La Combustione e la Emissione dei Motori

LA COMBUSTIONE E LE EMISSIONI DEI MOTORI - Idealmente la combustione (combinazione con l’ossigeno, O2) dei prodotti petroliferi (miscele d’idrocarburi, HC) produce soltanto acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2).
In condizioni reali il processo di combustione nei motori è condotto con l’aria, dove è presente l’azoto (N2); non va a compimento per la combinazione di specifici fenomeni chimici e fisici e per il verificarsi di reazioni secondarie; genera diverse sostanze indesiderate: fra le principali troviamo l’ossido di carbonio (CO), gli idrocarburi incombusti, gli ossidi di azoto (NOx), l’anidride solforosa (SO2) e il particolato (PM10 e PM2,5).
L’ossido di carbonio è frutto della parziale ossidazione del carbonio (C); il particolato e gli idrocarburi derivano dalla mancata combustione di parte dei reagenti; gli ossidi di azoto si formano per effetto delle alte temperature raggiunte nel cilindro alla presenza di aria mentre la SO2 dipende direttamente dal contenuto di zolfo del combustibile.
Affinché la combustione si svolga in condizioni ottimali, è necessario che il motore funzioni con un giusto rapporto stechiometrico.
Il rapporto stechiometrico indica quanta aria è necessaria perché la combustione si completi: nella teoria il rapporto aria/combustibile è una costante numerica distinta per benzina e gasolio.
Nel ciclo reale di funzionamento tale rapporto varia poco per i motori a benzina, mentre è molto superiore al valore teorico per i motori diesel (la combustione avviene in eccesso d’aria).
Ciò premesso, ricordiamo quali sono i principali effetti sulla salute umana delle sostanze sprigionate dallo scarico dei motori.
Le particelle carboniose diffuse dai motori diesel, di dimensioni micro e numerosità elevatissima, contribuiscono integralmente al particolato presente in atmosfera: alla luce dei risultati convergenti di numerosi studi epidemiologici, il particolato è responsabile di gravi alterazioni della salute e specialmente delle patologie cardiovascolari di natura cronica o acuta.
Gli ossidi di azoto sono precursori dell’ozono: a ridosso della prima immissione in atmosfera contribuiscono all’inquinamento fotochimico; di seguito, per effetto delle reazioni di ossidazione, si trasformano in acido nitrico e nitrati, contribuendo ai fenomeni di acidificazione dell’ambiente e alla produzione di particolato secondario.
La SO2 contribuisce alle piogge acide e può provocare patologie dell’apparato respiratorio.
La CO2, insieme con altri gas, è responsabile dell’effetto serra: va evidenziato, però, che se riduciamo i consumi di combustibile otteniamo anche minori emissioni di CO2.
Il motore Diesel è intrinsecamente più efficiente di quello alimentato a benzina: al migliore rendimento del ciclo termodinamico consegue una minore quantità di CO2 prodotta e immessa in atmosfera, a parità delle altre condizioni di funzionamento del motore. Inoltre l’impiego del gasolio come combustibile, al posto della benzina, comporta valori molto bassi delle emissioni di HC, NOx, CO.
In pratica questo motore, in ragione della sua maggiore efficienza e dell’eccesso d’aria in cui si svolge la combustione, si comporta come un virtuale motore a benzina, dotato di marmitta catalitica a tre vie e sonda lambda regolatrice del rapporto aria/combustibile.
Tuttavia la combustione del gasolio nei motori Diesel produce- fermi gli altri parametri di processo maggiori quantità di particolato, peraltro affetto da un rapporto di trade off con gli NOx.

Giuseppe Tortora

Ingegnere chimico, coordinamento scientifico Fair

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