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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A4 Termofluidos: Combustión
Mecanismo químico reducido del n-propanol y su implementación en el modelado de motores tipo HCCI
Juan M. Bucioa, Juan C. Princea,*, Abelardo Rodrígueza, Guillermo Ovandoa
aInstituto Tecnológico de Veracruz, M. A. de Quevedo 2779, Veracruz, Ver., C. P. 91860, México
*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: jcpa@itver.edu.mx
R E S U M E N
En este trabajo se obtiene un mecanismo reducido de reacciones del bio-combustible n-propanol para implementarlo en
la simulación numéricamente del proceso de combustión de mezclas de n-propanol/aire en un motor de carga homogénea
encendido por compresión (HCCI). El primer paso de la investigación fue el desarrollo de un modelo reducido de
reacciones químicas y para tal efecto, diecisiete reacciones químicas son identificadas, así como sus correspondientes
constantes de reacción, que al acoplarlas al mecanismo reducido base (mecanismo de San Diego), que abarca hasta el
propano y no incluye a este bio-combustible, se puedan simular fenómenos de combustión. Lo anterior implicó la
introducción de solo cuatro especies químicas adicionales al mecanismo base. Pruebas de comparación del modelado
con datos experimentales de velocidades de llamas y tiempos de ignición son reportadas, lo que soporta y valida este
mecanismo de reacciones químicas. Posteriormente, este modelo reducido de reacciones fue implementado para la
simulación de un motor de combustión interna tipo HCCI con la ventaja de ahorro en tiempo computacional.
Palabras Clave: Combustión, bio-combustible, cinética química, modelado computacional, HCCI.
A B S T R A C T
In this work we obtain a reduced reaction mechanism of the biofuel n-propanol to be implemented in the numerical
simulation of the combustion process of n-propanol/air mixtures in a homogenous charge compression ignition (HCCI)
motor. The first step of the research was the development of a reduced model of chemical reactions, and for that purpose,
seventeen chemical reactions are identified, as well as their corresponding reaction constants, that when coupled to the
reduced base mechanism, (San Diego mechanism) that covers up to propane and does not include this bio-fuel, can
simulate combustion phenomena. This involves the introduction of only four additional chemical species to the base
mechanism. Modeling comparison tests with experimental data of flame speeds and ignition times are reported, which
supports and validates this model of chemical reactions. Subsequently, this reduced mechanism was implemented for the
simulation of an internal combustion engine type HCCI with the advantage of saving in computational time.
Keywords: Combustion, bio-fuel, chemical kinetics, computational modeling, HCCI.
1. Introducción
La combustión es la principal fuente de energía en el mundo
pero también el proceso que mayores contaminantes
produce; cerca del 85 % de la energía que usa el ser humano
proviene de este proceso. Combustión, definida en [1-2]
como la dinámica de fluidos químicamente reactantes,
comprende áreas interdisciplinarias como termodinámica,
mecánica de fluidos y cinética química; en una clasificación
general de los fenómenos de combustión se tienen: llamas,
ignición y explosiones. El modelado y simulación de estos
problemas se basan en la complejidad matemática de la
física de los fluidos y en la cinética química de las especies
que intervienen como reactantes y como gases de
combustión. Por lo que el entendimiento de la evolución de
las especies químicas y de sus reacciones de combustión
puede ayudar a mitigar las emisiones dañinas y a mejorar la
eficiencia de este proceso de conversión de energía.
La disminución de las reservas convencionales de
combustibles fósiles y la necesidad de avanzar hacia la
independencia energética requieren el uso de
biocombustibles renovables. Los alcoholes, derivados a
través de procesos bioquímicos, tienen el potencial de
proporcionar tales combustibles que, además de ser
renovables, producen una combustión más limpia. Debido al
creciente interés del uso de bio-combustibles (como el n-
propanol) en mezclas con combustibles fósiles, es que se ha
escogido a este alcohol con el fin de entender las
características de su combustión y eventualmente aplicarlo
ISSN 2448-5551 TF 58 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
en simulaciones de sistemas de combustión prácticos y para
el estudio de reducción de contaminantes.
