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Vol. 15, No. 3 (2016) 977-984 Revista Mexicana de Ingeniería Química EVALUACI ´ ON DE HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES GRATUITAS PARA LA SIMULACI ´ ON DE PROCESOS DE COMBUSTI ´ ON EN MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA EVALUATION OF GRATUITOUS COMPUTER TOOLS FOR THE SIMULATION OF PROCESSES OF COMBUSTION IN SPARK IGNITION ENGINES R.R. Rodr´ ıguez 1 * , Z. Ni ˜ no 2 1 Centro de Investigaciones Ambientales de la Universidad de Carabobo (CIAUC), Campus B´ arbula, Naguanagua, Venezuela. 2 Departamento de Investigaci´ on, Universidad Estatal de Bol´ ıvar, Ecuador. Recibido 11 de abril de 2016; Aceptado 8 de junio de 2016 Resumen La complejidad matem´ atica-termoqu´ ımica de los modelos a simular en procesos de combusti´ on efectuados en motores de combusti´ on interna de encendido por chispa, son afectados por m´ ultiples variables, se hace necesario que el estudio sea asistido por herramientas computacionales especializadas. El software comercial representa un alto costo de inversi´ on para la adquisici´ on de licencias, usualmente de vencimiento anual, lo cual resulta inviable para instituciones o centros de investigaci´ on, con bajos presupuestos, por ello se torna importante el uso de herramientas computacionales gratuitas confiables. Se evaluaron las herramientas computacionales: CEA, GASEQ y STANJAN, comparando la concentraci´ on y composici´ on de las emisiones gaseosas contaminantes y propiedades termodin´ amicas de los productos de la combusti´ on obtenidas al utilizar como combustible: isooctano, metano y etanol; relaciones combustible-aire relativa que variaron desde 0,8 hasta 1,2 y obteniendo hasta doce especies qu´ ımicas en las emisiones (CO, CO 2 , H, H 2 ,H 2 O, NO, O, OH, O 2 ,N 2 , N y HC). Los resultados muestran alta precisi´ on entre s´ ı y con resultados obtenidos en investigaciones previas, con un error relativo menor al 6,4%. Esta investigaci´ on evidencia la versatilidad de las herramientas computacionales evaluadas aplicadas a los procesos de combusti´ on adiab´ aticos-isom´ etricos. Palabras clave: emisiones gaseosas, motores de combusti´ on interna, relaci´ on combustible-aire relativa, simulaci´ on de procesos de combusti´ on. Abstract The mathematical-thermochemical complexity of models to simulate combustion processes carried out in internal combustion engines with spark ignition, are aected by many variables, it is necessary that the study be assisted by specialized computer tools. The commercial software represents a high cost of investment for the license acquisition, usually from annual expiry date, which is unfeasible for institutions or research centers with low budgets, therefore becomes important the use of reliable gratuitous computer tools. The computational tools were evaluated: CEA, GASEQ and STANJAN, comparing the concentration and composition of the gaseous emissions pollutants and thermodynamic properties of the combustion products to obtain to use as fuel, isooctane, methane and ethanol; relations relative fuel-air that varied from 0.8 to 1.2 and obtaining up to twelve chemical species in the emissions (CO, CO 2 , H, H 2 ,H 2 O, NO, O, OH, O 2 ,N 2 , N and HC). The results show high precision between themselves and with results obtained in previous investigations, with a less relative error to 6,4%. This research evidence the versatility of the computational tools evaluated applied to combustion processes adiabatic-isometric. Keywords: gaseous emission, internal combustion engines, relation fuel-air relative, simulation of processes of combustion. 1 Introducci´ on El an´ alisis de los procesos de combusti´ on realizados en los motores de combusti´ on interna alternativos (MCIA), tienen actualmente una vigencia destacada pues la implementaci´ on de mejoras tecnol´ ogicas y de control en los procesos de transformaci´ on de materias primas ha mejorado la * Autor para la correspondencia. E-mail: [email protected] Tel/Fax. 248-48-154-82 Publicado por la Academia Mexicana de Investigaci´ on y Docencia en Ingenier´ ıa Qu´ ımica A.C. 977

