Se il combustibile fosse composto solamente di idrocarburi e la combustione fosse completa la miscela compressa nella camera di combustione bruciando si trasformerebbe in vapor d’acqua, (H2O) biossido di carbonio (CO2) e azoto (N2). L’azoto, gas inerte presente nell’aria non prende parte alla combustione. Il vapor d’acqua prodotto nella combustione si mantiene al di sotto della temperatura critica e si comporta come un gas permanente.

In pratica gli idrocarburi non sono puri, la combustione non è completa e fra i prodotti della combustione si trovano anche aliquote di altri gas, monossido di carbonio (CO) idrocarburi incombusti (HC), ossidi di azoto (NOX) ed anche ossigeno (O2) e varie impurità.

Il fluido operante è dunque formato inizialmente dall’aria e dal combustibile e, in seguito, dai gas prodotti dalla combustione. La sua composizione chimica varia continuamente durante il ciclo operativo.

Nei paragrafi successivi vedremo sommariamente le caratteristiche dell’aria e le reazioni chimiche della combustione.

L’aria atmosferica – comburente

Una massa d’aria atmosferica secca è, approssimativamente composta da 77 parti di azoto e 23 di ossigeno. Contiene piccole quantità di altri gas ma questi si comportano nella combustione come gas inerti e possono essere considerati dal punto di vista motoristico come l’azoto.

Le proporzioni in volume sono: 21% ossigeno – 79% azoto e altri gas.

La massa di un metro cubo di aria alla pressione di 1 atm e a 0°C vale 1,275 kg

Quantità di aria necessaria per la combustione. Rapporto stechiometrico

I combustibili più usati nei motori endotermici sono mescolanze di idrocarburi cioè composti essenzialmente di carbonio e idrogeno. Il carbonio e l’idrogeno reagiscono con l’ossigeno secondo le seguenti equazioni elementari

C + O2 => CO2

2H2 + O2 <=> 2H2O

CO2 e H2O sono prodotti della combustione

Diamo a ogni componente il valore in massa tenendo conto che la massa atomica per l’idrogeno è pari a 1, per il carbonio 12 e per l’ossigeno 16. Si ottiene:

C + O2 = CO2

12C + 32O = 48CO2

H2 + 1/2O2 = H2O

2H+ 16O = 18 H2O

Applichiamo queste equazioni al caso della combustione di un idrocarburo scelto fra i principali componenti della benzina: il nonano. La sua formula è C9H20, combinandosi con l’ossigeno produce CO2 e H2O, mentre l’azoto N2 rimane inerte.

C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O

in definitiva:

1 Kg di nonano + 3,5 kg di ossigeno = 3,094 kg di anidride carbonica + 1,406 kg di H20

Dunque per la combustione di 1 kg di nonano occorrono 3,5 kg di ossigeno e poiché l’ossigeno è fornito dall’aria che ne contiene il 23% occorre una massa d’aria di 15,2 kg. Questo valore corrisponde al rapporto fra le masse d’aria e di combustibile detto stechiometrico, che rappresenta la dosatura teorica ideale per ottenere la combustione completa. Il rapporto stechiometrico varia di poco per i diversi idrocarburi. In pratica dei motori il rapporto aria-combustibile che chiameremo anche rapporto di miscela, si discosta, durante il funzionamento, dal valore stechiometrico: quando l’aria è in difetto si dice che la miscela è ricca, quando è in eccesso che la miscela è povera.

Nei motori a benzina il rapporto di miscela fornito dai carburanti può variare da 11 a 20. Nei motori ad accensione per compressione; affinché il combustibile iniettato venga tutto a contatto con l’aria per bruciare è necessario un forte eccesso di aria e il rapporto fra la massa di aria introdotta nel motore e quella del combustibile è superiore a 25.