Carburanti dei motori diesel-benzina e loro proprietà

Mentre la densità della benzina è ρ = 700-800 kg/m3, varia tra ρ = 830-950 kg/m3 per il carburante diesel. Mentre il contenuto di carbonio nei carburanti alcani e naftenici è dell’86%, è di circa l’89% per gli aromatici. Oltre agli atomi di carbonio e idrogeno, zolfo, asfalto e acqua si possono trovare nella benzina e nei combustibili diesel. In particolare, lo zolfo può causare la corrosione delle parti del motore, e i prodotti della combustione dello zolfo hanno un impatto negativo sull’ambiente. L’asfalto aderisce alla valvola sulle superfici dei pistoni e causa l’usura. L’acqua causa la corrosione e riduce il valore termico del carburante. Questi sono componenti indesiderabili nel carburante. I valori termici dei combustibili liquidi sono dati come unità di energia di massa (kJ/kg o kcal/kg), mentre i valori termici dei combustibili a gas sono dati come unità di energia (kJ/l, kJ/m3 o kcal/m3). I valori termici dei combustibili sono espressi in due modi come potere calorifico inferiore e superiore. Se l’acqua nel combustibile è allo stato di vapore alla fine della misurazione, questo dà il valore termico inferiore di questo combustibile. Quando l’acqua nel combustibile si condensa alla fine della misurazione, dà il calore di evaporazione al sistema, e il valore misurato dà il potere calorifico superiore del combustibile. Di conseguenza, il vapore monofase è ottenuto nella capsula del calorimetro come risultato della misurazione del valore termico, in modo che il valore di riscaldamento inferiore sia misurato. La doppia fase (fase liquido-vapore) è ottenuta in modo da misurare il potere calorifico superiore. Quando la temperatura di una miscela aria-carburante è sufficientemente riscaldata, il carburante inizia ad accendersi da solo senza accensione esterna. Questa temperatura è indicata come la temperatura di autoaccensione (SIT) del combustibile e il tempo di ritardo per la combustione del combustibile è il ritardo di accensione (ID). I termini SIT e ID sono caratteristiche importanti dei combustibili per motori. I valori SIT e ID variano a seconda di variabili come temperatura, pressione, densità, turbolenza, rotazione, rapporto aria-carburante e presenza di gas inerti. L’autoaccensione è la regola fondamentale del processo di combustione nei motori diesel. Si desidera che il valore SIT sia alto nei motori a benzina e basso nei motori diesel. La temperatura di autoaccensione della benzina è di 550°C e temperature più alte.

