Experimental and kinetic modelling study of C2-C5 linear alcohols

Combustion of fossil fuels is nowadays the primary energy source for transport and energy production. The need for efficient and sustainable energy sources is often in contrast with environmental and health issues, connected with fossil fuel use. Considering forms of transportation for which electrical propulsion is not suitable due to low energy density and storage limitations, energy-efficient and clean combustion processes are still an important research topic. Both in conventional engines and in new engines technologies (e.g. HCCI), the use of biofuels represents an interesting alternative as possible fuel additives to gasoline and diesel, or as fuels themselves. The correct characterization of a fuel reactivity and the evaluation of its compatibility with existing engines is, mostly, a chemical kinetics problem. Indeed, combustion kinetic modelling has been driving fuel and engine developments for the last 25 years. While most of the focus in the first decade has been devoted to the understanding of alkane chemistry, the need for better representing commercial fuels by means of surrogate mixtures extended the interest to aromatics and finally to oxygenated fuels from renewable sources. To extend the scarcity of experimental data for alcohols combustion at conditions of interest for real systems, ignition delay measurements for mixtures of pure ethanol/n-propanol/n-butanol/n-pentanol-air were carried out in a rapid compression machine facility at the National University of Ireland (Galway, Ireland). The ignition delay measurements were performed for stoichiometric mixtures, pressures of 10 and 30 atm and compressed temperatures between 670 and 950 K. To extend the knowledge of the chemistry involved in linear alcohols fuel combustion, the POLIMI mechanism was revised and updated in its alcohols portion, by means of rate rules, theoretical estimates from the literature and analogy with the well-known chemistry of alkanes. The model obtained reproduces accurately experimental targets over a broad range of operating conditions.

I combustibili fossili sono la fonte primaria per la produzione di energia e per i trasporti ma sono anche la causa di importanti problemi ambientali e legati alla salute. Considerando sistemi di trasporto per i quali la propulsione elettrica non è applicabile a cause della bassa densità energetica e dei limiti di stoccaggio, l’efficienza energetica e una combustione pulita costituiscono argomenti di ricerca strategici. Sia nei motori convenzionali che nelle nuove tecnologie, l’uso dei bio-combustibili rappresenta un’alternativa interessante come possibili additivi o come combustibili stessi. La corretta caratterizzazione della reattività del combustibile e la sua compatibilità con i motori esistenti è un problema principalmente legato alla cinetica chimica. La modellazione cinetica dei processi di combustione ha guidato lo sviluppo dei motori e dei combustibili negli ultimi 25 anni. Grande attenzione nell’ultimo secolo è stata dedicata alla comprensione della chimica degli alcani ma, la necessità di rappresentare i combustibili commerciali, ha aumentato l’interesse verso composti aromatici e composti ossigenati. Per contribuire alla raccolta di dati sperimentali sulla combustione degli alcoli alle condizioni di interesse per sistemi reali, misure di tempi di ignizione per miscele di alcoli lineari (C2-C5) sono stati condotte in una rapid compression machine presso la National University of Ireland. I tempi di ignizione sono stati misurati per miscele stechiometriche combustibile-aria, a pressioni di 10 e 30 atm e a temperature comprese tra 670 e 950 K. Per aumentare la conoscenza della chimica coinvolta nella combustione degli alcoli, il meccanismo POLIMI è stato rivisitato e aggiornato attraverso la combinazione di rate rules, stime di costanti cinetiche a livello teorico e analogie con la consolidata chimica degli alcani. Il modello ottenuto è in grado di riprodurre in maniera accurata non solo i dati presentati in questo studio, ma anche dati presenti in letteratura in un ampio spettro di condizioni operative.