i-pentane and i-pentene as components for gasoline surrogates for the transport industry: a numerical analysis on ignition delay times and laminar flame speed using detailed chemical kinetics

Abstract

A cinética química de substitutos de combustível é um tópico muito importante em desenvolvimento contínuo para melhorias nos motores de combustão interna utilizados no setor da indústria de transportes. Neste trabalho, duas espécies químicas ramificadas, uma saturada (i-pentano) e outra não saturada (i-penteno) foram escolhidas para análise. Os dados de tempo de ignição disponíveis na literatura foram coletados e usados para avaliação de um modelo de cinética detalhado, também disponível na literatura. Acredita-se que por acrescentar esses componentes de gasolina a um modelo substituto de gasolina pode se melhorar a representatividade físico químicas deste devido a suas propriedades de componentes de cadeias de carbono pequenas. O modelo de cinética detalhado usado para simulação numérica contém 3057 reações elementares entre 699 espécies químicas. Simulações numéricas assumindo reator de volume constante e análises de sensibilidade de força bruta foram então realizados a fim de compreender a diferença entre dados numéricos e experimentais. A simulação foi realizada usando um software de cinética química de código aberto. As principais reações foram então identificadas elucidando desta forma as reações mais importantes para a otimização do modelo cinético, a fim de reduzir o erro nas previsões numéricas para i-penteno. A melhoria da previsão está em todas as pressões e razões equivalentes. A previsão de velocidade de chama laminar também foi melhorada. Os resultados anteriores para i-pentano foram revisados, se mostrando satisfatórios em comparação com os resultadosdo modelo original, com alguns desvios maiores para a estequiometria de 0,3. Em um esforço para validar as mudanças feitas no mecanismo original, uma comparação com o banco de dados disponível para Aramco mech 2.0 (LI et al., 2017) e outros dados experimentais para metano, etano, etanol, metanol, propano, e propeno também foi realizada. Ao todo, há mais de 100 condições para IDT e LFS dessas substâncias comprovando a integridade das mudanças.

Abstract: Chemical kinetics of fuel surrogates is a very important topic under continuous development for improvements in internal combustion engines used in the transport industry sector. In this work, two chain branched chemical species, one saturated (i-pentane) and other non-saturated (i-pentene) were choose for analysis. Ignition delay time data available in literature was then collected and used for assessment of a detailed kinetics model also available in literature. It is believed that adding these gasoline components to a gasoline surrogate model can improve its physical chemical representativeness due to its properties of a small carbon chain components. The detailed kinetics model used for numerical simulation allows 3057 elementary reactions among 699 chemical species. Numerical simulations assuming constant volume reactor and brute force sensitivity analyses were then performed to understand the difference of numerical to experimental data. Simulation where performed using an open-source chemical kinetics software. The main sensitive reactions where then identified elucidating of this form the more important reactions for the optimization to reduce the error in numerical predictions for i-pentene. The improvement was for all pressures and stoichiometries. The laminar flame speed prediction was also improved, with a slight under prediction from the original model that moved the average value closer to the experimental results. The previous results for i-pentane were reviewed proving satisfactory in comparison with the original model, with some larger deviations for f = 0.3. In a effort to validate the current changes a comparison with the database available for Aramco mech 2.0 (LI et al., 2017) and others with several conditions for methane, ethane, ethanol, methanol, propane and propene where also performed. All together there is more than 100 conditions for IDT and LFS from those substances proving the integrity of the changes.