Combustione, carburanti, lubrificanti

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1 Materiali Obiettivi (1/2) Questa unità ha l obiettivo di insegnare agli allievi gli aspetti di base dei processi di combustione e di illustrare le proprietà tecnologiche di impiego dei combustibili solidi, liquidi e gassosi. Particolare attenzione sarà riservata ai combustibili carburanti, sia tradizionali (benzina e gasolio) sia innovativi (GPL, metano, idrogeno, biocarburanti) e ai connessi problemi di contenimento degli inquinanti (marmitte catalitiche e trappole per particolato) Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi (2/2) Attraverso questa unità gli allievi apprendono anche a valutare le caratteristiche e le possibilità di impiego dei lubrificanti liquidi per impieghi autoveicolistici e industriali, dei grassi e dei lubrificanti solidi. Per questa unità è disponibile un testo web. 3 Combustione, carburanti e lubrificanti Richiami di termochimica La combustione I combustibili Carburanti e inquinamento Lubrificanti Politecnico di Torino 2

3 Combustione, carburanti e lubrificanti Richiami di termochimica Reazioni endotermiche ed esotermiche ed entalpia di reazione Fattori influenti sull entalpia di reazione Politecnico di Torino 3

4 Richiami di termochimica Reazioni esotermiche Reazioni esotermiche: avvengono con sviluppo di calore. Sono esotermiche tutte le reazioni di combustione Politecnico di Torino 4

5 Reazioni endotermiche Reazioni endotermiche: avvengono con assorbimento di calore. Sono endotermiche tutte le reazioni di decomposizione termica, ad esempio la decomposizione termica ad alta temperatura dell acqua in idrogeno e ossigeno. 9 Entalpia di reazione (1/2) Entalpia di reazione: indica qual è la quantità di calore svolta o assorbita nel corso di una reazione chimica. Viene indicata con il simbolo H Politecnico di Torino 5

6 Entalpia di reazione (2/2) Le reazioni esotermiche hanno un valore di H negativo a significare che il sistema, a seguito della reazione, ha visto impoverire la propria energia interna di una quantità pari al calore sviluppato. Le reazioni endotermiche hanno un valore di H positivo a significare che il sistema, a seguito della reazione, ha visto aumentare la propria energia interna di una quantità pari al calore assorbito. 11 Esempi (1/3) Ad esempio la scritta C + O 2 CO 2 ; H = 393,3 kj indica che nella combustione di 1 grammo atomo di C, ovvero di 12 g di C, si sono sviluppati 393,3 kj Politecnico di Torino 6

7 Esempi (2/3) Ad esempio la scritta CO +½ O 2 CO 2 ; H = 282,8 kj indica che nella combustione di una mole di CO gassoso, ovvero di 22,4 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0 C e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 282,8 kj. 13 Esempi (3/3) Ad esempio la scritta H 2 O(vap) H 2 + ½ O 2 ; H = 241,8 kj indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore, ovvero di 18 g di vapor d acqua, vengono assorbiti 241,8 kj Politecnico di Torino 7

8 Richiami di termochimica Fattori influenti sulla entalpia di reazione L entalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri: Temperatura Condizioni nelle quali decorre la reazione Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Politecnico di Torino 8

9 Temperatura La temperatura; l influenza è modesta e non se ne terrà conto in seguito. Usualmente si considerano le entalpie a 25 C, che vengono denominate entalpie standard. 17 Condizioni nelle quali decorre la reazione Le condizioni nelle quali decorre la reazione: a pressione o a volume costante (questo fattore è influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose). Anche in questo caso la differenza non è rilevante e non se ne terrà conto Politecnico di Torino 9

10 Stato fisico dei componenti Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione. Ciò vale, in particolare, quando una delle sostanze è l acqua, che può trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore. 19 Entalpia di reazione Per ogni mole di acqua, ovvero per ogni 18 g di acqua, occorre fornire 44 kj per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e, inversamente, si ricavano 44 kj quando una mole di vapore d acqua viene condensata allo stato liquido Politecnico di Torino 10

