Fondamenti di macchine e motori - parte 2

Inquinanti gassosi

Reazione chimica generica e simbolica di ossidazione di un idrocarburo: i carburanti dei motori sono miscele di idrocarburi e contengono variabili di idrogeno e carbonio.

C_xH_g + (x + y / 4) O₂ + 3.796 N₂ → x CO₂ + y / 2 H₂O + (...) N₂

Non è detto che la reazione avvenga secondo questa reazione stechiometrica: possono venire con onde minori e quindi possiamo anche avere CO, monossido di carbonio.

HC simbolo generico per idrocarburi incombusti, ovvero carburante che non è stato bruciato o è stato bruciato in modo incompleto.

NO_x comprende sia monossido di azoto NO che biossido di azoto NO₂; questi ossidi di azoto sono dovuti alla presenza di azoto nell’aria.

È stato riportato che la produzione di NO_x è facilitata dalle alte T.

Inquinanti gassosi

Reazione chimica generale e simbolica di ossidazione di un idrocarburo: i carburanti dei motori sono miscele di idrocarburi e contengono quantità variabili di idrogeno e carbonio.

C_xH_g + (x+y/4)(O₂ + 3.76 N₂) → x CO₂ + y/2 H₂O + (…) N₂

Non è detto che la reazione avvenga secondo questa reazione stechiometrica: possono generare con ordine minore e quindi possiamo anche avere:

• CO monossido di carbonio.
• HC simbolo generico per idrocarburi incombusti, ovvero carburante che non è stato bruciato o è stato bruciato in modo incompleto.
• NO_x comprende sia monossido di azoto NO che biossido di azoto NO₂; questi ossidi di azoto sono dovuti alla presenza di azoto nell'aria.

È stato scoperto che la produzione di NO_x è facilitata dalle alte T.

↑↑ β → ↑↑ T → + calore nella combustione → ↓ NO_x; per la termodinamica però bisogna bruciare alla T più alta possibile perché maggiore è la T_media, detta cui io fornisco calore, e migliore sarà il rendimento termodinamico di conversione del calore in lavoro.

→ η_th → η_tot → ↓ C_s.

Per ridurre gli NO_x → fondamentale abbassare la T_max di combustione.

Nota

CO, HC, NO_x → in tutti i motori e li abbiamo.

Particolato Soot → inquinante legato all'iniezione diretta di alta p → presente nel diesel e GDi → si riduce tramite filtraggio.

CO₂ e limitazioni della CO₂

La commissione europea ha limitato a 95 g/km il limite massimo di CO₂ emittibile da un veicolo.

Quando la combustione va bene si produce acqua + CO₂ + energia, dove CO₂ non è un inquinante ma contribuisce all'effetto serra.

Per ridurre CO₂ consumare meno → downsizing del motore.

Combustibile senza carbonio → idrogeno.

Downsizing → riduzione della cilindrata senza perdere coppia e prestazioni.

P_eff = p_me V n / C/2.

Per ridurre V e tenere costante P_eff:

• Aumento n ⇒ aumento sollecitazioni, forze centrifughe, ... scelta sbagliata.
• Aumento p_me ⇒ devo aumentare p_mi e per fare ciò i motori vengono sovralimentati ✔

Da cosa dipendono e da cosa sono influenzati questi inquinanti?

Monossido di carbonio CO

È un inquinante che nasce quando l'atomo di carbonio non trova tutte le molecole di ossigeno per ossidarsi completamente a CO₂ (C + O₂ → CO₂).

Il carbonio trovando meno ossigeno, concentrazione di ossigeno tipica delle miscele grasse λ < 1, invece di legarsi con una molecola di ossigeno, ne trova solo metà: C + 1/2 O₂ → CO.

Il diesel non ha questi problemi perché funziona a miscela più magra.

La formazione di CO può essere favorita dalle alte T e possono succedere due casi:

• Riossidazione → prima della conclusione della combustione lo CO si potrebbe ricombinare completando così l'ossidazione.
• CO + OH → CO₂ + H.
• Dissociazione → reazione inversa che può avvenire in fase di espansione quando le T calano.
• CO₂ + H → CO + OH.

La formazione di CO dipende dalla presenza di ossigeno e dalla T in camera.

CO = ƒ (λ, T).

Ossidi di azoto NO_x

La loro formazione è facilitata da alte T.

Dosatura / presenza di ossigeno → alti NO_x con miscela magra (λ > 1).

NO_x = ƒ (T_max, O).

Note: il 98% di NO.