Carburanti

LA LUNGA STORIA DEI CARBURANTI

PRIMA PUNTATA

Dallo smacchiatore della signora Benz al propellente dei missili: nei motori delle auto si brucia di tutto. I Combustibili per le auto da corsa. Affannosa ricerca di mezzi alternativi per il prossimo futuro.

di Gianni Rogliatti (testo e immagini da “La Manovella”, n. 11, Novembre 2004).

Si dice carburanti o combustibili? C'è una differenza sottile tra una parola e l'altra, nel senso che i carburanti sono certamente combustibili ma debbono avere la caratteri­stica di formare con l'aria una miscela esplosiva capace di far funzionare il motore. Il carbone è un combustibile utilizzato ai primordi dello sviluppo del Diesel, in forma finemente polverizzata. La legna secca fatta a piccoli pezzi era il combustibile che alimentava il gasogeno con il quale si produce­va una miscela di gas, vero e proprio carburante che faceva funzionare le auto in tempo di guerra.
La potenza che un motore è in grado di erogare dipende in ultima istanza dalla qualità e quantità di carburante che esso brucia nell'unità di tempo: l'e­nergia chimica contenuta nel carburante, grazie alla combustione, si trasforma in calore, che fa dilatare i gas la cui forza finalmente si trasforma in energia meccanica. Il problema da risolvere per aumentare la potenza è dunque immettere nel motore quanto più carburante possibile nell'unità di tempo e farve­lo bruciare nel modo più efficiente: questo si ottie­ne miscelando insieme al carburante il comburente, ossia l'ossigeno contenuto nell'aria e, a volte, anche altro.
L'enorme successo che hanno avuto in aviazione i motori a turbina è dovuto alla semplice equazione "più aria = più potenza" oltre al fatto che è stato pos­sibile eliminare tutti gli organi di trasmissione della potenza stessa, perché la spinta al velivolo viene data dai gas che escono dallo scarico. E questo spie­ga perché coi motori a turbina non si parla di poten­za in CV o kW bensì di chilogrammi di spinta. Nei veicoli terrestri è necessaria una trasmissione della potenza alle ruote, salvo quelli costruiti per i record di velocità, che sono un caso speciale perché utiliz­zano direttamente la spinta del reattore.
Ci sono infine dei combustibili che non hanno biso­gno di aria per bruciare e, sotto questo punto di vista, sono più simili agli esplosivi, tanto è vero che in genere sono proibiti.
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SECONDA PUNTATA

È nata prima l'auto o il carburante?

OTTAVA PUNTATA
Carburanti da corsa

Nel periodo tra le due guerre mondiali, lo sport automobilistico ha conosciuto uno sviluppo impor­tante: chi si occupa di macchine da corsa storiche sa che per farle funzionare bene occorrono miscele speciali. Il motivo di queste miscele si spiega facil­mente con la conoscenza dei fenomeni della com­bustione. Problemi come la resistenza alla detona­zione e il raffreddamento della miscela compressa prima di essere introdotta nei motori e la velocità di propagazione della fiamma, potevano essere risolti con sostanze adeguate. Così invece di usare la ben­zina normalmente in commercio, la cui composi­zione era ancora approssimativa e la resistenza alla detonazione scarsa, i tecnici hanno "costruito" il carburante su misura per i loro motori partendo da sostanze pure, le cui caratteristiche sono ben note. Troviamo così che il benzene e gli alcoli etilico e metilico hanno un NO superiore a 100, il che li rende ottimi carburanti per motori ad alta compres­sione. Gli alcoli hanno anche la caratteristica inte­ressante dell'elevato calore latente di vaporizzazio­ne. In parole povere quando si miscelano con l'aria la raffreddano aumentandone la densità e quindi il peso per unità di volume. Più aria a parità di cilin­drata. È il motivo ad esempio per cui sulle macchi­ne di Indianapolis si usa metanolo puro, facile da analizzare e con effetto paragonabile all'intercooler per i motori turbocompressi. Per contro l'alcol ha un minor potere calorifico, cioè un chilo di alcol rende meno di un chilo di benzina e di questo bisogna tener conto sia nei sistemi di carburazione sia nella capacità dei serbatoi. Ci sono poi altre sostanze uti­lizzate nelle vecchie miscele con fini diversi, ad esempio l'etere di petrolio come acceleratore della combustione e l'acetone come stabilizzante della miscela. Nelle miscele per i motori dotati di com­pressore volumetrico entrava anche una piccola quantità di olio di ricino che serviva a lubrificare i lobi del compressore e, bruciando nel motore, pro­duceva il caratteristico odore sulle piste di allora.
Negli Anni Trenta i tedeschi della Mercedes, bra­vissimi in chimica, pensarono di utilizzare il nitro­benzene, che è oleoso, perché lubrifica i compres­sori e brucia bene, essendo un composto nitrato, cioè un parente degli esplosivi. Se un motore usa la miscela con nitrobenzene si sente un caratteristico odore di mandorle allo scarico. A titolo di curiosità riportiamo la composizione della miscela Faust per i motori tedeschi: metanolo 30%, etanolo 30%, ben­zolo 22%, etere etilico 5%, acetone 5%, benzina leggera 5%, nitrobenzene 3%.
Negli Anni Cinquanta arrivò sulle piste USA il nitrometano, un composto nitrato con una percen­tuale di ossigeno molto superiore a quella del nitro­benzene e quindi in grado di aumentare in modo notevole la potenza dei motori quando lo si misce­la in percentuali importanti. Venne usato a Indiana­polis in miscela di circa il 20 % col metanolo per la gara, ma in percentuali molto più elevate per i quat­tro giri di qualifica che determinano l'ordine di
par­tenza. Ovviamente si rischiava di sbiellare il moto­re, così le qualifiche per la classica "500" diventa­rono una specie di roulette: qualcuno andava giù pesante con il nitro, se il motore teneva era in una buona posizione, se non teneva, si partiva indietro. Siccome in America l'industria aerospaziale aveva nel frattempo prodotto cose nuove, qualcuno scoprì che se alla miscela di metanolo e nitrometano si aggiungeva un poco di idrazina (che è un propel­lente per missili) il motore avrebbe reso ancora di più. Era sfuggito un piccolo particolare e cioè che l'idrazina nella miscela innescava una reazione che dopo mezz'ora provocava l'esplosione del serba­toio. La prassi era dunque, preparare la miscela, affrettarsi a fare i giri di qualifica e vuotare subito dopo il serbatoio neutralizzando il contenuto. Ma finalmente le autorità sportive presero una decisio­ne drastica e cioè proibire qualsiasi additivo, così oggi si usa metanolo puro nelle gare del campiona­to americano CART.
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NONA PUNTATA
L'epoca del turbo