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Vol. 15, No. 3 (2016) 977-984Revista Mexicana de Ingeniería Química

CONTENIDO

Volumen 8, número 3, 2009 / Volume 8, number 3, 2009

213 Derivation and application of the Stefan-Maxwell equations

(Desarrollo y aplicación de las ecuaciones de Stefan-Maxwell)

Stephen Whitaker

Biotecnología / Biotechnology

245 Modelado de la biodegradación en biorreactores de lodos de hidrocarburos totales del petróleo

intemperizados en suelos y sedimentos

(Biodegradation modeling of sludge bioreactors of total petroleum hydrocarbons weathering in soil

and sediments)

S.A. Medina-Moreno, S. Huerta-Ochoa, C.A. Lucho-Constantino, L. Aguilera-Vázquez, A. Jiménez-

González y M. Gutiérrez-Rojas

259 Crecimiento, sobrevivencia y adaptación de Bifidobacterium infantis a condiciones ácidas

(Growth, survival and adaptation of Bifidobacterium infantis to acidic conditions)

L. Mayorga-Reyes, P. Bustamante-Camilo, A. Gutiérrez-Nava, E. Barranco-Florido y A. Azaola-

Espinosa

265 Statistical approach to optimization of ethanol fermentation by Saccharomyces cerevisiae in the

presence of Valfor® zeolite NaA

(Optimización estadística de la fermentación etanólica de Saccharomyces cerevisiae en presencia de

zeolita Valfor® zeolite NaA)

G. Inei-Shizukawa, H. A. Velasco-Bedrán, G. F. Gutiérrez-López and H. Hernández-Sánchez

Ingeniería de procesos / Process engineering

271 Localización de una planta industrial: Revisión crítica y adecuación de los criterios empleados en

esta decisión

(Plant site selection: Critical review and adequation criteria used in this decision)

J.R. Medina, R.L. Romero y G.A. Pérez

EVALUACION DE HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES GRATUITAS PARA LASIMULACION DE PROCESOS DE COMBUSTION EN MOTORES DE ENCENDIDO

POR CHISPA

EVALUATION OF GRATUITOUS COMPUTER TOOLS FOR THE SIMULATION OFPROCESSES OF COMBUSTION IN SPARK IGNITION ENGINES

R.R. Rodrıguez1*, Z. Nino21Centro de Investigaciones Ambientales de la Universidad de Carabobo (CIAUC), Campus Barbula, Naguanagua, Venezuela.

2Departamento de Investigacion, Universidad Estatal de Bolıvar, Ecuador.Recibido 11 de abril de 2016; Aceptado 8 de junio de 2016

ResumenLa complejidad matematica-termoquımica de los modelos a simular en procesos de combustion efectuados en motoresde combustion interna de encendido por chispa, son afectados por multiples variables, se hace necesario que el estudiosea asistido por herramientas computacionales especializadas. El software comercial representa un alto costo de inversionpara la adquisicion de licencias, usualmente de vencimiento anual, lo cual resulta inviable para instituciones o centrosde investigacion, con bajos presupuestos, por ello se torna importante el uso de herramientas computacionales gratuitasconfiables. Se evaluaron las herramientas computacionales: CEA, GASEQ y STANJAN, comparando la concentracion ycomposicion de las emisiones gaseosas contaminantes y propiedades termodinamicas de los productos de la combustionobtenidas al utilizar como combustible: isooctano, metano y etanol; relaciones combustible-aire relativa que variaron desde0,8 hasta 1,2 y obteniendo hasta doce especies quımicas en las emisiones (CO, CO2, H, H2, H2O, NO, O, OH, O2, N2,N y HC). Los resultados muestran alta precision entre sı y con resultados obtenidos en investigaciones previas, con unerror relativo menor al 6,4%. Esta investigacion evidencia la versatilidad de las herramientas computacionales evaluadasaplicadas a los procesos de combustion adiabaticos-isometricos.Palabras clave: emisiones gaseosas, motores de combustion interna, relacion combustible-aire relativa, simulacion deprocesos de combustion.

