Prima di procedere a un confronto tra le due tipologie di miscele è necessario fissare per bene dei concetti fondamentali.
Il rapporto di dosatura Δ è il rapporto tra la quantità di aria e quella di combustibile che compongono una miscela:
Ad esempio una miscela con un rapporto di dosatura pari a 17 sarà costituita da 17 g di aria per ogni grammo di combustibile. Tra tutti i possibili rapporti poi, ne esiste uno speciale detto stechiometrico per cui tutto l’ossigeno e il combustibile presenti vengono completamente bruciati senza che vi siano residui dell’uno o dell’altro. Per la benzina il rapporto stechiometrico è pari a 14,7, mentre il Diesel si ferma a 14.
Questo significa che 14,7 g di aria reagiranno completamente con 1 grammo di benzina, mentre per bruciare in maniera ottimale 1 g di Diesel serviranno 14 g di aria. Se ci spostiamo da questi valori ottimali si otterranno delle miscele grasse o magre.
In particolare una miscela si dice magra se presenta un eccesso di aria, ovvero
mentre una miscela viene definita grassa se è presente un’eccedenza di combustibile per cui
Con queste definizioni in mente possiamo ora confrontare le due tipologie di miscele.
PRESTAZIONI
Come si nota dal grafico sopra, se si adotta una miscela leggermente grassa (1,1) si ha una temperatura a fine combustione più elevata perché la maggior quantità di carburante presente nel cilindro causa una combustione più violenta ed energica.
L’effetto di questo innalzamento della temperatura è quello di aumentare la pressione a fine combustione e in definitiva anche la pressione media presente nel cilindro, come è visibile nella seconda immagine.
La pressione media è a sua volta collegata direttamente alla potenza sprigionata da un motore: più la pressione è elevata e maggiori saranno i CV del propulsore. Consideriamo ad esempio un motore a benzina caratterizzato da un rapporto di compressione pari a rv=10 e immaginiamo di alimentarlo prima con una miscela magra allo 0,9 e poi una con una miscela grassa all’1,1.
Per quanto riguarda le temperature raggiunte in camera in combustione, indicativamente i gas si scaldano fino a 2450°C quando il motore è alimentato con miscela magra, mentre possiamo aspettarci picchi fino a 2600°C quando si brucia miscela grassa. Questa differenza fa sì che la pressione media all’interno del cilindro passi da 16 a 17 bar, aumentando di conseguenza anche i CV. Il risultato finale è che lo stesso motore può produrre fino a un 15-20% di potenza in più quando viene alimentato con una miscela grassa piuttosto che una magra, mica male vero?
(I valori appena riportarti ovviamente non si riferiscono ad alcun motore in particolare ma sono solo indicativi per avere un’idea della grandezze in gioco.)
CONSUMI
Per quanto riguarda i consumi la questione si ribalta ed è una miscela magra a prevalere. Come si vede nel grafico sotto, più la miscela è grassa e più le curve del rendimento limite tendono ad abbassarsi, peggiorando così i consumi globali.
Perché succede questo? Perché con una miscela magra i consumi si abbassano?
Ci sono due motivi principali.
Per prima cosa una miscela magra, come già visto sopra, raggiunge temperature più basse e perciò si hanno calori specifici più bassi. Per chi non lo sapesse per calore specifico si intende la quantità di calore che deve essere ceduta ad una certa quantità di una sostanza per innalzarla di un grado. Bene sperimentalmente si osserva che più la temperatura è alta e più i calori specifici aumentano.
Questo è uno svantaggio per quanto riguarda il rendimento perché più aumenta la temperatura e più si fa fatica a scaldare ulteriormente la miscela. Serve quindi più energia che si sottrae così a quella disponibile per il motore.
Vi è poi un secondo fenomeno chiamato dissociazione molecolare che alle alte temperature sottrae energia utile al funzionamento del motore.
Ad esempio si ha la reazione CO2 + calore —> C + O2 in cui l’anidride carbonica si dissocia in carbonio e ossigeno.
La rottura del legame dell’anidride carbonica però ha assorbito del calore che ora non è più disponibile per innalzare la temperatura e quindi la pressione. Questi due fenomeni fanno sì che sia debba spendere sempre più energia per aumentare di poco temperature, pressioni e potenze e di conseguenza il rendimento complessivo ne risente.
Per capirci meglio, è come se una miscela magra mi consentisse di spendere 100, mentre una grassa mi mettesse a disposizione 200.
Con i 100 della magra posso innalzare di 500 gradi la temperatura, mentre con i 200 della grassa posso innalzare la temperatura di soli 900 gradi e non di 1000 come ci si aspetterebbe. Quei 100 gradi se li “mangiano” i calori specifici e la dissociazione molecolare. È quindi evidente come la miscela magra offra un “affare” migliore, si ha cioè un operazione dal rendimento più elevato.