11 Combustione, carburanti e lubrificanti La combustione Concetti di base Potere calorifico Aria teorica di combustione Fumi: volume e composizione Temperatura teorica di combustione Perdita al camino Temperatura di accensione Limiti di infiammabilità Potenziale termico Altri parametri caratterizzanti Politecnico di Torino 11

12 La combustione Definizioni La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente, di solito l ossigeno dell aria. Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO 2 ; tutto l H in H 2 O; tutto l N in N 2 e tutto lo S in SO Politecnico di Torino 12

13 Combustibili Un combustibile di interesse pratico deve: Essere facile da estrarre e da elaborare Bruciare velocemente Non dare origine a sostanze velenose Essere di costo relativamente contenuto 25 Combustibili: parametri caratterizzanti(1/2) I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e l impiego dei combustibili sono: Il potere calorifico L aria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni Il volume e la composizione dei fumi La temperatura teorica e non di combustione Politecnico di Torino 13

14 Combustibili: parametri caratterizzanti (2/2) La temperatura di accensione I limiti di infiammabilità Il potenziale termico Altri parametri che verranno solo elencati 27 La combustione 2005 Politecnico di Torino 14

15 Potere calorifico E la quantità di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso. Esso viene quindi espresso in kj/kg per i combustibili liquidi e solidi e in kj/nm 3 per quelli gassosi. I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione. 29 Esempi (1/2) Il carbonio solido ha peso atomico 12 e l entalpia della reazione C + O 2 CO 2 vale 393,3 kj. Il potere calorifico si ricava dalla proporzione 12 : 393,3 = 1000 : x; x = kj/kg Politecnico di Torino 15

16 Esempi (2/2) Una mole del CO gassoso occupa, a condizioni normali, 22,4 litri; l entalpia della reazione CO + ½O 2 CO 2 vale 282,8 kj ; Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione 22,4 : 282,8 = 1000 : x; x = kj/nm 3 31 Potere calorifico superiore e inferiore (1/2) Se nella reazione di combustione è presente acqua occorre distinguere tra: Potere calorifico inferiore, Q i, quando l acqua è allo stato di vapore Potere calorifico superiore, Q s, quando l acqua è allo stato liquido Politecnico di Torino 16

17 Potere calorifico superiore e inferiore (2/2) Tra i due poteri caloriferi esiste la relazione Q s = Q i + n dove n è la quantità, espressa in Kg, di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido è il numero (arrotondato per eccesso) di kj necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua, ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor d acqua. 33 Esempio Ad esempio nella combustione dell idrogeno si ha: H 2 + ½ O 2 H 2 O (liquido); H = 286,83 kj 22,4 : 286,83 = 1000 : x; x = kj/nm 3 = Q s H 2 + ½ O 2 H 2 O (vapore); 22,4 : 241,8 = 1000 : x; H = 241,8 kj x = kj/nm 3 = Q i Politecnico di Torino 17

18 La combustione Aria teorica di combustione L aria teorica di combustione è il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile Politecnico di Torino 18

19 Composizione dell aria Composizione dell aria: l aria è un miscuglio gassoso costituito per il 78% in volume da azoto, per il 21% da ossigeno e per 1% da gas rari che si possono inglobare nell azoto. Il rapporto 79/21 vale circa 3,8; 1 Nm 3 di O 2 ècioè accompagnato da 3,8 Nm 3 di N 2 e fa parte di 1 + 3,8 = 4,8 Nm 3 di aria. 37 Esempio (1/2) Ad esempio 1 Nm 3 del gas metano CH 4 che brucia secondo la reazione CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O consuma 2 Nm 3 di O 2 e quindi 2 4,8 = 9,6 Nm 3 di aria Politecnico di Torino 19

20 Esempio (2/2) Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH 3 CH 2 OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione CH 3 CH 2 OH + 3O 2 2 CO H 2 O consuma il quantitativo d aria che si ricava dalla proporzione: 46 : 3 22,4 4,8 = 1000 : x; x = litri = 7,012 Nm 3 39 La combustione 2005 Politecnico di Torino 20

