Скорость распространения фронта пламени возрастает при повышении давления и температуры. В связи с этим увеличение степени сжатия, применение наддува и другие меры, повышающие давление и температуру в конце такта сжатия, приводят к росту скорости распространения фронта пламени.
Скорость распространения фронта пламени зависит от состава смеси, т.е. от коэффициента избытка воздуха. Максимальное значение скорости соответствует значениям а = 0,95. При обогащении и обеднении смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается. В первом случае это происходит вследствие недостатка кислорода, а во втором — вследствие расхода части тепла на нагревание избыточного количества воздуха. Следует отметить, что максимумы скорости пламени могут не совпадать при исследовании в двигателях и бомбе.