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Motori endotermici a combustione interna

di Sara Bergandi, Stefano Cantoni, Leonida Fossati, Alfredo Greco

Classificazione in base al tipo di combustibile

Al variare del tipo di accensione e del ciclo termico su cui si basano nei motori a scoppio si possono trovare numerose varianti legate al processo di combustione. Tipicamente verranno distinti quelli a ciclo otto, combustione a volume costante, ed accensione comandata per scintilla (AS) da quelli a ciclo diesel, combustione a pressione costante, ed accensione per compressione o spontanea (AC). Ad essi si aggiunge il ciclo Sabathè, combustione a pressione e volume costante e AS.

Nei motori AS l'accensione della miscela aria combustibile nella camera dei cilindri avviene grazie ad una scintilla emessa dalle candele mentre in quelli AC per gli alti valori di pressione e quindi di temperatura raggiunti in essa. Nei primi in oltre il combustibile viene introdotto nel cilindro dopo essere stato miscelato nel carburatore con l'aria comburente mentre nei secondi i due fluidi vengono introdotti separatamente e in tempi diversi.

Un altro sistema di classificazione legato alla combustione è quello che riguarda il sistema di alimentazione dell'aria comburente: l'alimentazione è di tipo naturale se la spinta impressa al fluido è solo frutto della depressione creata dalla discesa del pistone mentre si ha sovralimentazione se vi è un compressore a favorire tale moto.

A seconda delle combinazioni di tali caratteristiche si potranno usare combustibili differenti. Si riportano di seguito i più comuni anche se a causa della rinnovata attenzione ai problemi ambientali e ai notevoli costi del petrolio greggio, di cui si teme l'esaurimento in un futuro non più così remoto, la spinta impressa allo sviluppo di nuove tecnologie è notevole.

Benzina [ciclo otto AS]

La benzina come noto è un prodotto ricavato dalla raffinazione del petrolio greggio. Le sue doti caratteristiche sono la volatilità e la capacità antidetonante (indicata dal numero di ottani). La prima garantisce una facile accensione mentre la seconda fa si che si accenda solo grazie alla scintilla emessa dalle candele in un preciso istante del ciclo di lavoro così da poterne sfruttare al meglio la detonazione evitando cioè che il lavoro di un pistone si opponga a quello di un altro. Essa è composta essenzialmente da esano e ottano più vari additivi con diverse funzioni.

Gasolio (nafta) [ciclo diesel AC]

Come la benzina è anch'esso un prodotto della raffinazione del petrolio ma contiene molecole più pesanti cioè a catena più lunga (da 13 a 18 atomi di carbonio) o alifatici (detti anche ciclici o aromatici) .
Esso è meno infiammabile della benzina e quindi più facile da maneggiare e con minori problemi legati alla detonazione purché sia privo di frazioni a basso peso molecolare. Anche molecole troppo pesanti potrebbero creare dei problemi depositandosi e sporcando quindi il motore e producendo emissioni nocive per combustione incompleta.
Il numero di cetano ne indica la qualità così come quello di ottani per la benzina.

Oltre alla benzina e al gasolio si stanno diffondendo in misura sempre maggiore altri combustibili alcuni comunque derivati dal petrolio altri di origine vegetale, in genere accomunati dalle minori emissioni inquinanti . Naturalmente i motori dovranno essere preparati al loro utilizzo con misure più o meno significative.
Il problema principale legato a queste tecnologie è per il momento la rete di distribuzione ossia la sua scarsa ramificazione. Ciò fa si che esse sia sempre inserite in un sistema ibrido (o bifuel) cioè in grado di funzionare anche a benzina. Esistono in tal senso anche sistemi di commutazione automatica capaci di passare da un'alimentazione all'altra qualora uno dei serbatoi sia vuoto o di adattare automaticamente l'accensione e l'iniezione della miscela in base al combustibile in uso.