AbstractThe mathematical-thermochemical complexity of models to simulate combustion processes carried out in internalcombustion engines with spark ignition, are affected by many variables, it is necessary that the study be assisted byspecialized computer tools. The commercial software represents a high cost of investment for the license acquisition,usually from annual expiry date, which is unfeasible for institutions or research centers with low budgets, thereforebecomes important the use of reliable gratuitous computer tools. The computational tools were evaluated: CEA, GASEQand STANJAN, comparing the concentration and composition of the gaseous emissions pollutants and thermodynamicproperties of the combustion products to obtain to use as fuel, isooctane, methane and ethanol; relations relative fuel-airthat varied from 0.8 to 1.2 and obtaining up to twelve chemical species in the emissions (CO, CO2, H, H2, H2O, NO,O, OH, O2, N2, N and HC). The results show high precision between themselves and with results obtained in previousinvestigations, with a less relative error to 6,4%. This research evidence the versatility of the computational tools evaluatedapplied to combustion processes adiabatic-isometric.Keywords: gaseous emission, internal combustion engines, relation fuel-air relative, simulation of processes of combustion.

1 Introduccion

El analisis de los procesos de combustionrealizados en los motores de combustion internaalternativos (MCIA), tienen actualmente una vigencia

destacada pues la implementacion de mejorastecnologicas y de control en los procesos detransformacion de materias primas ha mejorado la

* Autor para la correspondencia. E-mail: [email protected]/Fax. 248-48-154-82

Publicado por la Academia Mexicana de Investigacion y Docencia en Ingenierıa Quımica A.C. 977

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Rodrıguez y Nino/ Revista Mexicana de Ingenierıa Quımica Vol. 15, No. 3 (2016) 977-984

eficiencia energetica y la reduccion de emisiones.(Arango y col., 2014 y Perez y col., 2001).Adicionalmente, la relacion entre salud y ambientenunca ha sido tan evidente, como es el casode la contaminacion atmosferica que presentanlas grandes ciudades debido principalmente algran volumen de emisiones vehiculares. Todosestos contaminantes tienen efectos adversos en lasalud de los habitantes, provocando principalmenteenfermedades respiratorias. (Chamarra y Saavedra,2013).

El MCIA cuyo funcionamiento engloba unagran cantidad de variables y fenomenos fısicos,que se traducen en una actividad compleja, cuandode medirlas, cuantificarlas y predecirlas se trata.Los avances recientes han demostrado nuevosprocedimientos de combustion para MCIA quepresentan bajas concentraciones de oxido nıtrico yaltos rendimientos termicos. Estos nuevos modosde combustion implican varias combinaciones deestratificacion, mezclas pobres, altos niveles deEGR, multiples inyecciones, sincronizaciones devalvulas variables y dos combustibles, entre otrascaracterısticas. Aunque la combinacion exacta deestas caracterısticas que ofrece el mejor diseno aunno esta clara, los resultados son de gran interesy para lo cual se utilizan simuladores de ciclosTermodinamicos. (Caton, 2012 y Perez y col., 2006).

Sin embargo, las herramientas computacionalescomerciales representan un alto costo en lo querefiere a la inversion en la adquisicion de licencias,usualmente de vencimiento anual. Para institucioneso centros de investigacion, con bajos presupuestos,se torna importante el uso de herramientascomputacionales gratuitas confiables; por lo tanto,en el presente trabajo se evaluan tres herramientascomputacionales gratuitas aplicadas a procesos decombustion adiabaticos-isometricos efectuados enmotores de combustion interna de encendido porChispa (MECH).