El tiempo de ignición térmica, es uno de los parámetros más
importantes para muchas aplicaciones de combustión. Este
tiempo controla la ignición en motores de combustión
interna, donde si el tiempo de ignición es menor que el
tiempo de residencia de la mezcla aire/combustible entonces
la ignición se llevará en la parte baja y no en la parte alta de
la cámara de combustión. Por otra parte, el estudio de llamas
tiene un gran campo de trabajo, ya que se puede aplicar en
la regulación del flujo combustible-aire y en la
determinación de las condiciones necesarias para poder
obtener una llama estable con las formas y dimensiones que
se requieren en los diferentes tipos de quemadores de gas,
de líquido y de aceite.
En relación con el metanol y el etanol, hay menos estudios
de los fundamentos de combustión para el propanol, por lo
que las características de oxidación de este alcohol
(C3H7OH) son menos entendidos. Este alcohol exhibe un
comportamiento similar al de los alcoholes más complejos.
Varios estudios experimentales se han publicado para
determinar el comportamiento de la llama y los procesos de
ignición de propanol [3-13]. Estos estudios incluyen
investigaciones experimentales en tubos de choque,
máquinas de compresión rápida y reactores estáticos, así
como trabajos numéricos con mecanismos detallados.
Al igual que otros alcoholes, el n-propanol exhibe tiempos
de ignición muy bajos (del orden de los microsegundos) que
no han sido descritos adecuadamente, siendo entonces un
tema muy interesante para ser estudiado. La investigación
de los tiempos de ignición de un combustible en diferentes
condiciones termodinámicas y composiciones de la mezcla
aire-combustible es de gran importancia y está asociada con
el modelo químico de las reacciones [3-6]. Además, los
mecanismos de reacción propuestos [6, 13] son
generalmente muy extensos y, por consiguiente, no está muy
claro qué reacciones y constantes cinéticas son más
importantes en el amplio intervalo de temperaturas,
presiones y mezclas aire-gas de interesar. La química a alta
temperatura que se produce cuando se alcanza la
temperatura de la llama adiabática es especialmente crítica
para los mecanismos de reacción de la llama laminar.
Kohse-Hoinghaus et al. [4, 6] y el grupo de Milano [6] han
demostrado la importancia de la secuencia de reacciones
para la formación de compuestos aromáticos para llamas
premezcladas, y han desarrollado modelos de reacciones que
consisten en cientos de especies químicas con más de mil
pasos químicos. Las mediciones experimentales de las
velocidades de las llamas son más exactas a las presiones
atmosféricas y las temperaturas ambiente [7-12], y han sido
adecuadamente modeladas por Ranzi [6] a través de un
análisis escalonado de los combustibles oxigenados. Este
último estudio es muy útil para el desarrollo de la
comprensión de las reacciones químicas dominantes que
afectan la estructura de las llamas y sus velocidades de
combustión.
Debido a las preocupaciones sobre el efecto invernadero y
las limitaciones en las emisiones de dióxido de carbono, la
posibilidad de un modo de combustión de próxima
generación para motores de combustión interna que pueda
reducir simultáneamente las emisiones de escape y mejorar
sustancialmente la eficiencia térmica ha llamado la atención.