21 Fumi anidri I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione, con esclusione delle eventuali particelle solide sospese. I fumi ottenuti condensando l acqua vengono chiamati fumi anidri. 41 Volume dei fumi Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che l azoto che accompagna l ossigeno passa tutto nei fumi Politecnico di Torino 21

22 Esempio (1/3) Ad esempio 1 Nm 3 del gas metano CH 4, che brucia secondo la reazione CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Produce 1 Nm 3 di CO 2 e 2 Nm 3 di H 2 O; i 2 Nm 3 di O 2 sono accompagnati da 2 3,8 = 7,6 Nm 3 di N 2 In totale si sono formati 10,6 ( ,6)Nm 3 di fumi. 43 Esempio (2/3) Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH 3 CH 2 OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione: CH 3 CH 2 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O Produce i seguenti gas: CO 2 ) 46 : 2 22,4 = 1000 : x; x = 973,8 litri = 0,9738 Nm 3 H 2 O) 46 : 3 22,4 = 1000 : x; x = 1460,9 litri = 1,4609 Nm 3 N 2 ) 46 : 3 22,4 3,8 = 1000 : x; x = 5551,3 litri = 5, 5513 Nm 3 In totale si sono formati 7,9861 (0, , ,5513) Nm Politecnico di Torino 22

23 Composizione percentuale La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi. 45 Esempio (1/2) Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con l aria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH 4 si ricava nel seguente modo: CO 2 = 1/10,6 100 = 9,43% H 2 O = 2/10,6 100 = 18,87% N 2 = 7,6/ 10,6 100 = 71,70% Politecnico di Torino 23

24 Esempio (2/2) Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con l aria teorica 1Kg alcol etilico CH 3 CH 2 OH si ricava nel seguente modo: CO 2 ) 0,9738/7, = 12,19%; H 2 O) 1,4609/7, = 18,29%; N 2 ) 5,5513/7, = 69,52%. 47 La combustione 2005 Politecnico di Torino 24

25 Temperatura teorica di combustione E la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con l aria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi. 49 Calore sensibile Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantità di calore, in kj, necessaria per portare 1 Nm 3 di tale gas alla temperatura scelta. I calori sensibili dei più comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kj/nm 3 ) Politecnico di Torino 25

26 I calori sensibili dei gas 51 Calcolo della temperatura teorica di combustione Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm 3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando, per via grafica o con il calcolo, qual è la temperatura raggiungibile con i kj corrispondenti a Q i Politecnico di Torino 26

27 Esempio(1/4) Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40% in volume da CO e per il 60% da N 2, che ha un potere calorifico di kj/nm 3, il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm 3, secondo la reazione CO + ½ O 2 CO 2, è dato da 0,4 Nm 3 di CO 2 e da 0,2 3,8 + 0,6 (dal combustibile) = 1,36 Nm 3 di N Esempio(2/4) Dalla tabella dei calori sensibili si ha: Per riscaldare a 1700 C 1 Nm 3 di CO 2 o di N 2 occorrono o kj Per riscaldare a 1800 C 1 Nm 3 di CO 2 o di N 2 occorrono o kj Per riscaldare i fumi a 1700 C: 0, , = kj Per riscaldare i fumi a 1800 C: 0, , = kj Politecnico di Torino 27

28 Esempio(3/4) La soluzione può essere trovata per via grafica nell ipotesi che nel ristretto intervallo termico fra e C vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kj (in ordinata). Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata è di circa 1716 C. 55 Esempio(4/4) Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100 ( ) corrisponde una differenza di = 329 kj e che la differenza tra e vale 53 kj i gradi da aggiungere a 1700 C si ricavano dalla proporzione 329 : 100 = 53 : x; x = 16,1 ovvero la temperatura cercata è ,1 = 1716,1 C Politecnico di Torino 28

29 Combustione con eccesso d aria La temperatura di combustione è più bassa se la combustione avviene con un eccesso d aria in quanto il calore disponibile è lo stesso, ma la quantità di gas da riscaldare è maggiore poichè comprende anche l aria in eccesso. 57 Combustione con ossigeno La temperatura di combustione è più alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile è lo stesso, ma il volume dei fumi è minore non comprendendo l azoto presente nell aria Politecnico di Torino 29

