Evaluación de la cinética de oxidación del dietil carbonato y su comportamiento como aditivo oxigenante en motores de combustión interna

Abstract

RESUMEN: El carbonato de dimetilo (DMC) es un carbonato lineal que se ha venido estudiando como aditivo de combustibles debido a su elevado contenido de oxígeno (53% en peso), baja toxicidad y rápida biodegradabilidad. Aunque el DMC no se ha utilizado comercialmente, su uso como aditivo de la gasolina brinda mejores beneficios para el medio ambiente comparado con el metil terbutil éter (MTBE), ya que es más eficaz en la disminución de las emisiones de CO, NOx e hidrocarburos. Por otro lado, el potencial de producción de ozono fotoquímico es insignificante, cuando se compara con combustibles convencionales. El DMC también se ha usado como aditivo para mejorar la combustión y reducir las emisiones de hollín de los motores diésel , ya que presenta buenas propiedades de mezcla y reduce el hollín con la concentración de DMC. La adición de un 10% de carbonato de dimetilo al diésel conduce a la reducción de hollín entre 35-50%. Similar al carbonato de dimetilo (DMC), el carbonato de dietilo (DEC) podría ser una opción para satisfacer las especificaciones de compuestos oxigenados en la gasolina y para reducir las emisiones de partículas generadas en los motores de combustión interna (específicamente, diésel). En efecto, el DEC contiene 40,6% de oxígeno y presenta mejor coeficiente distribución gasolina/agua, comparado con el DMC y el etanol (ET). Existen muchos estudios acerca del uso del DMC como aditivo oxigenante de la gasolina y el diésel , pero hay muy pocos reportes para el DEC. Por tanto, el objetivo fundamental de esta investigación es determinar el efecto del DEC como compuesto oxigenante de gasolina y diesel, y compararlo con el DMC y etanol. Para esto se evaluó el efecto sobre la combustión y las emisiones de un motor CFR, usando mezclas de DMC y DEC como aditivos de combustibles. Adicionalmente, estudios experimentales basados en un reactor de chorro agitado (jet-stirred reactor), una máquina de compresión rápida (RCM, rapid compression machine), y un reactor “Shock Tube”, se acoplaron al modelado de la cinética química mediante el uso de CHEMKIN PRO para establecer el mecanismo de combustión del DEC. Los parámetros termodinámicos del DEC y de las especies involucradas en su descomposición del DEC se determinaron 5 mediante el uso de la herramienta computacional THERM. El mecanismo de la cinética de combustión del DEC fue desarrollado incluyendo la reacción de descomposición del DEC sugerida por Manion et al, y adicionalmente se utilizó como referencia el mecanismo establecido para el carbonato de dimetilo (DMC) reportado por el grupo de investigación de Combustion Chemistry del Lawrence Livermore National Laboratory, California-USA.

ABSTRACT: Dimethyl carbonate (DMC), is a linear carbonate which has been studied as a potential fuel additive because of its high oxygen content (53% by weight), low toxicity and rapid biodegradability. Although DMC has not been used commercially, its use as a gasoline additive offers better environmental benefits compared to methyl tert-butyl ether (MTBE) since it is more effective for reducing emissions of CO, NOx and hydrocarbons. Furthermore, the potential for photochemical ozone production is insignificant when compared with conventional fuels. DMC has also been used as an additive to improve combustion and it reduces soot emissions from diésel engines, due to its good mixing properties and soot reduction with the concentration of DMC. The addition of a 10% of DMC to diésel engine leads to soot reduction between 35- 50%. Similar to DMC, diethyl carbonate (DEC) is another potentially excellent option to meet the specifications of oxygenates in gasoline and to reduce particle emissions generated in internal combustion engines (diésel ). DEC contains 40.6% oxygen and provides better fuel distribution ratio of gasoline / water, compared with DMC and ethanol (ET). There are many reports about the use of DMC as oxygenated additive of gasoline and diésel engine, but very few for DEC. Therefore, the main purpose of this research is to compare the effect of the DEC and DMC as gasoline and diésel oxygenated fuel. For the development of this project, studies using mixtures of DMC and DEC as fuel additives and their effect on combustion and emissions generated in an experimental CFR engine were carried out. In addition, experimental studies based on a reactor ""jet-stirred up"" rapid compression machine ""RCM"" reactor ""Shock Tube"" and modeling of chemical kinetics using CHEMKIN PRO is conducted to establish the mechanism of combustion DEC. DEC and thermodynamic parameters of the species involved in the decomposition of DEC were determined using the computational tool THERM, which considers the symmetry of the molecule, the rotor and the number of groups that make up the molecule. The mechanism of kinetic combustion DEC was developed including the decomposition reaction of DEC suggested by Manion et al, and additionally used as reference established mechanism for dimethyl carbonate (DMC) reported by the research group Combustion Chemistry Lawrence Livermore National Laboratory, California-USA.