La característica más destacada de los nuevos modos de
combustión, como el motor de carga homogénea encendido
por compresión (HCCI), y la combustión a baja temperatura
(LTC), es la exigencia de crear una mezcla homogénea o
controlable para una mezcla estratificada antes de la
ignición. Para ello, se emplea una mezcla de combustible-
aire pobre y/o un nivel controlable de recirculación de gases
de escape (EGR) para prolongar la escala de tiempo de la
química de ignición y la inyección de combustible en el
puerto o la inyección en cilindro se utiliza para alargar la
mezcla período. La mezcla se somete a un autoencendido
controlado cerca de la posición de punto muerto superior
(PMS) debido al efecto de compresión del movimiento
ascendente del pistón. Cabe señalar que todo el proceso de
combustión carece de un método directo para el control del
tiempo de encendido y la velocidad de combustión, que en
su lugar son controlados principalmente por la cinética
química y, en menor medida, por la turbulencia y la mezcla.
Debido a los impactos significativos de las propiedades
físico-químicas del combustible en el proceso de ignición y
combustión, el diseño y la gestión del combustible se ha
convertido en el enfoque más común para el control de la
velocidad de combustión y de estimulación del encendido en
tales modos de combustión avanzados.
Por otro lado, los motores HCCI, por sus siglas en inglés
(Homogeneous Charge Compresion Ignition) es una nueva
tecnología en motores con diferencias fundamentales sobres
los motores convencionales. Los principios básicos de la
operación de los motores tipo HCCI ha sido publicada en
diversos artículos [14-20]. Estas máquinas son un hibrido
entre los motores de gasolina y los motores diesel. De los
primeros utilizan el tipo de mezcla del combustible, y de los
segundos, el tipo de encendido. Son una alternativa a los
motores convencionales, particularmente cuando en los
motores diesel no se logran mezclas homogéneas en
detrimento del proceso de combustión. Los motores HCCI
utilizan combustibles flexibles y pueden funcionar con bajo
grado de combustible siempre y cuando se llegue al punto
de ignición del combustible, lográndose temperaturas más
bajas para disminuir la generación de contaminantes del tipo
NOx. Martínez et al [14] presenta un modelo numérico para
motores HCCI, basado en el modelo (Partially stirred plug
flow reactor) PaSPFR-IEM y considera las in-
homogeneidades en la cámara de combustión mientras se
incluye un modelo químico detallado para la combustión del
gas natural que consiste en 53 especies químicas y 590
reacciones químicas elementales; se estudiaron los efectos
de las diferencias de temperatura causadas por la capa límite
para una velocidad de motor particular y una relación de aire
combustible. Las curvas de ignición simuladas para
temperatura y presión estás muy cerca de los experimentos.
Maigaard et al [15] utiliza el método STD-DEV de
temperatura y da evidencia que no toda la capa límite es
quemada. Esto probablemente explique el exceso de
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hidrocarburos no quemados en un motor HCCI. Un estudio
de sensibilidad sobre el efecto de diferentes intensidades de
una mezcla turbulenta en la combustión revela que el retraso
en la ignición es función de ésta mezcla en volúmenes
calientes y de la frontera fría. En la actualidad lo que se
busca es la reducción de emisiones contaminantes que
generan los problemas ambientales como son el
calentamiento global, resultado de los gases invernaderos.
Otros análisis [16] buscan la reducción de NOx, a través de
un estudio numérico de inyección directa en un motor con
geometría compleja, que incluye entrada y salida de flujo y
sus válvulas. Se investigaron los efectos del motor operante
y los parámetros geométricos, incluyendo el tiempo de
inyección del combustible y en la formación de NOx y la
eficiencia térmica. Se obtuvo que existe una relación en la
reducción de los NOx pero que la eficiencia térmica del
motor decrece. Flowers et al [17] investiga un sistema de
control puramente térmico de los motores HCCI, donde la
energía térmica de recirculación de gases de escape (EGR)
y de la compresión en el trabajo de sobrealimentación son
reciclados o rechazada según sea necesario. El
funcionamiento del motor HCCI es analizada con un
detallado código de la cinética química, HCT
(Hidrodinámica, Química y Transporte), que ha sido
ampliamente modificados para su aplicación a los motores.
