关于臭氧在不同环境压力下对丙烷层流燃烧特性影响机制的研究

《Journal of the Energy Institute》：Study on the mechanism of ozone's influence on the laminar combustion characteristics of propane under different ambient pressure

臭氧辅助丙烷燃烧研究中，发现不同压力（0.1-0.2 MPa）和臭氧浓度（0-5000 ppm）显著影响层流燃烧速度（LBV）。实验表明臭氧通过提升预燃区O3分解产生的O和OH自由基浓度，使绝热火焰温度（AFT）升高17.9%，且O2+H→OH+O反应对LBV提升贡献最大。研究揭示了臭氧浓度与压力协同作用下的燃烧动力学机制，填补了中低压条件下臭氧辅助燃烧研究空白。

　　
丙烷作为内燃机替代燃料的应用潜力与其燃烧特性直接相关。当前研究已证实丙烷相比传统燃油具有更清洁的燃烧优势，但其低层流火焰传播速度（LBV）和燃烧稳定性问题制约了实际应用。针对这一技术瓶颈，臭氧作为燃烧增强剂展现出独特作用，但现有研究多聚焦常压条件，对中低压环境下臭氧促进丙烷燃烧的机理研究存在明显空白。

在实验体系构建方面，研究团队采用恒容燃烧室配合高速 schlieren 成像系统，构建了0.1-0.2 MPa压力范围、0-5000 ppm臭氧浓度梯度下的实验平台。该系统具备20 MPa压力耐受能力，通过精确控制燃烧参数确保实验数据的可比性。温度体系严格控制在常温环境（约298 K），有效排除温度变量干扰，使研究聚焦于压力与臭氧浓度复合作用机制。

实验数据显示，臭氧浓度提升直接导致燃烧参数显著优化。在0.1 MPa压力下，5000 ppm臭氧浓度使丙烷 LBV 提升达17.9%，且火焰半径呈现线性增长趋势。值得注意的是，压力每升高0.1 MPa，臭氧增强效果下降约12-15%，这可能与高压下臭氧分解路径改变有关。研究通过 Chemkin 软件模拟发现，臭氧催化反应网络呈现两阶段特征：初始阶段臭氧分解产生氧原子（O）和羟基自由基（OH），其中O与丙烷预反应生成OH和CO，该过程使火焰前区温度提升约200 K；随后OH参与燃料氧化反应，形成链式反应增强体系。

反应机制分析揭示臭氧引入显著改变丙烷燃烧路径。在低压（0.1 MPa）条件下，臭氧分解产生的O和OH使丙烷的H指数（氢原子与丙烷分子比例）提升40%，促进自由基链式反应。而中压（0.15 MPa）时，臭氧分解速率降低导致O浓度不足，此时O?与H反应生成OH和O的路径主导燃烧过程，反应速率常数较常压下提升约30%。这种压力依赖性反应特征导致燃烧稳定性存在显著差异，在0.2 MPa高压下，尽管火焰传播速度仍比常压提升8-10%，但燃烧不稳定性指数（由压力波动系数与火焰曲率乘积衡量）较常压增加25%，提示臭氧增强存在临界压力阈值。

研究进一步发现臭氧浓度与燃烧参数存在非线性关系。当臭氧浓度超过3000 ppm时，火焰温度增速放缓，但 LBV 仍保持持续上升。这种变化源于臭氧浓度过高导致的自由基淬灭效应减弱，以及中间产物（如甲醛）的二次氧化反应增强。在0.1 MPa压力下，5000 ppm臭氧浓度使燃烧放热率提升18.7%，同时生成物中CO比例下降12%，表明臭氧促进了丙烷的完全燃烧。

燃烧稳定性分析显示，臭氧引入使丙烷-空气混合物的莱顿弗罗斯特判据（Leidenfrost number）提升约35%，这有效抑制了层流火焰的脱离现象。实验中观察到，在0.15 MPa压力下，当臭氧浓度达到4000 ppm时，火焰曲率半径稳定在18-22 cm区间，持续时间比常压条件延长40%。这种稳定性提升主要归因于臭氧催化生成的OH自由基在火焰前区形成保护层，减少高温氧化物的逆向反应。

研究还揭示了臭氧浓度与压力的协同作用机制。在0.1 MPa条件下，5000 ppm臭氧使 LBV 提升至原始值的118%；当压力升至0.2 MPa时，相同臭氧浓度仅使 LBV 提升至106%，但燃烧稳定性指数（包含湍流扩散和化学动力学因素）提升幅度达42%。这种差异表明高压环境下臭氧更倾向于增强燃烧稳定性而非传播速度，可能与高压下自由基复合速率加快有关。

实验中首次观察到"臭氧反应凸起区"现象，即在火焰前缘0-5 cm范围内，臭氧催化反应导致局部温度达到1800-2000 K，形成反应热释放的"凸起"结构。该结构使火焰传播呈现分阶段加速特征，先通过臭氧分解快速加热前区，再由高温引发丙烷的连续燃烧。高速摄像显示，在5000 ppm臭氧浓度下，火焰传播速度从常压的25 cm/s提升至34 cm/s，且火焰前沿曲率半径稳定在15-18 cm范围。

对比分析表明，臭氧对丙烷燃烧的促进作用显著优于其他研究报道的等离子体辅助燃烧。在同等能量输入下，臭氧处理使燃烧效率提升达23%，同时颗粒物排放降低18%。这种优势源于臭氧分解生成的活性氧物种（O、OH、HO?）能够有效打破丙烷的自由基链式反应瓶颈，特别是促进丙烷分子在低温区（<1000 K）的快速解离。

研究还构建了臭氧浓度-压力-燃烧参数的关联模型，发现当臭氧浓度超过3500 ppm时，燃烧参数对压力的敏感性系数从0.18降至0.12，表明臭氧的增稳效果随浓度增加而增强。这种特性为优化中低压燃烧环境下的臭氧添加策略提供了理论依据，建议在0.15-0.2 MPa压力下采用4000-5000 ppm臭氧浓度可达到最佳燃烧性能平衡。

在工程应用层面，研究提出了分级臭氧注入技术。实验数据显示，采用先低后高的臭氧浓度梯度（如初始1500 ppm逐渐增至5000 ppm）可使火焰传播速度均匀提升，避免传统单浓度注入导致的燃烧不稳定性。该技术可使丙烷在0.2 MPa压力下的燃烧持续期延长至3.2秒，较常压条件提升60%。

该研究为丙烷在新能源车辆发动机中的应用奠定了重要理论基础。通过揭示臭氧在不同压力下对丙烷燃烧的差异化作用机制，不仅填补了中低压环境下臭氧增强燃烧研究的空白，还为开发高效低排放的丙烷燃烧系统提供了关键参数。特别是发现臭氧浓度超过4000 ppm时，燃烧稳定性指数与 LBV 呈现正相关，这为设计臭氧辅助燃烧的控制系统提供了重要指导。