El proceso de Combustion en MECH se iniciainyectando el combustible dentro del multiple deadmision por lo que el combustible es pre-vaporizado,entrando al cilindro del motor bien mezclado conel aire. Una chispa enciende la mezcla en eltiempo deseado dentro del ciclo del movimientodel piston, y esta chispa enciende el nucleo de lallama; la cual desarrolla un frente de llama conalta temperatura y alta turbulencia que se propagaa traves de la mezcla aire-combustible dentro delcilindro. La relacion aire-combustible en los MECHse mantiene tıpicamente muy cerca de la mezcla

aire-combustible estequiometrica necesaria para unacombustion completa con el fin de utilizar modernoscatalizadores de 3 vıas de escape para el tratamientode las emisiones de monoxido de carbono (CO),hidrocarburos sin quemar (UHC) y oxidos nıtricos(NOx). Para los MECH, la seleccion de uncombustible depende de sus propiedades de auto-ignicion, que son importantes para golpeteo delmotor, la velocidad de propagacion de la llama y lasemisiones contaminantes resultantes. (Bergthorson yThomson, 2015)

2 Modelo matematicoLas herramientas computacionales ChemicalEquilibrium Applications (CEA, 1994), GasEquilibrium (GASEQ, 2007) y STANford-JANnaf(STANJAN, 1986) se orientan a determinar lacomposicion, concentracion y las propiedadestermodinamicas de las mezclas de gases reactantesy productos de los procesos de combustion decombustibles tipo CaHb y CaHbOH con aire seco, enprocesos adiabaticos, isobaricos o isometricos. Seconsidera un intervalo para el factor combustible-aire relativo que va desde 0,8 a 1,2 y se tratan alos gases y sus mezclas como gases en condicionesideales. Consideran los requerimientos de la Primeray Segunda Ley de la Termodinamica y de la Quımicade la Combustion, referente al Equilibrio Quımico. Enparticular, permiten la resolucion de los sistemas deecuaciones no lineales que son caracterısticos en estoscasos donde el numero de constituyentes de los gasesproductos es mayor al numero de los componentesquımicos presentes en la reaccion (Heywood, 1995;Villamar y col., 2014).

Las herramientas computaciones CEA, GASEQy STANJAN basan sus fundamentos en teorias demezcla de gases ideales, Primera y Segunda Leyde la Termodinamica; ası como, las reacciones decombustion (Rodrıguez y col., 2009; Fygueroa y col.,2012; Ramachandran, 2009).

La Ec. (1) representa una reaccion decombustion de un combustible con aire seco paradoce elementos en los productos (considerandocombustible no quemado) aplicable para cualquierrelacion combustible-aire relativa (Φ) (Fygueroa ycol., 2012; Villamar y col., 2014).

ηc(CaHbOc) + ηa(O2 + 3,773N2)→ η1H2O + η2H2

+ η3OH + η4H + η5N2 + η6NO + η7N + η8CO2

+ η9CO + η10O2 + η11O + η12(CaHbOc) (1)

978 www.rmiq.org

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La Ec. (2) permite determinar el numero de moles deaire ηa para una combustion general con ηc moles decombustible (Fergunson y Kirkpatrick, 2001).

ηa =ηc

(a + b

4 −c2

(2)

La relacion entre las cantidades de combustible y airesuministradas a los cilindros del motor durante unproceso de combustion viene dada por la relacionrelativa combustible-aire relativa (Φ) definida porla Ec. 3 (Rodrıguez y col., 2009; Fergunson yKirkpatrick, 2001).

Φ =CAreal

CAesteq(3)

CAreal representa la relacion combustible-aireempleada en condiciones de combustion real y CAesteqes el valor estequiometrico o teorico.