HCT está vinculado a un optimizador que determina las
condiciones que produzca el máximo rendimiento térmico
mientras satisface las restricciones de bajo NOx. Los
resultados muestran los valores de las condiciones de
funcionamiento que permitan la máxima eficacia en función
de la torsión de motor de velocidad constante (1800 rpm).
Para el par cero (inactivo), el optimizador determina las
condiciones de funcionamiento que se traducen en el
consumo de combustible mínimo. Los resultados muestran
que un motor HCCI térmicamente controlado puede operar
con éxito en una amplia gama de condiciones de alta
eficiencia y bajas emisiones.
El objetivo de la presente investigación es desarrollar un
mecanismos reducido de reacciones del bio-combustible n-
propanol que pueda ser empleado en la simulación de
procesos de combustión reales como son los motores tipo
HCCI.
2. Desarrollo del mecanismo de reacciones
Para el desarrollo del mecanismo reducido de reacciones del
n-propanol, se tomó como base el modelo químico de la
Universidad de California, San Diego (UCSD)
http://combustion.ucsd.edu, que abarca hasta el alcano C3, y
ha sido probado para un rango de presiones de 1 a 100 bar y
para relaciones de equivalencia φ de la mezcla iso-
butano/aire de 0.5 a 3. φ es la razón de la relación
combustible/aire real con respecto a la relación
combustible/aire estequiométrica. Su versión completa,
hasta C3, implica sólo 245 reacciones y 40 especies. Este
mecanismo de UC San Diego ha sido previamente usado y
extendido para el análisis de ignición y llamas del etano,
propano y heptano tanto a altas temperaturas como para
bajas temperaturas [21-22].
Para la obtención de las reacciones y especies químicas
importantes del presente estudio, diferentes mecanismos
químicos detallados fueron consultados. Para propósitos de
consistencia, se trató de usar reacciones químicas y datos
termodinámicos de un solo mecanismo detallado,
recientemente formulado [7], el cual contiene alrededor de
1500 reacciones para modelar el n-propanol. Algunas
constantes de reacciones de otros mecanismos [3] fueron
tomadas, sobre todo para mejorar las predicciones de los
tiempos de ignición. Estas reacciones, adicionadas al
mecanismo de UCSD, generaron un mecanismo detallado
para el combustible propuesto (C3H7OH).
Después, con análisis de sensibilidad, el tamaño del
mecanismo detallado propuesto fue reducido al eliminar
sistemáticamente las especies y reacciones que tienen muy
poca influencia en los fenómenos de combustión (llamas e
ignición), descritos por las ecuaciones de conservación de
energía y especies, respectivamente
N
k
iipp whx
T
xx
Tuc
t
Tc
1
, (1)
iii wVYxx
Yiu
t
Yi
)( . (2)
Donde 𝑇 , 𝑌𝑖 , y 𝜔𝑖 son la temperatura, fracción molar y
velocidad de reacción de las especies 𝑖, respectivamente. 𝑁
es el número total de especies, y 𝑡 es el tiempo. 𝑐𝑝 es el
calor específico a presión constante y es la densidad de la
mezcla, y ℎ𝑖 representa la entalpía específica de las especie
𝑖. La velocidad de reacción 𝜔𝑖 de las especie 𝑖 esta dada por
N
i
vij
k
Μ
j
ijji CvTK11
)(
, (3)
)/exp()( RTETBTK jjjj
. (4)
Aquí, 𝑀 es el número total de reacciones químicas
elementales y 𝐶𝑖 la concentración molar de la especie 𝑖. 𝐾 y
𝜈𝑖𝑗′ son a la constante de velocidad de reacción y los
coeficientes estequiométricos del reactante 𝑖 en la reacción
química 𝑗 . Es más importante eliminar especies que
reacciones, porque esto directamente reduce el número de
ecuaciones de conservación que deben ser resueltas. Para el
caso de ignición, por ejemplo, el vector de coeficientes de
sensibilidad normalizado, 𝑆𝑗 , se calculó con el tiempo de
ignición, 𝑡𝑖𝑔 , como parámetro principal; esto es 𝑆𝑗 =
(𝐾𝑗0/𝑡𝑗𝑜)𝜕𝑡𝑖𝑔/𝜕𝐾𝑗, donde 𝐾𝑗, corresponde a la constante de
velocidad de reacción modificada de la reacción 𝑗 , a la
temperatura inicial, y 𝐾𝑗 = 𝐾𝑗0(1 + 𝜀), con 𝜀 <<1. De
similar manera, el análisis de sensibilidad se aplicó en el
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fenómeno de llamas, donde el parámetro principal es la
velocidad de la llama SL.
