Benzina: Nutrire i cavalli!
Quella che viene bruciata all’interno dei nostri motori è una miscela combustibile formata da aria e benzina, in parti accuratamente dosate.
La benzina è costituita da idrocarburi di vario tipo (paraffinici, aromatici, olefinici), aventi temperature di ebollizione comprese tra 30 e 210 °C. Si tratta delle frazioni leggere che si separano dal petrolio greggio mediante la distillazione, cioè il principale procedimento di raffineria. Per migliorare la resa, ovvero la quantità di benzina che si ricava da una data quantità di petrolio greggio, nel corso degli anni sono stati messi a punto altri processi che vanno ad aggiungersi alla distillazione e che consentono di trasformare opportunamente le molecole, “frantumando” quelle grandi (che costituiscono le frazioni pesanti) e/o modificando la struttura di alcune altre (cambiandone o meno la composizione).
Appare opportuno citare anche la tecnologia GTL (Gas To Liquid), che permette di ottenere benzina partendo da un gas, ottenuto dal carbone o disponibile in natura. Si tratta di un procedimento che deriva direttamente da quello sviluppato addirittura negli anni Venti del ventesino secolo in Germania e largamente utilizzato dai tedeschi durante la seconda guerra mondiale per produrre benzina sintetica.
La composizione della benzina varia dunque a seconda del greggio di partenza e del procedimento di raffineria impiegato per ottenerla. Questo carburante non ha quindi una formula chimica ben definita né una precisa temperatura di ebollizione, come accade invece per l’alcol etilico (etanolo) e l’alcol metilico (metanolo).
Per ogni benzina esiste una curva di distillazione, che si ottiene unendo i punti di ebollizione delle varie frazioni, costituite da idrocarburi nelle cui molecole sono presenti di norma da cinque a dieci atomi di carbonio.
Per essere messa in commercio, la benzina (che in peso mediamente contiene l’86% di carbonio e il 14% di idrogeno) deve avere le caratteristiche stabilite da rigorose norme; di particolare importanza sono quelle riguardanti la densità, che deve essere compresa tra determinati valori (minimo e massimo) e il potere antidetonante. Quest’ultimo viene indicato dal numero di ottano, che può essere rilevato con due diverse procedure. Seguendo modalità accuratamente prestabilite e rigorosamente controllate, si alimenta con il carburante in esame un motore da laboratorio, il cui rapporto di compressione (ovviamente variabile) viene aumentato fino a che non si verifica la detonazione incipiente. Si hanno così un numero di ottano Research e un numero di ottano Motor (leggermente inferiore in quanto ottenuto con un procedimento più “severo”). Per la benzina verde i valori minimi prescritti sono rispettivamente 95 ottani Research e 85 Motor.
La tecnologia GTL permette di ottenere benzina partendo da un gas: un procedimento che deriva direttamente da quello sviluppato in Germania e utilizzato dai tedeschi durante la seconda guerra mondiale per produrre benzina sintetica
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Perché durante la combustione tutto l’ossigeno dell’aria si combini con tutti gli idrocarburi della benzina presente nel cilindro, la miscela deve avere una dosatura stechiometrica, ovvero un “titolo” corretto dal punto di vista chimico. Questo significa che teoricamente allo scarico dovrebbero uscire, assieme all’azoto (che si dovrebbe comportare come un gas inerte e che in peso costituisce il 76,8% dell’aria), solo CO2 e acqua, cioè i due prodotti della combustione completa. In realtà però una piccola quantità di idrocarburi non riesce a prendere parte alla combustione, un poco di azoto si combina con l’ossigeno e un poco di carbonio forma con quest’ultimo il monossido (CO).
La miscela ha dosatura stechiometrica quando, in peso, è formata da circa 14,7 parti di aria e una di benzina. Le miscele nelle quali l’aria è in eccesso vengono dette magre mentre quelle nelle quali essa è in difetto, e quindi è la benzina ad essere in eccesso, vengono dette ricche (possono essere anche dette rispettivamente povere e grasse, ma si tratta di termini meno usati).
Quando per alimentare il motore si usa un carburante diverso, le cose cambiano: con l’etanolo la dosatura stechiometrica è 9 (parti di aria per una di alcol) mentre quando si impiega il metanolo è 6,4. Questi due carburanti sono alcoli e nella loro molecola c’è ossigeno. Gli idrocarburi invece sono costituiti solo da carbonio e idrogeno.
Il potere calorifico di un carburante indica l’energia che esso contiene, per unità di massa. È dunque costituito dalla quantità di calore liberata dalla combustione di un chilo del carburante stesso. Per la benzina è dell’ordine di 41 MJ/kg, per l’etanolo è pari a 26,8 MJ/kg e per il metanolo a 19,7 MJ/kg.
A questo punto può venire spontaneo chiedersi come mai alimentando il motore con alcol non solo non si perda nulla ma addirittura si possa ottenere una maggiore potenza, benché il potere calorifico del carburante sia più basso di quello della benzina. Il fatto è che in uno stesso volume di miscela chimicamente corretta c’è molto più carburante se si impiega l’etanolo o, ancor meglio, il metanolo. Dato che la dosatura stechiometrica è diversa, nel cilindro entrano più molecole di alcol, rispetto a quando si impiega la benzina.
La tonalità termica è la quantità di calore sviluppata dalla combustione dell’unità di volume della miscela stechiometrica. In diverse nazioni si preferisce fare riferimento alla energia specifica, ossia alla quantità di calore sviluppata dalla combustione di un chilogrammo di miscela con dosatura stechiometrica. La differenza passando dalla alimentazione a benzina a quella ad alcol è modestissima, risultando dell’ordine del 5% nel caso del metanolo e del 2% nel caso dell’etanolo.
Gli alcoli hanno però un calore latente di vaporizzazione molto più alto di quello della benzina e questo si traduce in un miglior raffreddamento interno. La carica più fresca ha una densità maggiore, il che è ovviamente vantaggioso (migliora infatti il rendimento volumetrico). Incrementi prestazionali nettamente maggiori si possono poi ottenere adottando rapporti di compressione più alti, resi possibili dal numero di ottano notevolmente più elevato (114 Research per entrambi gli alcol in questione).
La potenza maggiore si ottiene con una miscela leggermente ricca. Indicativamente, con una dosatura dell’ordine di 12,5 - 13. I minori consumi invece si hanno con una miscela magra. Poiché da qualche anno a questa parte i regolamenti limitano la quantità di carburante che si può consumare nei Gran Premi, i tecnici hanno dovuto lavorare duramente per riuscire a ottenere elevate prestazioni con miscele aventi un titolo assai vicino a quello stechiometrico.
