The theoretical foundations for the analysis of the combustion process considered were those stated by Anojin and Sajarov (1970), Gurevych and Sorokin (1978), Pancratov (1979), Kralob and Antonov (1980), Vzorov et al. (1981) and Jovarj (1982). They established the following:

The theoretical amount of air required to oxidize a fuel is determined by the following expression:

The average fuel elemental components can be taken: for gasolines: C=0,85; H= 0,15; O_o =0 and for diesel fuel: C=0,86; H=0,13; O_o =0,01.

The quantity of fresh load moles for gasoline engines:

where: μc: molecular mass of the fuel, for gasolines μc=110…120 kg/kmol.

For diesel, the amount of fresh charge is calculated by the expression:

Quantity of combustion products:

If $\alpha <1$

If $\alpha \ge 1$ then

where:

In addition, there is an amount of air that is in excess, which is equal to:

The theoretical coefficient of molecular variation:

The real coefficient of molecular variation:

The magnitude of $\beta$ oscillates for gasoline engines $\beta =\mathrm{1,02}\dots \mathrm{1,12}$ , diesel engines $\beta =\mathrm{1,01}\dots \mathrm{1,06}$ .

The lower combustion heat of the fuel is formed: for gasoline engines ${ H}_u=44 000 kJ/k_g$ , for diesel $H_u=42 500 kJ/k_g$ , and for gasohol (Flex fuel) ${ H}_u=26\mathrm{ }279 kJ/k_g$ .

For gasoline engines working with rich blends $\alpha >1$ , the loss of heat as a result of incomplete combustion is determined.

If $\alpha \ge 1$ , the previous equation does not apply. $$

The internal energy of combustion products is determined by the expression:

where: ${\sigma }_r$ : Coefficient of waste gases: for gasoline engines ${\sigma }_r$ =0,06…0,12 ; for diesel engines ${\sigma }_r$ =0,02…0,06; $\xi$ : Heat utilisation coefficient for different engines at nominal speed: for gasoline engines $\xi =\mathrm{0,85}\dots \mathrm{0,95}$ ; for diesel engines $\xi =\mathrm{0,65}\dots \mathrm{0,85}$ . $U_c$ : Internal gas energy (the one from the air can be taken) for the temperature at the end of compression in degrees Celsius ( $℃$ ); $U_c{}^{\text{'}\text{'}}$ : Internal energy of combustion products at the critical temperature of the products de $t_c$ .

The parameters of the exhaust process $P_r$ y $T_r$ , are taken at the beginning of the calculation of the admission process. This process consists of filling the cylinder with fresh load. The pressure of the environment is considered $P_o=0,1MPa$ , while the temperature of the environment is determined at the place where the experiment takes place.

The residual gas pressure, depending on the engine type, is calculated using the following equation:

The temperature of the waste gases is taken depending on the type of engine. Considering that in gasoline engines its value oscillates between $T_r=900\dots 1 100°K$ , while for diesel engines its value lies between the ranges $T_r=700\dots 900°K$ .

Depending on the type of engine, the heating temperature of the load would be between $∆T=10\dots 30°K$ .

To check the correct selection of the value of $P_r$ y $T_r$ , the following equation is used:

The selected value of $T_r$ and the one calculated by the Equation 13, must not be greater than 10%, otherwise the thermal calculation must be corrected.

The approximate values of $T_b$ y $P_b$ are listed in Table 1.

The experiments took place in the Laboratory of Motors of the Faculty of Technical Sciences, at the Agrarian University of Havana (UNAH), using a single-cylinder engine model JACTO.

The analysis of the combustion process in terms of ethanol-gasoline and pure gasoline blends was carried out in April 2019. Before the combustion, the percentage of ethanol to be added was defined (10%; 15%; 20% y 25%), and the type of blend (rich mixture and lean mixture). Hydrated ethanol with 95% purity and regular gasoline category B-85 were used as fuel. The engine used has an effective power of 1,2 kW; a rotation frequency of 580 rev/min and a cylinder capacity of 34 cm³

Considering what was proposed in the materials and methods, referring to the influence of the air composition in the chemical equations to be obtained, when fuel blends were used, the following analyses were carried out. Air-fuel and fuel-air ratio, internal energy, mass and molar fraction of the combustion products, the quantity of gases emitted to the environment and the economic analysis.

In the particular case of the air-fuel and fuel-air ratio, it was determined for excess air coefficients of 0.85 and 1.5, for each of the ethanol-gasoline blends and pure gasoline supplied to the engine.

In the case of the rich blend, i.e. with an excess air coefficient equivalent to 0.85, the values of the air-fuel and fuel-air ratios are shown in the Table 2.

