Benzina: Nutrire i cavalli!

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.