Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

Si definiscono carburanti, i combustibili che alimentano i motori. I carburanti, proprio per la particolarità del loro impiego devono avere tutta una serie di requisiti che sono legati sia alla sicurezza, sia all'economicità e sia all'inquinamento prodotto sull'ambiente dai loro scarichi.

Una prima sommaria divisione dei carburanti può essere fatta distinguendoli in liquidi e gassosi. Questi ultimi, stante la difficoltà del loro trasporto con le bombole, sono impiegati quasi esclusivamente per alimentare i motori degli impianti fissi. Vi è poi un carburante tutto particolare che è il GPL il quale, pur essendo gassoso alla pressione e temperatura ambiente, può essere reso liquido con una leggera sovrapressione. I carburanti più usati sono, comunque, al momento, benzina, kerosene, gasolio ed olio combustibile.

La benzina è la frazione petrolifera decisamente volatile ed ha un intervallo di temperatura di ebollizione che va, approssimativamente, da 70°C a 170°C. E' il carburante usato per alimentare i motori a combustione interna funzionanti secondo il ciclo Otto. Numerosi sono le specifiche richieste alla benzina tra cui, la più importante è forse il numero di ottani.

Il ciclo Otto è adatto per essere impiegato nei motori di piccola potenza, al massimo qualche centinaio di cavalli, usati nelle automobili e nei piccoli aerei da turismo, dove è fondamentale il fattore leggerezza.

Sinteticamente il ciclo Otto si compone nelle classiche cinque fasi che sono nell'ordine: aspirazione, compressione, scoppio, espansione e scarico. La benzina deve essere preventivamente mescolata all'aria con un rapporto, in massa, di uno a sedici e mezzo, con il carburatore che sfruttando la depressione ottenuta con un tubo venturi, aspira la benzina e la mescola all'aria.

Il numero di ottani è forse il parametro più importante della benzina ed esprime la capacità di una miscela aria benzina, a sopportare elevati valori del rapporto di compressione senza detonare, cioè senza autoincendiarsi.

La determinazione del numero di ottani deve essere fatta sperimentalmente utilizzando un motore a testa mobile, in cui sia possibile, agendo semplicemente con una manopola situata sulla testata del motore e manovrabile anche con il motore acceso, il rapporto di compressione.

Il valore numerico del numero di ottani generalmente va da zero a cento, ma la scala può essere estrapolata in modo del tutto analogo a quanto si fa con la temperatura la quale ha come riferimento la temperatura di fusione e quella di ebollizione dell'acqua ma poi viene estesa anche al di fuori di quest'intervallo.

Nella determinazione del numero di ottani di una benzina, utilizzando il motore a testa mobile, si deve paragonare il comportamento della benzina a numero di ottani incognito con quello di un miscuglio tra il normaleptano, cui è stato attribuito il valore zero, ed il 2,2,4trimetilpentano, cui è stato attribuito il valore 100, e dunque, il numero di ottani del miscuglio corrisponde alla percentuale, in peso, di isoottano.

Nel dettaglio si deve operare nel modo seguente:

1. Si deve regolare il rapporto di compressione ad un valore di partenza molto basso.
2. Si deve avviare il motore a testa mobile alimentandolo, tramite il carburatore, con la benzina, di cui vogliamo determinare il numero di ottani.
3. Si deve aumentare gradualmente il rapporto di compressione fino a quando non si verifica la detonazione, circostanza facilmente riconoscibile dall'inconfondibile e tipico rumore di martellamento che si produce nella camera di combustione.
4. Preparare diversi miscugli tra l'eptano e l'isottano, in cui il numero di ottani corrisponde esattamente alla percentuale, in massa, dell'isottano ed alimentare con questi il motore fino a trovare la miscela che manifesta la detonazione in corrispondenza dello stesso rapporto di compressione.

Il numero di ottani di una benzina può essere aumentato aggiungendo piombotetraetile ed anche bromuro di etilene per evitare la formazione di incrostazioni. Per ridurre l'inquinamento dovuto al piombo, recentemente è stata immessa sul mercato una benzina, chiamata verde, in cui l'aumento del numero di ottani è ottenuto mediante l'aggiunta di prodotti aromatici. Questi essendo fortemente sospettati di essere cancerogeni, devono essere completamente ossidati con la marmitta catalitica.

Assai poco volatile, è il carburante usato nei motori funzionanti secondo il ciclo Diesel. Questo ciclo è assai simile al ciclo Otto visto in precedenza da cui si differenzia essenzialmente per il fatto che il gasolio viene iniettato in minutissime goccioline e ad altissima pressione, circa 300 atm., direttamente nella camera di combustione dove a contatto con l'aria fortemente riscaldata dalla compressione adiabatica, s'incendia spontaneamente.

Il rapporto di compressione in un motore Diesel, è di circa ventiquattro e supera, di molto, il valore normalmente adottato nei motori a benzina, che è di circa dieci.

Il ciclo Diesel comprende le seguenti cinque fasi: aspirazione, compressione, combustione a pressione costante, espansione e scarico. L'iniezione del gasolio dovrebbe avvenire, secondo la teoria, con una progressione tale da mantenere costante la pressione durante la combustione, in realtà questo è praticamente impossibile da far avvenire e, di fatto, soprattutto nei motori molto veloci, il ciclo Diesel finisce per assomigliare moltissimo al ciclo Otto.

In analogia al numero di ottano della benzina, nel gasolio vi è il numero di cetano che è però con riferimento alla rapidità di combustione e non alla sua resistenza alla detonazione che non ha nessuna importanza nel ciclo Diesel.

Per la misura del numero di cetano di un gasolio si opera all'incirca nello stesso modo visto a proposito della benzina con la differenza che in questo caso le due sostanze di riferimento sono il cetano, idrocarburo a catena lineare avente formula C16H34, cui corrisponde il valore zero, e l'alfa metilnaftalina cui corrisponde il valore cento.

E' una frazione petrolifera intermedia tra la benzina ed il gasolio ed è il carburante usato per alimentare i motori a turbina dei moderni aerei a reazione.

La turbina ha un alto rapporto tra la potenza resa e peso del motore e questa caratteristica, unita alla sua lata affidabilità lo rende prezioso per le applicazioni in campo aeronautico sia civile sia militare.

Il motore a turbina è costituito da un compressore comprendente numerose giranti che effettuano la compressione dell'aria dalla pressione ambiente fino a circa 3 atm. poi, dopo aver iniettato e bruciato il kerosene a pressione costante, i gas combusti vengono fatti espandere parzialmente in una turbina con poche giranti e calettata rigida sullo stesso albero su cui sono calettare le giranti del compressore, e poi espulsi violentemente attraverso un diffusore.

Sono i gas di scarico, che espulsi a forte velocità, per reazione, esercitano la spinta necessaria per far volare l'aereo.

Per il corretto funzionamento dei motori a turbina dei grandi aerei intercontinentali che operano a quote molto alte, anche maggiori di undicimila metri, dove le condizioni ambientali sono assai più favorevoli alla navigazione ma anche la temperatura è molto bassa, è necessario, soprattutto che il kerosene non congeli nei serbatoi ed anche che la viscosità non sia troppo elevata.