Para la estimacion de la composicion de losproductos se utilizan las Ecs. (4)-(7), que representanlos balances atomicos en C, H, O y N.

Balance C: ηca = η8 + η9 + η12a (4)Balance H: ηcb = 2 · η1 + 2 · η2 + η3 + η4 + η12b

(5)

Balance O: ηcc + 2 · ηa = η1 + η3 + η6 + 2 · η8

+ η9 + 2 · η10 + η11 + η12c (6)Balance N: ηa · 3,7274 · 2 = 2 · η5 + η6 + η7 (7)

Se tiene un sistema de ecuaciones compuesto porcinco ecuaciones y doce incognitas. Las sieteecuaciones faltantes las provee el equilibrio quımicoaplicado a la reaccion de combustion (Ramachandran,2009; Quilez y Quilez, 2014); las cuales son nolineales. Considerando la reaccion quımica (Fygueroay col., 2012):

νaA + νbB→ νcC + νdD (8)

Se define la Ec. (9) para determinar el valor de laconstante de equilibrio (Kp) para la reaccion.

KP =

∏(yν)productos∏(yν)reactantes

· P∑νproductos−

∑νreactantes (9)

Formandose un sistema de ecuaciones no linealesel cual puede ser resuelto a traves del metodo deNewton-Raphson o algunas de sus variantes (Gordon yMcBride, 1994; Gray y col., 2016; Mueses y Machuca,2010) para estimar la composicion de los productos dela combustion en equilibrio quımico.

CEA utiliza las Ecs. (10)-(12) publicadas enGordon y McBride (1996) para el calculo de laspropiedades de los gases involucrados en las mezclas.

C0P(T )

R= a1T−2 + a2T−1 + a3 + a4T + a5T 2 + a6T 3

+ a7T 4 (10)

h0(T )R ·T

= − a1T−2 +a2 lnT

T+ a3 +

a4

2T +

a5

3T 2

+a6

4T 3 +

a7

5T 4 +

b1

T(11)

S P(T )R

=a1

2T−2 − a2T−1 + a3 lnT + a4T +

a5

2T 2

+a6

3T 3 +

a7

4T 4 + b2 (12)

GASEQ y STANJAN utilizan las Ecs. (13)-(15)publicadas en Gordon y McBride (1994) para elcalculo de las propiedades de los gases involucradosen las mezclas.

C0P(T )

R= c1 + c2T + c3T 2c4T 3 + c5T 4 (13)

h0(T )R ·T

= c1 +c2

2T +

c3

3T 2 +

c4

4T 3 +

c5

5T 4 +

c6

T(14)

S P(T )R

= c1 lnT + c2T +c3

2T 2 +

c4

3T 3 +

c5

4T 4 + c7

(15)

3 Materiales y metodos

3.1 Herramientas de calculo utilizadas

CEAChemical Equilibrium with Applications (CEA)

es un programa desarrollado por la AdministracionNacional de Aeronautica y del Espacio de los EstadosUnidos (NASA) en el ano de 1994, que considera elequilibrio quımico de reacciones a partir de cualquierconjunto de reactivos y determina las concentraciones,propiedades termodinamicas y de transporte parala mezcla de los productos. El programa seencuentra disponible en la pagina oficial de la NASA;http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/ceaWhat.htmy su descarga es gratuita. En la misma se suministrael procedimiento para la descarga del programa y elprocedimiento para su instalacion.GASEQ

El programa Gas Equilibrium (GASEQ), creadopor el Prof. Chris Morley (2007), es un programa

www.rmiq.org 979

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desarrollado en ambiente Windows, para el estudiode procesos de combustion. GASEQ realiza calculosconsiderando el equilibrio quımico y estima lacomposicion de los gases de escape, propiedadestermodinamicas y de transporte en un proceso decombustion. El programa trabaja con la basede datos antigua para el calculo de propiedadestermodinamicas de la NASA, es de licencia librey para su descarga e instalacion el autor desarrolloel sitio web http://www.gaseq.co.uk/, donde incluyeinstrucciones de instalacion, actualizaciones, ventajas,limitaciones y metodos de calculo, entre otras.STANJAN