30 Combustione con preriscaldamento La temperatura di combustione è più alta se il combustibile e/o il comburente vengono preriscaldati in quanto, a parità di volume dei fumi, sono ora disponibili, in aggiunta, i kj apportati con il preriscaldamento. 59 Rendimento termico della combustione Nella pratica non è possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi; la temperatura raggiunta sarà pertanto inferiore a quella teorica. Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione Politecnico di Torino 30

31 La combustione Perdita al camino E la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nell atmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente. Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita Politecnico di Torino 31

32 La combustione Temperatura di accensione E la temperatura minima cui deve essere portata, almeno in un suo punto, la miscela combustibile - comburente affinché la reazione di combustione possa innescarsi. Essa vale, ad esempio, 572 C per H 2 ; 632 C per CH 4 e C per la benzina Politecnico di Torino 32

33 La combustione Limiti di infiammabilità Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non è né troppo poco né troppo abbondante. I limiti di infiammabilità indicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con l aria che delimitano le condizioni di infiammabilità. Ad esempio l idrogeno si può infiammare quando è presente dal 4 al 75%; il metano CH 4 dal 5 al 15 % Politecnico di Torino 33

34 La combustione Potenziale termico (1/2) E un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantità di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm 3 di miscela tra combustibile, gassoso o vaporizzato, e aria teorica di combustione. La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico Politecnico di Torino 34

35 Potenziale termico (2/2) Il potenziale termico (P t ) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione P t = Q i / V at + 1 dove V at è il volume dell aria teorica. 69 Esempio (1/3) Ad esempio per il gas metano CH 4 che brucia secondo la reazione CH 4 + 2O 2 CO H 2 O e ha un Q i pari a kj/nm 3, il V at vale 2 4,8 = 9,6 Nm 3 e P t = / 9,6 + 1 = kj/nm Politecnico di Torino 35

36 Esempio (2/3) Ad esempio per l ottano liquido C 8 H 18 (peso molecolare = 114), che brucia secondo la reazione C 8 H /2 O 2 8 CO H 2 O e ha un Q i pari a kj/kg, il P t si ricava dalla P t = Q i + Q v / Vat + V c dove Q v è il calore di vaporizzazione che vale 420 kj/kg e V c è il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato. 71 Esempio (3/3) Vat) 114 : 25/2 4,8 22,4 = 1000 : x; x = litri = 11,79 Nm 3 V c ) 114 : 22,4 = 1000 : x; x = 196 litri = 0,196 Nm 3 P t = / 11,79 + 0,196 = / 11,986 = kj/nm Politecnico di Torino 36

37 La combustione Ulteriori parametri di combustione (1/4) Per i combustibili solidi è spesso utile conoscere: La percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco La percentuale di ceneri incombustibili La porosità La resistenza a compressione La percentuale di umidità e, molto importante, la percentuale di zolfo Politecnico di Torino 37

38 Ulteriori parametri di combustione (2/4) Per i combustibili liquidi è spesso utile conoscere: Il comportamento reologico a basse temperature Il punto o la temperatura di intorbidamento Il punto o la temperatura di congelamento 75 Ulteriori parametri di combustione (3/4) Per i combustibili liquidi carburanti è anche importante conoscere: La volatilità, in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T) Politecnico di Torino 38

39 Ulteriori parametri di combustione (4/4) La tensione di vapore Le percentuali di zolfo, acqua, benzene, idrocarburi aromatici Il numero di ottano Il numero di cetano Il punto di anilina 77 Combustione, carburanti e lubrificanti 2005 Politecnico di Torino 39

40 I combustibili Combustibili solidi Combustibili liquidi Potere antidetonante delle benzine Cherosene Gasolio per motori Diesel Gas di petrolio liquefatto Metano Idrogeno 79 I combustibili 2005 Politecnico di Torino 40