A seconda del tipo di motore a benzina o diesel, le proprietà desiderate dei combustibili variano. Le proprietà più importanti dei carburanti a benzina sono proprietà come la volatilità e la resistenza all’abbattimento, mentre ai carburanti diesel sono richieste proprietà importanti come la viscosità, la tensione superficiale e la tendenza all’accensione. Nei carburanti a benzina, la volatilità e la resistenza all’urto sono uno dei parametri più importanti che influenzano le prestazioni del motore. La volatilità del carburante a benzina influenza il tasso e la quantità di evaporazione del carburante nel canale di aspirazione e nel cilindro. La bassa volatilità del carburante influenza la formazione di una sufficiente miscela aria-carburante, ma quando è molto volatile, può impedire il flusso di carburante creando bolle di vapore nel canale di aspirazione con l’aumento della temperatura locale. Quando il fronte di fiamma avanza durante la combustione, con l’aumento della temperatura e della pressione all’interno del cilindro, comprime la miscela aria-combustibile che il fronte di fiamma non può ancora raggiungere. Così, il combustibile può costituire un altro fronte di combustione a causa del combustibile che raggiunge spontaneamente la temperatura di accensione per calore e radiazione. Le velocità di combustione dei fronti di fiamma in questi diversi punti possono essere di 300-350 m/s, e le pressioni dei cilindri possono arrivare fino a 9-12 MPa. A questi alti valori di velocità e pressione, i fronti di fiamma sono smorzati dall’urto tra loro o contro le pareti della camera di combustione. Questi smorzamenti non solo causano una perdita di energia, ma aumentano anche la conduzione locale del calore. Come risultato di questa situazione, le prestazioni del motore diminuiscono. Questo fenomeno è chiamato knock nei motori a benzina ed è una situazione indesiderabile. La struttura chimica del carburante ha un effetto considerevole sulla temperatura di autoaccensione. Il numero di ottano (ON) è definito come la proprietà del combustibile alla resistenza all’urto o quanto bene il combustibile stesso si accende. Il numero di ottano è inversamente proporzionale alla lunghezza della catena delle molecole del carburante. Più corta è la lunghezza della catena molecolare dei combustibili, più alto è il numero di ottano. Tuttavia, il numero di ottano è direttamente proporzionale alla componente ramificata della catena laterale. Più alta è la ramificazione nella catena molecolare, più alto è il numero di ottano del carburante. In altre parole, provoca una maggiore resistenza all’urto dei carburanti. In generale, aumentando il numero di atomi di carbonio nella composizione del carburante si ha una maggiore resistenza all’urto. Tuttavia, i numeri di ottano delle molecole cicliche, nafteni, alcoli e aromatici sono alti. Per scalare il numero di ottano della benzina, si prendono due punti di riferimento che rappresentano i punti 0-100. Il numero di ottano dell’eptano normale (C7H16) è assunto pari a 0, mentre il numero di ottano dell’isoottano (C8H18) è considerato pari a 100. La ragione di questi due carburanti come punto di riferimento è che entrambi i composti del carburante hanno quasi gli stessi valori di volatilità e punto di ebollizione. La ragione come punto di riferimento di questi due combustibili è che entrambi i composti del combustibile hanno quasi gli stessi valori di volatilità e punto di ebollizione. Sono disponibili anche carburanti come alcoli e benzene con un numero di ottano superiore al numero di ottano massimo di questa misura. Nei motori a benzina, gli additivi sono usati per aumentare la resistenza al battito del carburante per prevenire il battito. I due metodi più comunemente usati per determinare il numero di ottano dei carburanti sono il metodo del motore e il metodo della ricerca. I numeri di ottano determinati da questi metodi danno i valori di numero di ottano motore (MON) e numero di ottano di ricerca (RON), rispettivamente. La tabella 2 fornisce le condizioni di prova per determinare il numero di ottano del carburante.

Siccome la temperatura dell’aria in entrata del metodo MON è più alta del metodo RON, la temperatura di post-combustione raggiunge valori più alti. Pertanto, il carburante si accende spontaneamente e bussa. Pertanto, il numero di ottano ottenuto con il metodo MON è inferiore al numero di ottano ottenuto con il metodo RON perché nel metodo MON si opera a rapporti di compressione inferiori. La differenza di valore tra questi due metodi di determinazione del numero di ottano è chiamata sensibilità del carburante (FS). Quando il numero di sensibilità del carburante è compreso tra 0 e 10, si afferma che la caratteristica di battuta del carburante non dipende dalla geometria del motore, e se è superiore a questi valori, la caratteristica di battuta del carburante è fortemente dipendente dalla geometria della camera di combustione del motore. YD è calcolato come in Eq. (3):

La geometria della camera di combustione, la turbolenza, la temperatura e i gas inerti sono i parametri che influenzano il numero di ottano. Il numero di ottano dipende fortemente dalla velocità della fiamma in una carica di aria-carburante. Quando la velocità della fiamma aumenta, la miscela aria-carburante sopra la temperatura di accensione spontanea brucia immediatamente durante il ritardo di accensione. Quindi, c’è una correlazione diretta tra la velocità della fiamma e il numero di ottano, poiché la velocità della fiamma permetterà al carburante di esaurirsi senza bussare. Gli alcoli hanno alte velocità di fiamma, quindi i loro numeri di ottano sono alti. Il periodo di ID non dipende dalle proprietà fisiche del carburante come la densità e la viscosità in un motore caldo a regime. Dipende fortemente dai componenti della chimica del carburante. Pertanto, additivi come alcoli o composti organici di manganese vengono aggiunti per aumentare il numero di ottano del carburante. È possibile lavorare a rapporti di compressione più alti aumentando il numero di ottano dei combustibili. Così, un alto rapporto di compressione aumenta la potenza del motore e fornisce un risparmio di carburante.