Para los procedimientos y estrategias de análisis para
obtener mecanismos reducidos de reacciones nos auxiliamos
de los códigos FlameMaster [23] y CHEMKIN-II [24], que
son comúnmente usados por la comunidad científica en el
área de combustión.
Tabla 1: Reacciones del mecanismo reducido de n-propanol con sus
constantes de velocidad de reacción Kj; las unidades son mol,
centímetros cúbicos, segundos, kilocalorías, Kelvin.
No. Reacción Bj αj Ej
1 C3H7OH ↔ CH3 + C2H4OH 8.806E+23 -2.11 8.98E+4
2 C3H7OH ↔ C2H5 + CH2OH 1.031E+24 -2.20 8.82E+4
3 C3H7OH ↔ C3H6 + H2O 3.52E+13 0.00 6.72E+4
4 C3H7OH+OH↔H2O+CH2CH2CH2OH .1198E+07 2.0 -474.43
5 C3H7OH+OH↔H2O+CH3CHCH2OH .7988E+06 2.0 -2259.8
6 C3H7OH+OH↔H2O+CH3CH2CHOH .1198E+07 2.0 -2259.8
7 C3H7OH+HO2↔H2O2+CH2CH2CH2OH .1616E+06 2.0 15025.5
8 C3H7OH+HO2↔H2O2+ CH3CHCH2OH .1078E+06 2.0 11887.7
9 C3H7OH+HO2↔H2O2+ CH3CH2CHOH .1616E+06 2.0 11887.7
10 C3H7OH+H↔H2+CH2CH2CH2OH .7220E+07 2.0 6525.57
11 C3H7OH+H↔H2+CH3CHCH2OH .4813E+06 2.0 3950.57
12 C3H7OH+H↔H2+CH3CH2CHOH .7220E+07 2.0 3950.57
13 CH2CH2CH2OH↔CH2OH+C2H4 .300E+14 .000 30000.0
14 CH3CHCH2OH↔C3H6+OH 5.093E+15 -0.95 26260.0
15 CH3CH2CHOH ↔ C2H5CHO + H .6000E+14 .000 36000.0
16 CH3CH2CH2O+O2↔C2H5CHO+ HO2 .1500E+13 .000 5000.0
17 CH3CH2CHOH+O2↔C2H5CHO+ HO2 .1500E+13 .000 5000.0
18 CH3CHCH2OH+O2↔C2H5CHO+ HO2 .1500E+13 .000 5000.0
19 C2H4OH + O2 ↔ CH2O + CH2O + OH .1000E+13 .000 2000.0
20 C2H5CHO ↔ HCO + C2H5 .1300E+27 -3.00 86405.9
21 C2H5CHO ↔ CH3 + CH2CHO .1160E+26 -2.80 85718.2
22 C2H5CHO ↔ H + CO + C2H5 .9400E+17 -0.43 89167.0
La Tabla 1 muestra la selección final del esquema reducido
de reacciones del n-propanol (C3H7OH), que son agregadas
al mecanismo base de UC San Diego; son solo 22 reacciones
que involucran 6 especies nuevas (C3H7OH,
CH2CH2CH2OH, CH3CH2CHOH, CH3CH2CHOH,
C2H4OH, C2H5CHO) dentro del modelo químico de UCSD.