41 Classificazione dei combustibili I combustibili possono essere classificati in: Combustibili naturali e combustibili artificiali Combustibili solidi, liquidi o gassosi 81 Combustibili solidi naturali I combustibili solidi naturali (o carboni) derivano dalla carbonizzazione del legno e di altre sostanze vegetali (e talvolta animali) che si sono trasformati nel tempo in: Torba Lignite Litantrace (il più importante, con Q i pari circa a kj/kg) Antracite Politecnico di Torino 41

42 Disponibilità Vi è un ampia disponibilità di combustibili solidi e le riserve mondiali già accertate sono superiori a tonnellate. La loro utilizzazione è in aumento a seguito dello sviluppo di processi di gassificazione. 83 Gassificazione dei combustibili solidi (1/3) La gassificazione dei combustibili solidi ha come obiettivo la loro trasformazione in combustibili gassosi. Questa operazione, che consuma una frazione dell energia posseduta dai combustibili solidi, presenta alcuni vantaggi. I combustibili gassosi bruciano facilmente con l aria teorica di combustione Possono usare aria preriscaldata ed essere loro stessi preriscaldati Non producono ceneri Sono facilmente purificabili, trasportabili e distribuibili Politecnico di Torino 42

43 Gassificazione dei combustibili solidi (2/3) La gassificazione avviene a spese di una frazione dell energia termica presente nel combustibile solido. Si definisce rendimento termico della gassificazione il rapporto tra il calore ottenibile dal combustibile gassificato e quello ottenibile dal combustibile solido. 85 Gassificazione dei combustibili solidi (3/3) La gassificazione consiste schematicamente nel portare a contatto ad alte temperature il carbone con il vapor d acqua. Avviene la reazione: C + H 2 O CO + H 2 La miscela gassosa CO + H 2 può poi essere o trasformata in metanolo o in idrocarburi liquidi o elaborata trasformando, con H 2 O, il CO in CO 2 e H 2, secondo la: CO + H 2 O CO 2 + H Politecnico di Torino 43

44 Combustibili solidi artificiali I combustibili solidi artificiali di interesse tecnico sono ridotti al coke che viene ottenuto riscaldando fuori dal contatto dell aria a circa 1000 C (distillazione a secco) il litantrace e che viene impiegato in ambito metallurgico. 87 I combustibili 2005 Politecnico di Torino 44

45 Combustibili liquidi naturali I combustibili liquidi naturali sono costituiti da diversi tipi di petrolio originatisi dalla trasformazione di sostanze prevalentemente di origine animale. 89 Disponibilità (1/3) Le riserve mondiali accertate sono dell ordine di tonnellate, una quantità sufficiente a coprire le esigenze del prossimo mezzo secolo. Ne vengono estratti circa barili al giorno. Un barile equivale a 159 litri. Il costo attuale è superiore a 60 dollari al barile. Se il rapporto tra euro e dollaro è di 1 a 1,2 il costo del petrolio è di circa 0,30 euro/litro Politecnico di Torino 45

46 Disponibilità (2/3) Attualmente circa il 75% delle riserve mondiali è detenuto dall OPEC (Organisation of Petroleum Exporting Countries) una organizzazione che comprende Arabia Saudita, Venezuela, Kuwait, Iraq, Iran, Algeria, Emirati Arabi, Libia, Indonesia, Qatar. 91 Disponibilità (3/3) Esistono altre importanti riserve di derivati petroliferi che non vengono per ora utilizzate in misura significativa a causa degli elevati costi di estrazione. Si tratta di grezzi extrapesanti, estremamente viscosi, di rocce porose impregnate di petrolio (scisti bituminosi) e di sabbie bituminose impastate con petrolio. Solo queste ultime cominciano a essere utilizzate Politecnico di Torino 46

47 Petrolio (1/8) L analisi elementare del petrolio rivela la presenza di 86-87% in peso di C e di % di H e di piccole quantità di S, O, N. Esso è praticamente costituito da una miscela di idrocarburi (composti fra C e H). 93 Petrolio (2/8) Sono presenti, in misura diversa a seconda della provenienza: Idrocarburi paraffinici saturi di formula generale C n H 2n+2, contenenti fino a 30 o più atomi di C, prevalentemente poco ramificati Idrocarburi ciclici detti naftenici o cicloparaffinici C n H 2n Idrocarburi aromatici rappresentati dal benzene e dai suoi omologhi Piccole quantità di composti ossigenati, solforati, azotati Politecnico di Torino 47

