Massimo Clarke: "Dieci domande e dieci risposte sulle benzine"

Cos’è esattamente la benzina, dal punto di vista chimico?

Si tratta di una miscela di idrocarburi, ottenuta dal petrolio greggio mediante distillazione frazionata e altri procedimenti di raffineria. Non ha quindi una formula chimica definita e non ha neanche una precisa temperatura di ebollizione.
Come noto gli idrocarburi sono formati esclusivamente da carbonio e idrogeno. Quelli che costituiscono le benzine sono di molti tipi diversi, con molecole aventi strutture differenti (a catena lineare, a catena ramificata, ad anello), in ciascuna delle quali sono presenti da 5 a 12 atomi di carbonio; le loro temperature di ebollizione sono comprese all’incirca tra 30 e 215 °C.
Come ovvio, la composizione delle benzine varia in funzione di quella del greggio di partenza e dei processi di raffineria adottati. Precise norme internazionali stabiliscono i campi (ovvero i limiti superiore e inferiore) entro i quali devono risultare comprese le varie caratteristiche della benzina, a cominciare dalla densità. 

Ma ciò, all’atto pratico, in cosa si traduce per il motociclista?

All’interno del motore la benzina brucia dopo essere stata miscelata con l’aria. La combustione non è altro che una rapida reazione di ossidazione degli idrocarburi che ha luogo con forte sviluppo di calore. Il rapporto tra la quantità di comburente (l’ossigeno) e di combustibile nei motori motociclistici deve rimanere all’interno di un campo piuttosto ristretto. Idealmente dovrebbe essere sempre quello corretto dal punto di vista chimico. In altre parole, la dosatura della miscela (cioè il rapporto in peso tra l’aria, che fornisce l’ossigeno, e il carburante) dovrebbe essere stechiometrica; in tal caso al termine della combustione in teoria tutto l’ossigeno dell’aria si dovrebbe essere combinato con tutto il carburante fornito al motore. A causa della variabilità della composizione della benzina, non è però possibile indicare una dosatura stechiometrica rigorosa, come avviene per i carburanti aventi una formula chimica definita, come l’alcol metilico o etilico. Ci si va comunque molto vicino.

La dosatura della miscela influenza le prestazioni?

Eccome! La dosatura stechiometrica, ovvero chimicamente corretta, della miscela aria-benzina è dell’ordine di 14,6 – 14,7. Se, rispetto a questo valore, l’aria è in eccesso, si parla di dosatura (o “titolo” della miscela) povera o magra. Se invece l’aria è in difetto, e quindi è la benzina ad essere in eccesso, la dosatura è ricca.
Il motore fornisce la potenza più elevata, a qualunque regime di rotazione, con una miscela a titolo sensibilmente ricco (12,5 – 13,5, indicativamente). Il miglior rendimento, e quindi i minori consumi, si hanno invece con miscele a titolo leggermente magro. Oltre certi valori ad ogni modo non è possibile andare, in entrambi i sensi, in quanto la combustione si “deteriora” , il funzionamento del motore diventa irregolare e si può addirittura uscire dal campo di accendibilità. Le minori emissioni si hanno con miscele a dosatura stechiometrica, in corrispondenza delle quali è anche massima l’efficienza di conversione della marmitta catalitica.

Quali sono le caratteristiche più importanti di un carburante?

Fondamentalmente due: il potere calorifico e il numero di ottano. Il primo indica la quantità di energia “contenuta” nell’unità di massa. Si tratta, in altre parole, di quanto calore viene liberato dalla combustione completa di un chilo di carburante.
La benzina è molto “energetica”; il suo potere calorifico è assai più elevato di quello dell’alcol metilico (noto anche come metanolo). La dosatura stechiometrica è però assai diversa, per questi due carburanti; in uno stesso volume di miscela combustibile è presente una quantità di alcol notevolmente superiore. La conseguenza è che, in seguito alla combustione, eguali volumi di miscela forniscono quantità di calore assai vicine, utilizzando tanto l’uno quanto l’altro carburante. In altre parole, la tonalità termica della miscela è molto simile in entrambi i casi.
Il numero di ottano indica le proprietà antidetonanti dei carburanti. Più esso è elevato, migliore risulta la “resistenza” all’insorgere della detonazione, il che si traduce nella possibilità di impiegare rapporti di compressione più alti.
Altre caratteristiche che vanno tenute in considerazione sono la volatilità e il calore latente di vaporizzazione.

Cos’è la detonazione?

