Análise e ajuste de mecanismos cinéticos detalhados para a previsão de velocidade de chama laminar de iso-octano, diisobutileno, ciclopentano e etilbenzeno em mistura com o ar

Abstract

A análise e projeto dos sistemas de combustão dos motores a combustão interna de ignição por centelha se beneficia do entendimento dos efeitos da cinética química no comportamento dos combustíveis nas condições de operação do motor. A velocidade de chama laminar é um parâmetro físico-químico característico da combustão de misturas de combustível e oxidante pré-misturados. Neste trabalho, desenvolveu-se a modelagem da velocidade de chama laminar de espécies químicas utilizadas como simulacros de combustíveis automotivos. As espécies químicas estudadas, que são representativas de famílias de hidrocarbonetos presentes em combustíveis automotivos, são: iso-octano (alcanos ou parafinas), diisobutileno (alcenos ou olefinas), ciclopentano (naftenos ou cicloalcanos) e etilbenzeno (aromáticos). As condições de medição utilizadas variam de 298 K à 453 K, com razões de equivalência entre 0,8 e 1,6, e pressão de 1 atm. Uma extensa pesquisa bibliográfica permitiu a seleção dos mecanismos de cinética química detalhados mais adequados para estas espécies químicas. Os mecanismos foram utilizados em um programa computacional escrito em linguagem Python acoplado à biblioteca aberta Cantera para tratamento de problemas envolvendo combustão. Utilizou-se uma metodologia de ajuste do mecanismo cinético a partir da análise de sensibilidade das principais reações de cada mecanismo, utilizando métricas de erro adequadas. Os resultados obtidos permitiram gerar mecanismos corrigidos para cada uma das quatro espécies químicas. Os desvios quadráticos médios entre os mecanismos corrigidos e as medições disponíveis decresceram em 0,91 %, 11,95 %, 0,71 % e 1,56 % em relação aos desvios quadráticos médios gerados pelos mecanismos originais, respectivamente. Estes mecanismos corrigidos e testados nas condições de interesse serão utilizados em simulações de combustão visando o desenvolvimento de novos combustíveis.

Abstract: The analysis and design of combustion systems of the internal combustion engines of spark ignition benefits from the understanding of the effects of chemical kinetics on the behavior of fuels on the operating conditions of the engine. The laminar flame speed is a physical-chemical parameter characteristic of the combustion of premixed fuel and oxidant mixtures. In this work, the modeling of the laminar flame speed of chemical species used as simulacrums of automotive fuels was developed. The chemical species studied, which are representative of hydrocarbon families present in automotive fuels, are: iso-octane (alkanes or paraffins), diisobutylene (alkenes or olefins), cyclopentane (naphthenos or cycloalkanes) and ethylbenzene (aromatic). The measurement conditions used range from 298 K to 453 K, with equivalence ratios between 0.8 and 1.6, and pressure of 1 atm. Extensive bibliographic research allowed the selection of detailed chemical kinetic mechanisms most suitable for these chemical species. The mechanisms were used in a computer program written in Python language coupled to the Cantera open library to deal with problems involving combustion. A methodology for adjusting the kinetic mechanism was used from the sensitivity analysis of the main reactions of each mechanism, using appropriate error metrics. The results obtained allowed to generate corrected mechanisms for each of the four chemical species. The mean quadratic deviations between the corrected mechanisms and the available measurements decreased by 0.91 %, 11.95 %, 0.71 % and 1.56 % in relation to the mean quadratic deviations generated by the original mechanisms, respectively. These mechanisms corrected and tested under the conditions of interest will be used in combustion simulations aimed at the development of new fuels.