As it can be seen in the table above, for the blend with E-0, the air-fuel ratio required to achieve combustion reaches a value of 16.049 kg (air)/kg (fuel). This value is higher than the values obtained in the rest of the blends, reaching a maximum difference of 3.462 kg (air)/kg (fuel) with respect to the blend with E-25 and a minimum difference of 3.001 kg (air)/kg (fuel) with respect to the blend with E-15.

When analysing the fuel-air ratio represented in Table 2, it can be seen that, for blend with E-10, E-20 and E-25, equal values are reached, these being equivalent to 0.079 kg (fuel)/kg (air). It is observed that this value is higher than that in the blend with E-0 by 0.017 kg (fuel)/kg (air), however, when a blend with E-15 is used, a difference of 0.015 kg (fuel)/kg (air) with respect to that of E-0 is evident.

In turn, the internal energy of the combustion products for each of the blend analyzed was determined by means of Expression 11. It is evident that the maximum value of internal energy in the combustion products is reached in the blend with E-0, which is given by the caloric power that is given off when pure gasoline only is used (Table 3).

As it can be seen, in the table above, when using the E-0 blend, a higher internal energy is obtained than when the remaining mixtures were used. A value of 22 516,084 kJ/kmol is reached and a maximum difference of 6 122,804 kJ/kmol is obtained with respect to the mixture with E-25, and a minimum difference of 4 848,72 kJ/kmol is obtained when using a mixture with E-20.

The decrease in the internal energy of the combustion products is mainly due to the increase in octane rating, i.e. the anti-explosive capacity of the fuel or fuel blend used, an aspect that improves the quality of combustion, although energy power is reduced during the explosion (detonation).

When using a light mixture with an excess air coefficient equivalent to 1.5, it is observed that the values of the air-fuel and fuel-air ratio differ from those obtained when using a rich mixture, which is given by the excess air supplied to the combustion chamber. These values are shown in Table 4.

According to Table 4, the values of blends E-15, E-20 and E-25 have similar values, with the E-25 mixture reaching the minimum value with 22.205 kg(air)/kg(fuel), showing a maximum difference with respect to the E-0 mixture of 6.124 kg(air)/kg(fuel). While for the E-10 blend, a minimum difference of 5,158 kg(air)/kg(fuel) is observed with respect to the E-10 blend and a maximum difference of 6,124 kg(air)/kg(fuel) is observed.

When analysing the fuel-air ratio, it is evident that when using blends E-15, E-20 and E-25, values equal to 0.045 kg(fuel)/kg(air) are obtained. That evidences a maximum difference with respect to the E-0 blend of 0.010 kg(fuel)/kg(air), while the E-10 blend reaches a value of 0.043 kg(fuel)/kg(air), evidencing a minimum difference with respect to the E-0 blend of 0.008 kg(fuel)/kg(air).

Using Expression 11, the internal energy of the combustion products was determined for each of the blends analyzed, evidencing that the maximum value of internal energy in the combustion products is reached in blends with E-0 (Table 5).

In Table 5, it is observed that when using E-0 blends, the internal energy is 21 928.776 kJ/kmol, reaching a value higher than the other blends studied, showing a minimum difference with respect to the E-25 blend of 5 370.851 kJ/kmol, while the maximum difference is 5 623.111 kJ/kmol, with respect to the E-15 and E-20 blends.

To summarise, in the combustion analysed, the highest internal energy value of the combustion products is achieved when the E-0 blend is used, independently of the excess air coefficient. However, it is valid to point out that in the majority of experiments it is evident that the best values with respect to the energy behaviour of the products obtained are obtained when blends E-10 and E-15 are used. This behaviour is due to the increase in octane rating, that is, to the anti-knock capacity of the fuel or fuel blend used, an aspect that improves the quality of combustion, although energy power is reduced during the explosion (detonation).

In the research developed by Pikūnas et al. (2003), it is reflected that when ethanol is added, the heat released by the ethanol-gasoline blend decreases, however, it is observed that the octane rating increases, aspects that coincide with the results obtained in this research.

Los fundamentos teóricos para el análisis del proceso de combustión, se consideraron a partir de las bases planteadas por Anojin y Sajarov (1970); Gurevych y Sorokin (1978); Pancratov (1979); Kralob y Antonov (1980); Vzorov et al. (1981); Jovarj (1982), los que establecieron:

La cantidad teórica de aire necesaria para oxidar un combustible, se determina mediante la expresión siguiente:

Los componentes elementales medios del combustible se pueden tomar: para las gasolinas: C=0,85; H= 0,15; O_o =0 y para los diéseles: C=0,86; H=0,13; O_o =0,01.

La cantidad de moles de la carga fresca para los motores de gasolina:

donde: μc: masa molecular del combustible, para las gasolinas μc=110…120 kg/kmol.