Gpl (Gas petrolio liquefatti) [ciclo otto AS ]

Il gpl è un carburante di origine fossile, ricavato dai livelli più alti della torre di raffinazione del petrolio in quantità comprese tra il 2% e il 5% del totale del prodotto lavorato, la cui produzione e sottoutilizzata (è frequente infatti vederlo bruciare dai camini delle raffinerie). Lo si ottiene anche in fase di estrazione, poiché il greggio contiene una quantità pari al 2% di gas da cui deve essere separato prima di essere venduto (anche in questo caso viene inutilmente bruciato in cima allo stesso pozzo di estrazione). Esso è composto principalmente da propano e butano. Ciò fa si che sia possibile estrarlo anche dal gas ricavato dalla fermentazione delle biomasse per circa il 2,5% di esso.
Questo combustibile ha costi notevolmente minori rispetto alla benzina e al gasolio, anche se attualmente è in crescita, produce emissioni meno nocive prive cioè di piombo, benzene e altri idrocarburi potenzialmente cancerogeni, e con il 10% in meno di anidride carbonica, tanto che oggi in Italia ed Europa non è soggetto ad alcuna limitazione alla circolazione.
Può essere utilizzato su normali motori a ciclo otto previa una semplice regolazione dell'anticipo e naturalmente l'installazione di un apposito serbatoio.

Metano (gas naturale) [ciclo otto AS]

Il metano non costituisce una nuova tecnologia ma era già in uso nel nostro paese negli anni '50 su mezzi di trasporto pesanti anche se il suo utilizzo in seguito venne abbandonato.
Come noto è un gas estratto dal sottosuolo, non facilmente rinnovabile ma ancora ampiamente disponibile ( si stima che sarà sufficiente fino alla fine del secolo). Esso viene anche ricavato da processi naturali di fermentazione anaerobica ad esempio di sostanze di rifiuto.
I motori a metano (CNG o metano compresso) riducono le emissioni di anidride carbonica del 25%, grazie all'alto contenuto di idrogeno presente in esso, non emettono benzene, zolfo o piombo e riducono del 50% rispetto ai motori a benzina la produzione di ossido di azoto (Nox) e del 85_90% rispetto a quelli diesel. Per questi ultimi anche le emissioni di monossido di carbonio sono ridotte di tale percentuale mentre le emissioni di particolato sono praticamente nulle.

Biocarburanti.

Vengono ricavati dal trattamento di sostanze vegetali. Oltre a non essere di origine fossile, e quindi non influenzati direttamente dai problemi legati alle risorse petrolifere, riducono le emissioni di CO2 (anidride carbonica o biossido di carbonio) anche del 90%. Più nello specifico quelli di prima generazione come il biofuel, ricavato da semi oleaginosi, consentivano riduzioni fino al 70% mentre quelli di seconda generazione come il biogas arrivano fino al 90%.
La seconda generazione di carburanti viene prodotta dalla lavorazione dell'intera pianta da cui si ricavano etanolo, metanolo, MTBE, ETBE, DME, biodiesel sintetico e biogas che potrebbero sostituire rispettivamente la benzina (etanolo,metanolo, MTBE, ETBE, DME) il gasolio, e metano o gpl.
Vi sono tuttavia ancora delle questioni aperte. Quella forse più significativa riguarda il bilancio energetico tra le risorse spese per produrli e quelle da essi ricavabile che non sempre è risultato vantaggioso (anche se il mondo vegetale è sicuramente quello che meglio si adatta allo sfruttamento dell'energia solare). Altro problema non certo trascurabile è che la loro adozione su larga scala potrebbe portare ad un forte aumento dei generi alimentari.

Biogas [ciclo otto AS]

Il biogas si ricava dalla decomposizione di sostanze organiche ad opera di batteri anaerobi. Un'importante fonte sono i fanghi derivati dalla depurazione delle acque di scarico urbane, o di quelle delle industrie alimentari e i rifiuti organici prodotti dall'allevamento del bestiame (con circa un volume di 15Litri giornalieri per un pollo, 230 per un bovino,250 per un suino). Esso è formato per lo più da metano anidride carbonica e altri composti organici e non come propano, butano, solfuro di idrogeno, azoto, monossido di carbonio.
Può essere sfruttato sia per il riscaldamento domestico che nei motori a combustione interna. Grazie all'utilizzo di opportuni gruppi elettrogeni azionati da motori diesel è anche possibile produrre energia elettrica. Tali impianti vengono detti ad energia totale perché in grado di recuperare l'energia termica assorbita dall'impianto di raffreddamento del motore raggiungendo rendimenti pari a circa il 90%.