I carburanti diesel sono divisi in due categorie principali come diesel leggero e diesel pesante. La formula chimica del diesel leggero è approssimativamente C12.3H22.2, mentre il diesel pesante è considerato C14.06H24.8. I pesi molari dei diesel leggeri e pesanti sono circa 170 e 200 g/mol, rispettivamente. La viscosità, la tensione superficiale e la tendenza all’accensione del carburante sono importanti parametri di proprietà del carburante nei combustibili diesel. Il diesel leggero ha una viscosità inferiore e richiede meno lavoro di pompaggio. Poiché la bassa viscosità riduce anche la tensione superficiale del carburante, il carburante ha un diametro delle gocce più piccolo durante la spruzzatura. A differenza dei motori a benzina, nei motori diesel è desiderabile avere un’alta tendenza all’accensione, poiché la combustione nei motori diesel si basa sulla combustione spontanea della miscela aria-carburante. A questo punto, il numero di cetano, che è una misura della capacità di accensione del carburante, emerge come caratteristica del carburante. In altre parole, è una quantità che quantifica il ritardo di accensione. L’esadecano (C16H34), un carburante a catena dritta del gruppo degli alcani, è considerato il punto di riferimento più alto del numero di cetano, che è la misura della tendenza all’accensione. L’altro punto di riferimento è il numero di cetano 15 come heptamethylnonane (HMN) C12H34, o il punto di riferimento più basso è stato accettato zero come il valore del numero di cetano del carburante alfa-metil naftalene C11H10. Prima di tutto, il carburante con valore di cetano sconosciuto viene fatto funzionare nel motore a rapporto di compressione regolabile. Poi, il test del motore viene effettuato fino al tasso di compressione al quale inizia il primo colpo per determinare il rapporto di compressione del carburante. Poi, la miscela di questi due carburanti di riferimento in vari rapporti viene testata al rapporto di compressione specificato, e i carburanti di riferimento vengono mescolati fino all’inizio della bussata. La percentuale di esadecano al momento dell’urto, nella miscela di carburante eptametilnonano o alfa-metil naftalene, ci dà il numero di cetano del carburante misurato. Diverse equazioni empiriche sono state sviluppate utilizzando le proprietà fisiche del combustibile poiché le prove sui motori sono molto laboriose e costose per determinare il numero di cetano. Questi metodi, che misurano la propensione del carburante ad accendersi, sono chiamati indice di cetano, punto di anilina o indice diesel. L’anilina è un composto aromatico che si mescola molto facilmente con i composti del suo gruppo anche a basse temperature, mentre è più difficile formare miscele con gli alcani (paraffine). Pertanto, l’esadecano (C16H34), che è un gruppo alcano e ha un’alta tendenza all’accensione, ha una temperatura di miscelazione elevata con l’anilina. La miscela del carburante campione con la stessa quantità di anilina viene riscaldata per trovare l’indice di diesel. Poi, tutta l’anilina viene sciolta nel carburante. Dopo di che la miscela viene raffreddata per permettere all’anilina di separarsi dal carburante. Questa temperatura, dove l’anilina è separata dal carburante, è chiamata punto di anilina. L’indice diesel è calcolato con il punto di anilina e il grado API specificato nell’Eq. (4):

Più alto è il valore dell’indice diesel, il carburante è più alcano (in struttura paraffinica), e ha una maggiore tendenza all’accensione. L’aumento della volatilità nei combustibili diesel causa l’accelerazione dell’evaporazione del combustibile e la diminuzione della viscosità. Questo è generalmente indesiderabile poiché il carburante causa una riduzione del numero di cetano.

Alcuni carburanti comunemente usati nei motori sono presentati nella tabella 3. Alcune delle proprietà importanti dei carburanti come le formule chiuse, il peso molare, il potere calorifico inferiore e superiore, i rapporti stechiometrici aria/combustibile e carburante/aria, la temperatura di evaporazione, il numero di ottano motore (MON), il numero di ottano ricerca (RON) e il numero di cetano sono dati.