Todas las reacciones son reversibles. El mecanismo de la
Tabla 1 puede describirse de la siguiente manera: Los
primeros 3 pasos en la tabla son relevantes para predecir la
descomposición del n-propanol sobre un amplio rango de
condiciones de interés. Las constantes de velocidad de estas
tres reacciones son tomadas de [3], ya que en el presente
estudió se encontró que son las mejores para describir el
fenómeno de ignición. Los parámetros de las reacciones 4-
22 son de [7] con el propósito de mejorar los resultados de
propagación de llamas, sin perjudicar las predicciones de
tiempos de ignición.
Los radicales CH2CH2CH2OH, CH3CH2CHOH,
CH3CH2CHOH, generados en las reacciones 4-12, pueden
descomponerse mediante escisión β para formar,
principalmente, eteno, hidroximetil, y propanal. Las
reacciones 16-18 que representan la adición de oxígeno a los
radicales que genera el n-propanol forman propanal
(C2H5CHO) y peróxido de oxígeno. Tanto el C2H4OH y el
C2H5CHO se descomponen a través de las reacciones 19 y
20-22, respectivamente, y así completar este esquema
reducido de reacciones químicas.
3. Modelo del motor HCCI
El modelo físico representa a un cilindro de combustión con
una mezcla homogénea de volumen variable. La Fig. 1
muestra el esquema del cilindro del motor y señala los
parámetros relevantes para el cálculo instantáneo del
volumen del cilindro. Como lo indica la Fig. 1 los
principales parámetros geométricos , La y D, son el
ángulo de la manivela, la longitud del brazo de la manivela
y el diámetro del cilindro, respectivamente. Pare este
cilindro, la relación de compresión se expresa como
Figura 1 Esquema del cilindro de combustión que puede ser
expresado como una función del tiempo.
d c t
c c
V V VVol.Max.CilindroRC
Vol.Mín.Cilindro V V
(5)
En términos de RC y R Lc / La , la relación entre la
longitud de la biela conectora y el radio de la manivela, se
puede deducir que el cambio del volumen es una función del
tiempo descrita por
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22cos12
11 senRR
RC
V
V
c
(6)
Aquí, V es el volumen total del cilindro, Vc el volumen de la
cámara de combustión, y 2 60Nt / es el ángulo de la
manivela como una función del tiempo. N es la velocidad
del motor en revoluciones por minuto (rpm) y t es el
tiempo. Vd es el volumen desalojado por el pistón, también
llamado cilindrada, generado por el pistón en su movimiento
alternativo desde el Punto Máximo Superior (PMS) hasta el
Punto Muerto Inferior (PMI), durante un ciclo, y se
determina como 2 4dV D S / .
Ecuaciones de conservación de masa y energía
Un modelo matemático de un motor que simule todos y cada
uno de los fenómenos físicos que suceden en el ciclo de
funcionamiento de un motor de combustión interna es muy
complejo. Existen en la literatura varios estudios teóricos,
que describen las ecuaciones más importantes que gobiernan
parcial o totalmente el fenómeno de la formación de la
mezcla. Estos modelos utilizados responden a
simplificaciones en mayor o menor grado, consecuencia de
aplicar unas hipótesis. Para el presente estudio, se
consideran ecuaciones de conservación de masa y energía
para un sistema homogéneo, que puede ser considerado
zero-dimensional, expresadas por las Ecs. (1-2). Este
modelo describe las condiciones volumen-temperatura bajo
las cuales la mezcla combustible/aire alcanza un proceso de
auto-ignición.