Este programa STANJAN fue publicado por elProf. William Reynolds (1986). Su tıtulo provienede la conjuncion entre el tıtulo de la Universidadde STANFORD y las tablas de propiedadestermodinamicas JANNAF. El programa considera quelos gases presentes se cmportan como gases idealesdentro de la mezcla. La composicion de la mezclaproducto de la combustion puede ser determinadaen equilibrio quımico o puede ser especificada, parala evaluacion de ciclos termodinamicos. STANJANpuede ser usado para estimar la temperatura decombustion adiabatica de reacciones de combustionen procesos isobaricos o isometricos. Unaversion de esta herramienta de calculo, ChemicalEquilibrium Calculation, se encuentra disponibleonline en la pagina: http://navier.engr.colostate.edu/∼

dandy/code/code-4/ bajo la supervision del Prof.David Dandy.

3.2 Metodologıa empleada

Se consideraron parametros tıpicos de motores deencendido por chispa (Fergunson y Kirkpatrick, 2001;Heywood, 1995), tales como:

• El estado termodinamico de la mezclareactante al inicio del proceso de compresion-isoentropico esta definido por 298 K y 101,325kPa.

• Se utiliza una relacion de compresion igual aocho (8).

• Se considera un proceso de combustionadiabatico-isometrico.

• Para el proceso de combustion en motores deencendido a chispa, se seleccionan combustiblesusuales como: Iso-Octano (C8H18), Metano(CH4) y Etanol (C2H5OH).

• Relaciones combustible-aire relativa en elintervalo de 0,8 a 1,2.

• Las emisiones gaseosas a estudiar por susefectos adversos en el ambiente son Dioxido decarbono (CO2), Monoxido de Carbono (CO) yMonoxido de Nitrogeno (NO).

Para cada combustible y cada relacioncombustible-aire relativa, se siguio el procedimientosiguiente:

• Determinacion del estado termodinamico dela mezcla reactante antes del proceso decompresion; principalmente, lo referente avolumen especıfico y entropıa.

• Determinacion del estado termodinamico dela mezcla reactante al final del procesode compresion adiabatico-reversible, es decir,estado inicial de la combustion. Para estose considera el volumen inicial, relacion decompresion y un proceso isoentropico.

• Uso de cada herramienta computacional conlos datos iniciales del proceso de combustionadiabatico-isometrico, es decir, proceso decombustion a energıa interna constante.

• Tabulacion de los resultados obtenidos.

• Aplicacion de la Ec. 16 para el calculo delos errores relativos entre los resultados de lasherramientas.

Error(%) =|VE −VR|

VE· 100 (16)

Para las herramientas computacionales utilizadas, seelaboraron graficos de Temperatura de CombustionAdiabatica (TCA), Presion de los Productos(Pproductos) y fracciones molares de CO (YCO),CO2 (YCO2 ) y NO (YNO) en funcion de la relacioncombustible-aire relativa (Φ) y del combustibleempleado.

4 Resultados y discusionPrincipalmente se plasmaran los resultados de losproductos de la combustion respecto a propiedadestermodinamicas (Temperatura y Presion); ası como,emisiones toxicas o contaminantes (CO, CO2 y NO).Las Figs. 1 y 2 muestran el comportamiento dela temperatura de combustion adiabatica (TCA) ypresion de los productos (Pproductos) en funcionde la relacion combustible-aire relativa (Φ) para los

980 www.rmiq.org

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Rodrıguez y Nino/ Revista Mexicana de Ingenierıa Quımica Vol. 15, No. 3 (2016) 977-984

1 Fig. 1. Temperatura de combustión adiabática en función de la relación combustible-aire relativa. 2

3

4 Fig. 2. Presión de los productos en función de la relación combustible-aire relativa. 5 6

Fig. 1. Temperatura de combustion adiabatica enfuncion de la relacion combustible-aire relativa.

combustibles considerados (CH4, C2H5OH y C8H18)y las herramientas computacionales empleadas.

