Scusandomi con tutti i lettori per l’assenza della scorsa settimana del consueto post della nostra rubrica Energia e Futuro dovuto ad impedimenti personali, torniamo quest’oggi con una nuova puntata nel mondo dei Motori a Combustione Interna, approfondendo il discorso iniziato nei due precedenti post (1 e 2).
In particolare parleremo delle caratteristiche generali dei motori, delle varie tipologie e delle emissioni inquinanti tipiche dei motori, andando poi nelle successive “puntate” ad approfondire ogni singolo tema.
MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA – COME SONO FATTI?
I MCI presentano delle caratteristiche in gran parte comuni ai modelli pionieristici nati circa 150 anni fa, anche se nella realtà molti cambiamenti sono avvenuti, non sempre evidenti, ma comunque importanti.
Un moderno motore è costituito da uno o più cilindri chiusi ad una estremità dalla camera di combustione, dotata di opportune aperture per permettere l’ingresso della carica fresca e la fuoriuscita dei prodotti della combustione.
All’interno dei cilindri scorrono i pistoni, i quali vengono spinti dall’espansione dei gas durante la combustione e cedono tale energia ad un meccanismo che trasforma il moto alternato del pistone in un moto rotatorio.
Un’immagine della coppia Pistone – Biella illustra meglio di mille parole ciò di cui stiamo parlando:
Tale trasformazione oggi viene eseguita mediante un meccanismo “biella-manovella“, mentre nei primi prototipi si utilizzavano dei sistemi lineari composti da un’asta dentata ed una ruota dentata che ingranava durante la fase di espansione per poi venire disimpegnata durante il moto di ritorno del pistone.
L’immissione della carica e l’espulsione dei gas combusti avviene oggi unicamente mediante le valvole “a fungo” (Poppet Valves), mentre in passato si è assistito a soluzioni particolari, ed in certi casi riprese in considerazione, come ad esempio le valvole a fodero (Sleeve Valves).
Uno schema molto semplificato del motore, dove si individuano il pistone, la biella e l’albero motore, oltre che le valvole e le camme che azionano le stesse è il seguente:
Altri cambiamenti sono avvenuti, ad esempio sul sistema di preparazione della carica e di iniezione permettendo di migliorare le prestazioni dei motori pur rimanendo ancorati ai concetti di base sui quali sono nati, ma tutto ciò esula da questo post in quanto spingerebbe ad un approfondimento tecnico che richiederebbe troppo spazio.
CLASSIFICAZIONE DEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA E COMBUSTIBILI
Limitandoci ai soli motori alternativi (ovvero quelli dove l’organo responsabile della trasformazione dell’energia chimica del combustibile in energia meccanica si muove di moto rettilineo alternato) si può operare una classificazione degli stessi in base a vari parametri, ad esempio:
- Numero di fasi svolte in un giro completo dell’albero motore
- Tipo di combustibile impiegato
- Modalità di accensione della carica
La prima classificazione permette di suddividere i motori in 2 e 4 tempi, i quali ultimi risultano essere gli unici impiegati nella trazione stradale ad eccezione dei piccoli motori (in genere di cilindrata non oltre i 250cc) per i motoveicoli.
Il tipo di combustibile impiegato non rappresenta una grande caratteristica distintiva in quanto la successiva classificazione (per modalità di accensione della carica) racchiude implicitamente alcune caratteristiche che i combustibili utilizzati per le varie tipologie devono possedere.
Con questa classificazione si possono suddividere i motori in:
- Accensione Comandata
- Accensione Spontanea
I motori ad accensione comandata non sono nient’altro che i motori a Ciclo Otto (comunemente chiamati “a benzina”) mentre i motori ad accensione spontanea sono i motori a Ciclo Diesel.
I combustibili che possono venire utilizzati in ciascuno dei due tipi devono rispettare delle caratteristiche che rendono perfetto un combustibile per un particolare tipo di motore e completamente inadatto per l’altro.
Benzine, combustibili a base alcoolica come l’etanolo ed il metanolo (il primo molto utilizzato in Brasile perché producibile dalla canna da zucchero, abbondante in quei territori) ed il gas naturale (o prodotto da processi di sintesi) sono combustibili adatti ad un impiego nei motori a ciclo Otto in quanto caratterizzati da un “numero di Ottano” (ovvero la capacità di resistere a forti compressioni senza auto accendersi) elevato, mentre combustibili quali il Gasolio (che comunemente chiamiamo “Diesel”) e tutti gli oli combustibili di varia natura per autotrazione (Biodiesel ecc) sono adatti all’impiego nei motori a ciclo Diesel in quanto presentano una bassa resistenza all’autoaccensione mediante compressione (misurata dal parametro “numero di Cetano“).
EMISSIONI INQUINANTI E NORMATIVE
Le emissioni inquinanti nei motori dipendono strettamente da due fattori:
- Caratteristiche del Combustibile
- Andamento della fase di Combustione
Ogni combustibile è costituito in prevalenza da atomi di idrogeno e carbonio, in numero per molecola variabile, e la combustione di una molecola di combustibile genererà (in caso di combustione perfetta) come prodotti anidride carbonica e vapore acqueo in misura proporzionale al contenuto delle sue specie componenti nei reagenti, come già visto in occasione di precedenti post sugli impianti termoelettrici.
Eventuali altre sostanze presenti nel combustibile possono originare eventuali prodotti di combustione indesiderati, ma alcuni dei più noti non hanno origine principale nel combustibile, bensì nello sviluppo della fase di combustione, fortemente differente tra motori Otto e Diesel, anche se di queste differenze ne parleremo nei post dedicati ad ognuno di essi.
Oltre a considerare la composizione del combustibile, è importante valutare come si sviluppa la combustione, in quanto questo importante processo presenta forme differenti in funzione di alcuni parametri, rendendo più o meno evidente la produzione di certi inquinanti.
Le emissioni dei MCI sono costituite essenzialmente da:
- CO2 – anidride carbonica
- CO – monossido di carbonio, dovuto ad una combustione non completa
- HC – idrocarburi incombusti, dovuti ad una combustione non completa
- NOx – ossidi d’azoto, dovuti alle elevate temperature durante la combustione
- Particolato – presente in misura sensibile solo nei Diesel, dovuto sia a caratteristiche del combustibile che a caratteristiche della combustione
Da molti anni ormai esistono norme sempre più severe che pongono un limite alle emissioni, ed a tal riguardo si può fare riferimento alle normative EURO giunte alla EURO5 per quanto riguarda l’Europa, mentre analoghe normative sono presenti negli USA ed in Giappone, pur se con valori di riferimento differenti ma sempre nello stesso ordine di grandezza delle norme EURO.
Tali normative prevedono che ogni motore rispetti i livelli stabiliti nell’ambito di un test standard che prevede una serie di accelerazioni, decelerazioni e marcia a regime costante svolto in condizioni ambientali controllate.
Tali normative vengono rispettate nell’ambito di prova stabilito, ma al di fuori delle condizioni di test difficilmente i motori rispetteranno i limiti di emissione, e le cause di questo sono molteplici ed in parte da imputare a chi poi guiderà il veicolo in quanto il corretto funzionamento del motore richiede che l’utilizzatore adotti uno stile di guida ottimale, in assenza del quale risultano vanificati molti sforzi per limitare effettivamente le emissioni.
Per oggi il post si conclude qui, il tema delle emissioni verrà ripreso nei prossimi post, dove verranno illustrati anche i problemi reali insiti nelle tecnologie per la riduzione delle emissioni.
Vi aspetto lunedì prossimo, come sempre su AppuntiDigitali e sulla rubrica Energia e Futuro.