48 Petrolio (3/8) Il petrolio grezzo, privato dei gas disciolti, dell acqua e della fanghiglia viene frazionato con un processo di distillazione frazionata (o topping) che comporta la trasformazione del petrolio liquido in un vapore che viene poi condensato a temperature differenti. 95 Petrolio (4/8) Si ottengono, in ordine di volatilità decrescente, i seguenti prodotti: Il gas di petrolio che viene poi liquefatto per dare il GPL La benzina per motori ad accensione comandata Il cherosene impiegato come carburante per aerei Il gasolio impiegato come carburante per motori ad accensione per compressione (diesel) e come combustibile Il gasolio pesante impiegato negli impianti termoelettrici, nel riscaldamento industriale e nei motori diesel di grande potenza Politecnico di Torino 48

49 Petrolio (5/8) Rimane una frazione altobollente che non vaporizza e che viene sottoposta a ulteriori trattamenti per ricavare altre sostanze, tra le quali alcuni lubrificanti, e che lascia come residuo finale il bitume impiegato per pavimentazioni stradali. 97 Petrolio (6/8) La distillazione del petrolio non produce, né qualitativamente né quantitativamente, prodotti confacenti alle richieste del mercato, in particolare benzine per autotrazione dotate di forti proprietà antidetonanti Politecnico di Torino 49

50 Petrolio (7/8) Le frazioni distillate vengono sottoposte a trattamenti che mirano a ridurre le dimensioni delle molecole (cracking termico, cracking catalitico, hydrocracking), a trasformare gli idrocarburi a catena lineare in idrocarburi a catena ramificata o in idrocarburi ciclici o in idrocarburi aromatici (reforming, isomerizzazione) o a ricomporre idrocarburi gassosi in idrocarburi liquidi (alchilazione). 99 Petrolio (8/8) A conclusione di questi processi si ottengono le benzine verdi che contengono circa il 57% di idrocarburi saturi ramificati, il 13% di olefine e il 30% di idrocarburi aromatici, con una densità di circa 0,75 g/cm 3 e con un potere calorifico inferiore di circa kj/kg, dotate di eccellente proprietà antidetonanti Politecnico di Torino 50

51 I combustibili Potere antidetonante delle benzine I motori ad accensione comandata richiedono che il rapporto di compressione (rapporto tra il volume della camera di combustione quando il pistone è al fondo corsa inferiore e al fondo corsa superiore) sia di circa 10 a 1 e che in queste condizioni la combustione avvenga in modo graduale, con una velocità di propagazione di poche decine di metri al secondo. In queste condizioni la miscela aria-carburante non deve detonare (il motore non deve battere in testa ), ovvero la velocità di propagazione della fiamma non deve diventare di migliaia di metri al secondo Politecnico di Torino 51

52 Numero di ottano (1/3) Il potere antidetonante di una benzina viene valutato con la determinazione del numero di ottano (n.o.) ottenuta confrontando il comportamento della benzina con quello di una miscela tra l isoottano 2, 2, 4, trimetilpentano CH 3 C(CH 3 ) 2 CH 2 CH(CH 3 ) CH 3 (n.o. = 100) e il n.eptano CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 (n.o. = 0). 103 Numero di ottano (2/3) La determinazione del n.o. avviene sperimentalmente con un motore monocilindrico con rapporto di compressione variabile e mantenuto a velocità costante da un motore elettrico. Si determinano le condizioni ottimali di combustione del carburante e poi si individua la miscela tra isoottano e n.eptano che in queste condizioni detona nello stesso modo. La % di isoottano nella miscela corrisponde al n.o. del carburante Politecnico di Torino 52