Si arriva così agli Anni Ottanta, l'epoca del turbo: questo piccolo accessorio ha avuto un inizio quasi in sordina. Il regolamento che ne permetteva l'im­piego risale al 1966, quando la cilindrata venne portata a 3.000 cm. cubi per i motori aspirati e alla metà per quelli sovralimentati. Tuttavia per undici anni nessuno sperimentò la sovralimentazione.
Il primo costruttore a credere in questa soluzione fu Renault, che si presentò al G.P. d'Inghilterra, il 16 luglio 1977, con una vettura dotata di motore sovra­limentato con turbocompressore, guidata da Jean Pierre Jabouille. Presto anche gli altri costruttori, Ferrari compreso, si convertirono al turbo quando l'esperienza dimostrò il potenziale del sistema. Le potenze intorno ai 500 CV, tipiche dei tre litri aspirati, vennero rapidamente superate e, prima che intervenissero nuove norme a limitare la pressione di sovralimentazione, prima a 4 bar e poi a 2,5, si arrivò a potenze di 900 CV in gara e 1.100 in qua­lifica. I carburanti che permettevano queste presta­zioni possedevano caratteristiche antidetonanti eccezionali viste le pressioni che si avevano nei cilindri per effetto della sovralimentazione. Inoltre, dato che i regolamenti del tempo limitavano la capa­cità dei serbatoi, i petrolieri studiarono miscele di idrocarburi con elevato peso specifico allo scopo di immagazzinare più energia nell'unità di volume. Non solo, ma si arrivò all'artificio di refrigerare il carburante per ridurne il volume, artificio utilizzato ancora fino al 2003 ma proibito dal 2004.
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DECIMA PUNTATA
La benzina della Formula 1