La combustione viene innescata dalla scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela. Da lì parte un “fronte di fiamma” che si propaga, attraversando tutta la camera e accendendo la miscela aria-carburante mano a mano che la incontra. Questo determina un incremento della pressione dei gas graduale e non “brusco”, anche se molto rapido.
In certe condizioni, che di norma nei motori di serie alimentati con la benzina che si acquista ai distributori non si verificano, può aver luogo un fenomeno assai deleterio, la detonazione. In tal caso, mentre la combustione è già iniziata, a un certo punto la miscela aria-carburante non ancora raggiunta dal fronte di fiamma brucia spontaneamente, in maniera repentina, con modalità quasi esplosive. Si verifica cioè la detonazione, con formazione di onde di pressione che viaggiano ad altissima velocità urtando e rimbalzando contro le pareti della camera. In certe condizioni questo può dar luogo a una rumorosità chiaramente avvertibile, nota come “battito in testa”. Se intensa, la detonazione può avere conseguenze gravi, in particolare per il pistone.
La detonazione può essere causata da un rapporto di compressione troppo elevato, da un anticipo di accensione eccessivo o da impiego di carburante con numero di ottano insufficiente.

Cosa significa in pratica impiegare benzine con numeri di ottano diversi?

Il numero di ottano viene rilevato sperimentalmente, con motori da laboratorio a compressione variabile e secondo modalità rigidamente controllate. I metodi adottati sono due: Research, al quale si fa riferimento più di frequente, e Motor (quest’ultimo è più “severo”).
La benzina per autotrazione ha per legge un numero di ottano Research non inferiore a 95; quello Motor non è inferiore a 85. I motori delle moto di serie sono di norma realizzati in modo da funzionare impeccabilmente con questo carburante; per alcuni di essi però il costruttore consiglia di impiegare ove possibile benzine a 98 ottani. Questo è chiaramente riportato sul libretto di uso e manutenzione. Diverse Case petrolifere hanno in commercio benzine di questo genere.
È importante sottolineare che se un motore funziona bene con la normale benzina verde, non darà più cavalli passando a un’altra benzina che semplicemente ha un numero di ottano superiore. Occorre però tenere conto anche della composizione del carburante… In effetti diversi motori di serie risentono positivamente, e in maniera avvertibile, del passaggio alla alimentazione con una benzina a 98 o 100 ottani.

E per quanto riguarda i motori da corsa e quelli elaborati?

Non ci sono dubbi: l’impiego di un carburante con numero di ottano più alto consente di adottare un rapporto di compressione più elevato senza che insorga la detonazione. A sua volta, un rapporto di compressione maggiore determina un incremento del rendimento termico: il motore “utilizza” meglio l’energia messa a disposizione dalla combustione e quindi eroga, a parità di regime, una coppia e una potenza maggiori.

Come mai in alcuni libretti di uso e manutenzione, per quanto riguarda la benzina da utilizzare, si fa riferimento alla media tra i numeri di ottano Research e Motor?

Si tratta di una prescrizione tipicamente adottata negli USA, alla quale si fa spesso riferimento se i veicoli sono destinati prevalentemente a tale mercato. La media in questione costituisce il cosiddetto “antiknock index”.
I motori da laboratorio impiegati per rilevare il numero di ottano sono molto lontani da quelli oggi utilizzati dalle moto e dalle auto di alte prestazioni, per non parlare delle modalità di prova… Nonostante questo, nessun costruttore ha proposto modifiche in merito. Evidentemente il numero di ottano rilevato con i sistemi tradizionali, per quanto arcaici, costituisce comunque un riferimento affidabile.

Dunque, non tutte le benzine sono uguali, anche se il numero di ottano è lo stesso…

La composizione è molto variabile. Gli idrocarburi in gioco sono centinaia e ognuno ha una sua temperatura di ebollizione, un suo numero di ottano e una sua velocità di combustione. Pure la quantità di additivi può variare. Per innalzare il numero di ottano, essendo stati aboliti da tempo i composti a base di piombo, oggi si fa ricorso all’etere metil-ter-butilico (MTBE), che può essere presente in misura maggiore o minore a seconda delle caratteristiche antidetonanti della benzina di partenza, a loro volta legate alla sua composizione. Ci sono anche altri additivi (coloranti, antiossidanti,antidepositi,…) ma in totale sono presenti in misura inferiore all’1%.

Quali sono le principali differenze tra le benzine che si acquistano presso i distributori e quelle da corsa?

Oggi si tratta di prodotti molto più simili tra loro di quanto non fossero in passato. Il numero di ottano è limitato dai regolamenti, ma in genere non è superiore a 102 Research. Una differenza notevole è costituita dal fatto che nelle benzine destinate ai motori da competizione la composizione, ovvero la percentuale dei vari idrocarburi che le costituiscono, è controllata con grande accuratezza. Inoltre gli idrocarburi impiegati vengono selezionati con estrema cura (e sulla esatta composizione dei loro carburanti i produttori mantengono il massimo riserbo!). Si tratta insomma di benzina fatte “su misura” e assai spesso ottenute completamente per via sintetica. I produttori di questi carburanti hanno dedicato grande attenzione negli ultimi anni all’aumento della velocità di combustione.