Para los diéseles, la cantidad de carga fresca se calcula mediante la expresión:

Cantidad de productos de la combustión:

Si $\alpha >1$

Si $\alpha \ge 1$ entonces

donde:

Además, existe una cantidad de aire que está en exceso, que es igual a:

El coeficiente teórico de variación molecular:

El coeficiente real de variación molecular:

El valor de $\beta$ oscila para: motores de gasolina $\beta =\mathrm{1,02}\dots \mathrm{1,12}$ , motores diésel $\beta =\mathrm{1,01}\dots \mathrm{1,06}$

El calor de combustión inferior del combustible se forma: para los motores de gasolina ${ H}_u=44 000 kJ/k_g$ , para los diésel $H_u=42 500 kJ/k_g$ , y para los gasohol (Flex fuel) ${ H}_u=26\mathrm{ }279 kJ/k_g$ .

Para motores de gasolina que trabajan con mezclas ricas $\alpha >1$ , se le determina la perdida de calor a consecuencia de la combustión incompleta.

Si $\alpha \ge 1$ , la ecuación anterior no procede. $$

Para determinar la energía interna de los productos de la combustión, se puede utilizar la expresión:

donde: ${\sigma }_r$ : Coeficiente de gases residuales: para motores de gasolina ${\sigma }_r$ =0,06…0,12 ; para motores diéseles ${\sigma }_r$ =0,02…0,06; $\xi$ : Coeficiente de utilización del calor para diferentes motores en el régimen nominal: para motores de gasolina $\xi =\mathrm{0,85}\dots \mathrm{0,95}$ ; para motores diésel $\xi =\mathrm{0,65}\dots \mathrm{0,85}$ ; $U_c$ : Energía interna de los gases (se puede tomar la del aire) para la temperatura al final de la compresión en grados Celsius ( $℃$ ); $U_c{}^{\text{'}\text{'}}$ : Energía interna de los productos de la combustión a la temperatura crítica de los productos de $t_c$ .

Los parámetros del proceso de escape $P_r$ y $T_r$ , se toman al comienzo del cálculo del proceso de admisión. Este proceso consiste en el llenado del cilindro con carga fresca. La presión del medio ambiente se considera $P_o=\mathrm{0,1}MPa$ , mientras que la temperatura del medio ambiente se determina en el lugar donde se desarrolle el experimento.

La presión de los gases residuales en dependencia del tipo del motor, se calcula mediante la ecuación siguiente:

La temperatura de los gases residuales, se toma en dependencia del tipo del motor. Considerándose que en los motores de gasolina su valor oscila entre $T_r=900\dots 1 100°K$ , mientras que para los motores diésel su valor se encuentra entre los rangos $T_r=700\dots 900°K$ .

En dependencia del tipo de motor, la temperatura de calentamiento de la carga se encontraría entre $∆T=10\dots 30°K$ .

Para comprobar la correcta selección del valor de $P_r$ y $T_r$ se comprueba por la ecuación:

El valor seleccionado de $T_r$ y el calculado por la ecuación 13, no debe ser mayor del 10%, de lo contrario el cálculo térmico debe ser corregido.

Los valores aproximados de $T_b$ y $P_b$ aparecen en la Tabla 1.

Los experimentos se desarrollaron en el Laboratorio de Motores de la Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana (UNAH). Utilizándose un motor monocilíndrico modelo JACTO.

El análisis del proceso de combustión en función de las mezclas etanol-gasolina y gasolina pura, fue realizado en abril del 2019. Antes de realizar las combustiones, se definió el porcentaje de etanol a añadir (10%; 15%; 20% y 25%), y el tipo de mezcla (mezcla rica y mezcla pobre). Como carburante se empleó, etanol hidratado con un 95% de pureza, y gasolina regular categoría B-85. El motor empleado posee una potencia efectiva de 1,2 kW; una frecuencia de rotación de 580 rev/min, una cilindrada de 34 cm³

Considerándose lo planteado en los materiales y métodos, referente a la influencia de la composición del aire en las ecuaciones químicas a obtener, al emplearse mezclas combustibles, se realizaron los análisis de: relación aire-combustible y combustible-aire, de energía interna, de fracción en masa y molar de los productos de la combustión, de la cantidad de gases emitidos al medio ambiente y del análisis económico.

En el caso particular de la relación aire-combustible y combustible-aire, esta se determinó para coeficientes de exceso de aire de 0,85 y 1,5, para cada una de las mezclas de etanol-gasolina y gasolina pura suministradas al motor.

En el caso de la mezcla rica, o sea, con coeficiente de exceso de aire equivalente a 0,85, los valores de la relación aire-combustible y combustible-aire, se muestran en la Tabla 2.

