Mecanismo químico reducido del n-propanol y su...

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: [email protected]

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


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



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


http://combustion.ucsd.edu/


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



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



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



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.

REFERENCIAS

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