La Temperatura de Combustion Adiabatica (TCA)alcanzo los valores mas elevados en el intervalocomprendido entre: 1.0 ≤ Φ ≤ 1.1, Ver Fig. 1. Parala combustion adiabatica-isometrica del Isooctano(C8H18) se obtuvieron los valores mas elevados entrelos combustibles empleados. La TCA maxima seencuentra alrededor de 2880 K. En mezclas pobres encombustible, la TCA crece linealmente con Φ; esto sedebe a que al aumentar el valor deΦ el calor especıficode la mezcla disminuye porque aumenta la cantidad decombustible presente en ella. En mezclas cercanas ala estequiometrica el crecimiento de la TCA es cadavez menos pronunciado y alcanza su valor maximocuando Φ es ligeramente mayor que uno, a causa quela reaccion de disociacion del CO2 a CO + O2 esendotermica (Fygueroa y Araque, 2005; Fygueroa ycol., 2012).

En el caso de los productos, Ver Fig. 2, sutendencia fue a aumentar con el aumento de Φ. Paramezclas gaseosas donde aumente la temperatura y/odisminuya el volumen especıfico, la tendencia esaumentar la presion de la mezcla. Para el intervaloestudiado, se obtuvo una presion maxima para elC8H18 alrededor de 8.640 kPa para un Φ=1,2.

Las Figs. (3)-(5) senalan la tendencia de lasemisiones de CO2, CO y NO en funcion de la relacioncombustible-aire relativa, para los tres combustibles ylas tres herramientas.

Las concentraciones de las emisiones de CO2tienden a aumentar hasta alcanzar valores topes en elintervalo de: 0,9 ≤ Φ ≤ 1,0; siendo mayores en el casode la combustion del C2H5OH con valores que oscilanentre 0,1 y 0,1015.

1 Fig. 1. Temperatura de combustión adiabática en función de la relación combustible-aire relativa. 2

3

4 Fig. 2. Presión de los productos en función de la relación combustible-aire relativa. 5 6

Fig. 2. Presion de los productos en funcion de larelacion combustible-aire relativa.

2

7 Fig. 3. Emisión de CO2 en función del combustible y la relación combustible-aire relativa. 8

9

10 Fig. 4. Emisión de CO en función del combustible y la relación combustible-aire relativa. 11

12 13

Fig. 3. Emision de CO2 en funcion del combustible yla relacion combustible-aire relativa.

2

7 Fig. 3. Emisión de CO2 en función del combustible y la relación combustible-aire relativa. 8

9

10 Fig. 4. Emisión de CO en función del combustible y la relación combustible-aire relativa. 11

12 13

Fig. 4. Emision de CO en funcion del combustible yla relacion combustible-aire relativa.

www.rmiq.org 981

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14 Fig. 5. Emisión de NO en función del combustible y la relación combustible-aire relativa. 15 Fig. 5. Emision de NO en funcion del combustible y

la relacion combustible-aire relativa.

Las fracciones de CO en los productos tienenuna tendencia a incrementar su concentracion conel aumento de Φ motivado a la disminucion de lasconcentraciones de oxıgeno cuando hay mezclas ricasen combustible. Para el intervalo estudiado, se obtuvoun valor maximo de 0,0623 para la combustion delC8H18 para una Φ=1,2.

Las concentraciones de NO en las emisiones dela combustion tienen una tendencia contraria a lasde CO. En este caso, las mayores concentraciones seencuentran en la zona pobre en combustible (Φ <1)debido a la presencia elevada de oxıgeno. Las mayoresconcentraciones se reportan para la combustion delC8H18 con valores cercanos a 0,012.