Il regolamento della Formula l prescrive che il car­burante debba contenere le stesse sostanze normal­mente presenti nella benzina commerciale, ma dato che questa può avere caratteristiche variabili, lo stesso regolamento ne stabilisce la composizione con estrema precisione. Le norme occupano diver­se pagine ma riassumiamo quelle che meglio mostrano l'aderenza alla composizione della benzi­na commerciale, a cominciare dalla densità a 15° e che deve essere compresa tra 0,720 e 0,775 kg/dm cubi e dal NO, che deve essere compreso tra 95 e 102 definito dal Research Method. È ovvio che i pro­duttori di benzina che sponsorizzano le varie squa­dre preparino miscele al limite massimo di questi dati. Apposite tabelle stabiliscono quali sono le per­centuali massime e minime dei vari idrocarburi compresi nelle quattro famiglie citate precedente­mente. Un'altra tabella elenca le sostanze permesse che sono in genere quelle che hanno un elevato NO come l'etanolo, il metanolo, l'alcol isopropilico e l'iso butilico, additivi come MTBE (Methyl Tertiary Buthyl Ether), ETBE (Ethyl Tertiary Buthyl Ether), e altri ancora. Assolutamente vietati i composti nitrati, come appunto il nitrometano, e l'aggiunta di altro ossigeno che non sia quello presente nell' aria. Su queste basi i laboratori delle industrie petrolife­re preparano le miscele che debbono essere fornite agli organizzatori della F1, i quali provvedono a farle analizzare con il gas cromatografo per garan­tire che le regole siano rispettate. Il funzionamento degli attuali motori di F1 è straordinario: a 18.000 giri al minuto corrispondono in un secondo a 150 cicli completi di aspirazione, compressione, espan­sione e scarico in ciascun cilindro. Ancor più incre­dibile ci appare che un motore pesante 100 chili pro­duca una potenza di 900 CV.
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UNDICESIMA PUNTATA
Sovralimentazione a gas
Gli appassionati americani hanno scoperto da alme­no una decina di anni un sistema semplice ed eco­nomico per sovralimentate i motori che sostituisce egregiamente il nitrometano (già chiamato dal gran­de tecnico inglese Pomeroy "equivalente filosofico del compressore") e non ne ha i difetti. Costa meno, non si deve preparare una miscela e si usa solo quando si vuole. Si tratta della sovralimentazione con ossido nitroso, un gas capa­ce di liberare ossigeno in fase di combustione e che quindi si comporta come un vero e proprio com­pressore.
Non solo, ma siccome quando è compresso a 60 bar nelle bombole con cui si utilizza diventa anche liquido, di conseguenza si raffredda violentemente quando viene riportato allo stato gassoso con un incremento di potenza dovuto al raffreddamento dell'aria aspirata valutabile in un 5%.
E questo avviene ancor prima che arrivi nei cilindri. Sui motori americani di grossa cilindrata si ottengo­no con questo sistema incrementi di potenza variabili da 125 a 250 CV.
Il dispositivo è abbastanza semplice, ma deve fun­zionare con grande precisione per evitare guai al motore. Si tratta di una flangia che si inserisce tra il corpo farfallato ed il collettore: tramite una serie di fori inietta nel condotto di aspirazione una certa quantità di gas ed una quantità di benzina aggiunti­va a quella fornita dal normale impianto di alimen­tazione, che si combinerà con l'ossigeno prodotto dal gas.
In alternativa si può agire sul sistema di controllo elettronico dell'iniezione, facendo in modo che, quando si inietta il gas, venga aumentata la portata di benzina degli iniettori.
Va detto che sistemi del genere sono utilizzabili solo per applicazioni particolari come sono infatti gli "hot-rod", le speciali macchine americane impiegate per gare di accelerazione sul quarto di miglio, mentre sono proibiti dai regolamenti sporti­vi di qualunque altra categoria. Si può considerare l'ossido nitroso come una curiosità tecnica.

DODICESIMA E ULTIMA PUNTATA
Carburanti del futuro

Spesso si parla dei carburanti alternativi o del futu­ro, sia per la possibilità di riduzione
dell'inquina­mento, sia dal punto di vista del rifornimento da fonti non tradizionali e soprattutto rinnovabili. I due problemi possono avere soluzioni comuni come nel caso dell'idrogeno di cui ci siamo già occupati su questa rivista e di cui abbiamo spiegato i problemi di utilizzazione e rifornimento.
Altro tipo di carburanti sono quelli detti ossigenati, alcoli ed eteri.
L'alcol etilico, ben noto in campo sportivo, si rica­va da molti tipi di coltivazione (barbabietole, mais e canna da zucchero). In Brasile è stata avviata anni or sono una campagna per utilizzare alcol derivato da canna da zucchero. In alcune regioni degli Stati Uniti con forti produzioni di mais viene venduta una miscela di benzina ed alcol, e l'industria automobi­listica ha prodotto un dispositivo che analizza la miscela prima che arrivi ai cilindri e regola di con­seguenza il rapporto con l'aria. In Italia c'è stata una forte spinta alla sperimentazione dell'alcol etilico ottenuto dalle barbabietole da parte del Gruppo
Fer­ruzzi che negli Anni Ottanta era uno dei grandi pro­duttori di zucchero in Europa.
L'alcol metilico è ottenibile per via chimica dal car­bone ed è anch'esso ben noto agli sportivi come già detto. Però quest'alcol è un fortissimo solvente e richiede che l'impianto del carburante sia costruito con particolari accorgimenti, comunque non ecces­sivamente complicati e costosi.
A volte si parla anche di ottenere combustibile dalla lavorazione dei rifiuti ma, a parte l'incertezza
sull’effettivo rendimento, ci si scontra col fatto che tutti vogliono il carburante per andare in macchina ma nessuno vuole l'impianto di ricic1aggio vicino a casa propria.
Occorre però trovare al più presto delle soluzioni al problema del rifornimento di carburante ad un mondo sempre più assetato di petrolio. Si pensi solo al gigante cinese che si sta industrializzando a tappe forzate anche nel settore automobilistico. Se non si troveranno carburanti alternativi in quantità tali da sopperire al bisogno, andrà a finire che torneremo a comprare la benzina dal farmacista, ma solo per smacchiare. 

Fine.