Biogasolio o biodiesel [ciclo diesel AC]

Viene usato su motori a ciclo diesel ed accensione spontanea. Già in utilizzo in molte nazioni europee sia puro sia miscelato al gasolio in percentuali intorno al 30% non richiede alcuna modifica sui motori diesel di nuova generazione. Viene ricavato da oli vegetali come quello di colza o di girasole o, come ad esempio in Brasile, da alcune specie di datteri (olio di dende) o ancora dai semi di soia. Naturalmente è completamente biodegradabile ed arriva a ridurre del 20% le emissioni di particolato oltre a non contenere zolfo.

Benzine ossigenate (etanolo e metanolo) [ciclo otto AS]

Usate su motori a ciclo otto e accensione comandata comportano come tutti i carburanti di origine vegetale un bilancio nullo nella produzione di CO2 poiché quella emessa è pari a quella assorbita dalla fotosintesi delle piante da cui viene ricavata.
L'etanolo si ottiene facilmente dalla fermentazione degli zuccheri sia semplici che complessi (amido o cellulosa) dopo le opportune trasformazioni. Ad esempio in Brasile lo si ricava dalla fermentazione della canna da zucchero e viene miscelato alla benzina in proporzioni pari al 22% (si stanno sviluppando soluzioni che arrivano fino all'85%) senza richiedere modifiche sulle normali autovetture.
Il metanolo invece si può ricavare dai combustibili fossili o da biomasse, ad esempio dalla distillazione del legno. I suoi possibili impieghi includono anche le celle combustibili e quindi le auto a motore elettrico.
Gli eteri (MTBE, ETBE, DME) sono meno noti degli alcoli (etanolo e metanolo) ma in alcuni casi già in uso. Ad esempio il metil-terziar-butil-etere (MTBE) ha sostituito il piombo come antidetonante nella benzina verde consentendo l'uso delle marmitte catalitiche. L'etil-terziario-butil-etere, ottenuto dall'alcol etilico aggiunto alla benzina ne migliora la combustione riducendo le emissioni di idrocarburi.
Anche queste non sono tuttavia tecnologie di nuova generazione. In Brasile ad esempio, paese pioniere nel settore, già nel 1978 era stato realizzato da FIAT e Magneti Marelli la prima macchina ad alcol di canna da zucchero poi ampiamente utilizzata negli anni seguenti ma abbandonata alla fine degli anni ottanta in seguito ad una crisi nella produzione della materia prima colpevole di aver lasciato a piedi molti automobilisti. Oggi ad ovviare a tali problemi è stata sviluppata la tecnologia “flex” (FIAT e General Motors) costituita da motori ad iniezione elettronica in grado di lavorare indifferentemente sia con normale benzina che con gli alcoli.

Idrogeno [ciclo otto AS ]

L'idrogeno non contenendo carbonio non produce CO2 ma solo vapore acqueo che pur contribuendo anch'esso all'effetto serra ha un tempo di permanenza all'interno dell'atmosfera decisamente minore producendo presumibilmente effetti trascurabili.
Può essere usato su normali motori a scoppio o su motori elettrici a celle combustibili.
Le maggiori difficoltà che presenta questa tecnologia sono quelle relative al serbatoio. Per essere conservato allo stato liquido richiede infatti potenti impianti criogenici in grado cioè di mantenerlo a temperature di circa -253°C, naturalmente anche durante i periodi di inutilizzo del mezzo. Un'altra possibilità è quella di immagazzinarlo inglobato in carburi metallici in polvere o nanofibre di carbonio.
Per quanto riguarda la produzione non sono state ancora realizzate soluzioni soddisfacenti. Esso può essere estratto dal petrolio, non risolvendo però i problemi legati alla dipendenza dai combustibili fossili, o ottenuto ad esempio dall'elettrolisi dell'acqua, processo che però a sua volta assorbe energia secondo un bilancio negativo.
Una buona soluzione potrebbe essere quella di affiancarne la produzione alle normali centrali nucleari o ad energia rinnovabile (idroelettrica, solare, eolica ecc...) così da assorbire la produzione di energia in eccesso durante i periodi di minore richiesta della rete.
Uno dei nuovi sistemi più innovativi, sviluppato nei primi anni del millennio, prevederebbe l'utilizzo di cellule fotovoltaiche con un'efficenza di poco inferiore al 20%.