4. Pruebas de validación
En las pruebas de validación del mecanismo desarrollado,
uno de los fenómenos de combustión a analizar es la
propagación de llamas, que tiene un gran campo de interés,
ya que se puede aplicar en la regulación del flujo
combustible/aire y en la determinación de las condiciones
necesarias para poder obtener una llama estable con las
formas y dimensiones que se requieren en los diferentes
tipos de quemadores de gas, de líquido y de aceite. El otro
fenómeno a estudiar es el tiempo de ignición térmica, que es
uno de los parámetros más importantes para muchas
aplicaciones de combustión. Este tiempo controla la ignición
en motores de combustión interna, donde si el tiempo de
ignición es menor que el tiempo de residencia de la mezcla
aire/combustible entonces la ignición se llevará en la parte
baja y no en la parte alta de la cámara de combustión.
Para que cualquier mecanismo de reacciones sea exitoso,
debe al menos proveer resultados razonablemente buenos de
velocidades de quemado SL que sean comparables a las
mediciones experimentales, dentro de la incertidumbre de
los experimentos. En cierta forma, esto no es completamente
equitativo ya que la velocidad de las llamas depende no solo
de la cinética química sino además de las propiedades de
transporte. Las primeras pruebas de validación son,
entonces, velocidades de llamas tanto para el iso-butano
como para el iso-buteno, las cuales se modelarán con
descripciones de transporte de mezcla promedio.
Seguido de la pruebas de validación en propagación de
llamas, las comparaciones se harán en tiempos de ignición
experimentales. Tales pruebas no dependen de las
propiedades de transporte, sin embargo existen otras
incertidumbres, como la definición del tiempo de ignición.
Los tiempos de ignición experimentales [4] fueron
determinados en el momento de inflexión máxima de la
presión, que coincide con el criterio de inflexión máxima de
temperatura empleado en las simulaciones. El código
computacional FlameMaster [23] fue empleado
principalmente y ocasionalmente el código CHEMKIN II
[24] también fue utilizado para comparar que resultados de
dos programas diferentes fueran los mismos. Ambos
códigos utilizan las ecuaciones de conservación (1)-(2).
Para el cálculo de velocidades de llama con FlameMaster, se
usó la opción de propiedades de transporte de mezcla
promedio, produciendo convergencia con 300 puntos de
malla. Los experimentos [12] mostrados en la Fig. 2, para
hacer comparaciones, fueron realizados a temperatura de
343 K y presión atmosférica, para una gran gama de
relaciones de equivalencia φ. Se puede ver en la Fig. 2 que
las velocidades de llama son bien reproducidas, incluyendo
su dependencia con la relación de equivalencia, excepto
cerca de la zona de estequiometría donde existe una pequeña
discrepancia donde valores de predicción son ligeramente
menores que los datos experimentales.
Figura 2 - Comparación de las velocidades de llama medidas y
calculadas para una mezcla de n-propanol/Aire.
Continuando ahora con tiempos de ignición, éste se
estableció computacionalmente como el tiempo requerido
para alcanzar el punto de inflexión del perfil de temperatura
en función del tiempo bajo condiciones adiabática a
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volumen constante. La Fig. 3 compara las predicciones del
presente mecanismo con mediciones de tiempos de ignición
[4] en el rango de temperaturas de 1050-1500 K para
presiones de 1.2, 4 y 16 bar. Los experimentos fueron
realizados para una mezcla de in-propanol/aire con φ = 1.0.
Se observa que los resultados numéricos son comparables a
las mediciones experimentales, donde a mayores presiones
se obtienen tiempos de ignición más cortos, con una
pendiente con gran influencia del ramal de alta temperatura
para H + O2. Similarmente, la Fig. 4 muestra una
comparación de resultados de tiempos de ignición para una
mezcla de n-propanol/aire para φ = 0.5, en el rango de
temperaturas 1100-1500 K para presiones de 1.2, 4 y 10 bar
par φ = 0.5. Las predicciones del mecanismo químico del n-
propanol también están en buena concordancia con los datos
experimentales [4], dentro de las incertidumbres de las
mediciones. Los resultados indican los tiempos de ignición
más pequeños se obtienen para las altas presiones, como es
de esperarse. El comportamiento del mecanismo para
tiempos de ignición a altas temperaturas puede entonces ser
considerado satisfactorio.