Con la informacion presentada en las Figurasanteriores se puede constatar, que los resultadosobtenidos mediante la utilizacion de las tresherramientas computaciones son consistentes paratodo el intervalo de valores empleado. En todos loscasos los resultados entre el GASEQ y el STANJANno hubo divergencias significativas.

Comparando los resultados del CEA con el restode las herramientas, las tendencias de las curvasse mantiene y en muchos casos son practicamenteidenticas. La mayor desviacion entre los resultadosmostrados se encuentra en la Figura 5, principalmente,en la zona rica en combustible (Φ >1). Aunquelos errores relativos entre las herramientas no superael 6,4%; especıficamente, en el caso del Etanol(C2H5OH) y Φ=1,2. Fenomenologicamente, lastendencias fueron similares.

El combustible con menor concentracion deemisiones de CO, CO2 y NO fue el CH4, pero tambienfue el de menor TCA, lo cual esta asociado con losvalores energeticos de la mezcla de gases quemados.

Los resultados presentados en las Figs. (1)-(5) fueron contrastados con proyectos similarespublicados (Rodrıguez y col., 2009; Fygueroay col., 2012; Fergunson y Kirkpatrick, 2001;

Heywood, 1995) encontrandose una concordanciafenomenologica entre todos los resultados.

Las herramientas computacionales concuerdansatisfactoriamente dentro del alcance propuestopermitiendo obtener resultados referentes a laconcentracion de elementos y compuestos quımicoscontaminantes presentes en las emisiones; ası como,propiedades termodinamicas necesarias para laevaluacion energetica de los parametros involucradosen el ciclo de funcionamiento de los motores decombustion interna. CEA posee una extensa base dedatos en cuanto a elementos y compuestos quımicosconsiderados; ademas de poseer versiones online yescritorio. GASEQ tiene como ventaja que permite lasimulacion de procesos isoentropicos de expansion ocompresion de mezclas de gases ideales. La versionde STANJAN solo esta disponible online.

Conclusiones

Fenomenologicamente y cuantitativamente, losresultados obtenidos utilizando las tres herramientascomputaciones concuerdan satisfactoriamente parala obtencion de propiedades termodinamicas yconcentraciones de las mezclas producto de lacombustion, en procesos adiabaticos-isometricos.

En el intervalo estudiado para Φ, la presenciade CO se incrementa en los productos en la mismamedida que la relacion Φ aumenta, encontrandose sumaximo valor para Φ = 1,2.

Las mayores concentraciones de NO se presentanpara mezclas pobres (Φ=0,8) y disminuyenconsiderablemente con el aumento de la riqueza dela mezcla.

Para mezclas alrededor de la estequiometrica(1 ≤ Φ ≤ 1,1) se obtienen los valores maximosde temperatura de combustion adiabatica y tambienvalores maximos de las concentraciones de CO2.Para hacer estimaciones iniciales, puede recurrirse almetodo de interpolacion lineal para la estimacion de laTCA cuando las mezclas sean pobres en combustible.

Las concentraciones de especies CO y NO maselevadas en los motores de encendido por chispa seconsiguieron utilizando como combustibles al C8H18.

En el proceso de combustion adiabatico-isometrico, las menores concentraciones de especiescontaminantes, entre los combustibles considerados,resultan de la combustion del CH4.

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NomenclaturaCp capacidad Calorıfica, kJ.kmol−1.K−1

h entalpıa, kJ.kmol−1

KP constante de equilibrio quımicoPproductos presion de los productos, kPaR constante universal de los gases,

kJ.kmol−1.K−1

S p factor entropico isobarico,kJ.kmol−1.K−1

T temperatura, KTCA temperatura de combustion

adiabatica, KVE valor esperado, molVR valor resultante, molηc moles de combustible, molηa moles de aire, molΦ relacion combustible-aire relativa

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