Como se puede observar en tabla antes mencionada, para la mezcla con E-0, la relación aire-combustible necesaria para lograr la combustión, alcanza un valor de 16,049 kg (aire)/ kg (combustible). Siendo este valor superior a los valores obtenidos en el resto de las mezclas, llegando a alcanzar una diferencia máxima de 3,462 kg (aire)/kg (combustible) respecto a la mezcla con E-25 y una diferencia mínima de 3,001 kg (aire)/ kg (combustible) respecto a la mezcla con E-15.

Al analizarse la relación combustible-aire representada en la Tabla 2, se puede constatar que, para las mezclas con E-10, E-20 y E-25, se alcanzan valores iguales, siendo estos equivalentes a 0,079 kg (combustible)/ kg (aire). Observándose que este valor es superior a la mezcla con E-0 en 0,017 kg (combustible)/kg (aire), sin embargo, al emplearse una mezcla con E-15, se evidencia una diferencia de 0,015 kg (combustible)/kg (aire) respecto a la de E-0.

A su vez, se determinó mediante la expresión (11) la energía interna de los productos de la combustión para cada una de las mezclas analizadas. Evidenciándose, que el máximo valor de energía interna en los productos de la combustión, se alcanza en la mezcla con E-0, lo cual está dado por el poder calórico que se desprende al emplearse gasolina pura solamente (Tabla 3).

Como se puede observar en la tabla anterior, al emplear la mezcla E-0, se obtiene una energía interna superior a las mezclas restantes, alcanzando un valor de 22 516,084 kJ/kmol, obteniéndose una diferencia máxima de 6 122,804 kJ/kmol respecto a la mezcla con E-25, y una diferencia mínima de 4 848,72 kJ/kmol al emplearse una mezcla con E-20.

El descenso de la energía interna de los productos de la combustión, se debe fundamentalmente, al incremento del octanaje, o sea, la capacidad antidetonante del carburante o mezcla combustible empleada, aspecto que mejora la calidad de la combustión, aunque se reduce el poder energético durante la explosión (detonación).

Al emplearse una mezcla pobre con coeficiente de exceso de aire equivalente a 1,5, se observa que los valores de la relación aire-combustible y combustible-aire difieren de los que se obtienen al emplearse una mezcla rica, lo cual está dado por el exceso de aire que se suministra a la cámara de combustión. Estos valores se muestran en la Tabla 4.

Según la Tabla 4, se observa que los valores de las mezclas E-15; E-20 y E-25, presentan valores similares, siendo la mezcla E-25, la que alcanza el valor mínimo con 22,205 kg(aire)/kg(combustible), manifestándose una diferencia máxima respecto a la mezcla E-0 de 6,124 kg(aire)/kg(combustible). Mientras que para la mezcla E-10, se observa una diferencia mínima respecto a dicha mezcla de 5,158 kg(aire)/kg(combustible).

Al analizarse la relación combustible-aire, se evidencia que al emplear mezclas E-15; E-20 y E-25, se obtienen valores iguales a 0,045 kg(combustible)/kg(aire), evidenciándose una diferencia máxima respecto a la mezcla E-0 de 0,010 kg(combustible)/kg(aire), en tanto la mezcla E-10, alcanza un valor de 0,043 kg(combustible)/kg(aire), evidenciándose una diferencia mínima respecto a la mezcla E-0 de 0,008 kg(combustible)/kg (aire).

Empleándose la expresión (11) se determinó la energía interna de los productos de la combustión para cada una de las mezclas analizadas, evidenciándose que el máximo valor de energía interna en los productos de la combustión se alcanza en mezclas con E-0 (Tabla 5).

En la Tabla 5, se observa que al emplear mezclas E-0 la energía interna es de 21 928,776 kJ/kmol, alcanzando un valor superior a las restantes mezclas estudiadas, evidenciándose una diferencia mínima respecto a la mezcla E-25 de 5 370,851 kJ/kmol, mientras que la diferencia máxima es de 5 623,111 kJ/kmol, respecto a las mezclas E-15 y E-20.

A modo de resumen, en las combustiones analizadas, el mayor valor de energía interna de los productos de la combustión se alcanza al emplearse la mezcla E-0, independientemente del coeficiente de exceso de aire. Sin embargo, es válido señalar, que en la mayoría de los experimentos se evidencia, que los mejores valores respecto al comportamiento energético de los productos obtenidos, se obtienen, al emplearse las mezclas E-10 y E-15. Este comportamiento se debe al incremento del octanaje, o sea, a la capacidad antidetonante del carburante o mezcla combustible empleada, aspecto que mejora la calidad de la combustión, aunque se reduce el poder energético durante la explosión (detonación).

En la investigación desarrollada por Pikūnas et al. (2003), se refleja, que al adicionarse etanol, el calor desprendido por las mezclas etanol-gasolina disminuye, sin embargo, se observa que el grado de octanaje aumenta, aspectos que coinciden con los resultados obtenidos en la presente investigación.