Figura 3 - Comparación de tiempos de ignición para una mezcla de n-
propanol/Aire a diferentes presiones y φ = 1.0.
Figura 4 - Comparación de tiempos de ignición para una mezcla de n-
propanol/Aire a diferentes presiones y φ = 0.5.
Una vez comprobada la efectividad del modelo químico
reducido del n-propanol, el siguiente paso es su
implementación para la simulación numérica del modelo del
motor tipo HCCI, en un software comercial, como por
ejemplo COMSOL [25], que acopla las ecuaciones de
conservación de masa y energía (Ecs. 1-2) con las
ecuaciones del movimiento del pistón en el cilindro (Ecs. 5-
6). Las características del motor se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2 Especificaciones del motor HCCI en la simulación
Especificaciones del motor Nombre
de la variable
Valor
Diámetro del pistón D 13 cm
Carrera S 16 cm
Barra conectora Lc 26.93 cm
Brazo de manivela La 8 cm
Velocidad motor N 1500 rpm
Relación de compresión RC 15
La Fig. 5 muestra el comportamiento de la temperatura
dentro del cilindro del motor en función del ángulo del
cigüeñal para diferentes temperaturas de entrada de la
mezcla al cilindro. Se observa que para una temperatura de
inicio de 450 K, la ignición no ocurre, ya que no se alcanza
una temperatura para la auto-ignición, tal como se indica en
la Fig. 4 . Para una temperatura de inicio de 450 K la ignición
ocurre después del PMS, mientras que para una temperatura
de 500 K, la ignición ocurre antes del PMS. Estas
condiciones no son deseables en un motor y muestra la
importancia de la química de combustión en estos motores.
Se encontró que la temperatura óptima de entrada de los
reactantes es de 482 K, ocurriendo la auto-ignición
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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
exactamente en el PMS. La Fig. 6 muestra las fracciones
molares de las principales especies químicas de una
combustión en función del tiempo para la temperatura
óptima de 482 K. Se puede observar el consumo del bio-
combustible n-propanol y del oxígeno del aire, mientras que
el vapor de agua y el bióxido de carbono son formados a
partir del tiempo de la auto-ignición.
Figura 5 Tiempo de ignición del n-propanol para diferentes
temperaturas de inicio.
Figura 6 Fracciones molares del n-propanol (C3H7OH), O2, H2O y
CO2 para una temperatura de inicio de 482 K.
4. Conclusión
Este trabajo ha mostrado que agregando un conjunto
relativamente pequeño de reacciones y especies al
mecanismo químico reducido de UC San Diego, es posible
modelar la combustión del n-propanol. La metodología toma
en cuenta extensa literatura reciente sobre la cinética
química de este bio-combustible. Para obtener este
mecanismo corto y de fácil uso, en el presente trabajo se
eliminaron todas aquellas especies químicas y reacciones de
menor importancia así como eliminación de especies en
estado estacionario. Ninguno de los parámetros químicos
finales fue escogido arbitrariamente para ajustarse a los
datos experimentales; todos ellos fueron tomados
directamente de la literatura. El mecanismo reducido
resultante produce muy buenos resultados al compararlos
contra datos experimentales de propagación de llamas e
ignición a altas temperaturas. Para la mayoría de
aplicaciones de combustión de interés del propanol, este
mecanismo debería ser muy útil, lo cual fue comprobado al
modelar un motor tipo HCCI y observar los tiempos de auto-
ignición en función de las temperaturas de entrada de la
mezcla reactante.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo otorgado por el Tecnológico
Nacional de México, UCMEXUS y el CONACYT para el
desarrollo de esta investigación. Se agradece también a J. I.
Callejas Jacobo por su colaboración computacional en esta
investigación.
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