53 Numero di ottano (3/3) Storicamente dagli anni 1930 all anno 2005 il numero di ottano è passato da circa 75 a 100 e, di pari passo, il rapporto di compressione è passato da 5 a 1 a 10 a Influenze della costituzione della benzina Si osservano le seguenti influenze sul n.o. della costituzione della benzina: A parità di catena il n.o. diminuisce all aumentare del numero degli atomi di carbonio A parità di atomi di C il n.o. aumenta con la ramificazione della catena A parità di atomi di C la presenza di un doppio legame, specie se in posizione centrale, fa aumentare il n.o. A parità di atomi di C gli idrocarburi cicloparaffinici e, ancor più, quelli aromatici fanno aumentare il n.o Politecnico di Torino 53

54 Benzine ossigenate (1/2) E possibile ottenere benzine con buon potere antidetonante additivandole non più con composti contenenti piombo, come avveniva nel passato, ma con composti contenenti ossigeno ottenuti da fonti rinnovabili. 107 Benzine ossigenate (2/2) Queste benzine ossigenate possono contenere: Alcol etilico CH 3 CH 2 OH (circa il 20% in Brasile e sono allo studio carburanti che lo contengono fino all 85%) Alcol metilico CH 3 OH, ottenuto dalla gassificazione di combustibili fossili o da biomasse Etere metil butil terziario (MTBE) CH 3 O C (CH 3 ) 3 Etere etil butil terziario (ETBE) CH 3 CH 2 O C (CH 3 ) 3 Etere dimetilico (DME) CH 3 O CH Politecnico di Torino 54

55 I combustibili Cherosene (1/2) Costituisce la frazione del petrolio che condensa tra 180 e 240 C; ha densità compresa fra 0,78 e 0,85 g/cm 3 e viene impiegato per alimentare turboreattori per il trasporto aereo Politecnico di Torino 55

56 Cherosene (2/2) Sono parametri importanti: Il punto di intorbidamento che deve essere basso in quanto gli aerei, alle alte quote, si trovano a temperature molto al di sotto di 0 C La tensione di vapore che deve essere tanto più bassa quanto più alta è la quota di volo per contrastare forti evaporazioni alle basse pressioni I tenori di zolfo e di idrocarburi aromatici che devono essere molto contenuti per evitare corrosioni o formazione di depositi carboniosi 111 I combustibili 2005 Politecnico di Torino 56

57 Gasolio per motori Diesel (1/2) Costituisce la frazione del petrolio che condensa tra 220 e 330 C; ha densità compresa tra 0,81 e 0,86 g/cm 3 ; il Q i è di circa kj/kg. Nei motori diesel ad accensione per compressione la combustione avviene sfruttando il calore svolto nella compressione dell aria che, compressa fino a atmosfere si riscalda fino a C. Il carburante nebulizzato, portato a contatto con l aria calda, evapora, brucia e sviluppa energia. 113 Gasolio per motori Diesel (2/2) I parametri importanti del gasolio per motori diesel sono: La volatilità; non deve essere né troppo né troppo poco volatile e quindi distillare in misura almeno pari al 30% a temperature inferiori a 230 C Il punto di scorrimento, importante per l avviamento a basse temperature, che può anche scendere a 40 C (gasolio artico) Il numero di cetano Il punto di anilina Il residuo carbonioso, le ceneri, il tenore di zolfo Politecnico di Torino 57

58 Numero di cetano (1/3) Indica la facilità di accensione del gasolio, ovvero il minore o maggiore ritardo nella combustione ovvero del tempo che intercorre tra l iniezione del carburante nella camera di combustione e la sua accensione. 115 Numero di cetano (2/3) Il numero di cetano è dato dalla percentuale in volume di normalesadecano, C 16 H 34,alla cui accendibilità è stato dato il valore 100, in una miscela o con α metil naftalina, n di cetano uguale a zero o con 2, 2, 4, 4, 6, 8, 8 eptametil nonano, n di cetano uguale a 15, che, in condizioni di combustione normalizzate si comporta come il gasolio in esame Politecnico di Torino 58

59 Numero di cetano (3/3) Il numero di cetano è normalmente di poco superiore a 50 ed è più alto nei gasoli ricchi in idrocarburi alifatici e poveri in idrocarburi aromatici. 117 Punto di anilina (1/2) E una temperatura che indica il prevalere degli idrocarburi alifatici o di quelli aromatici. E la temperatura minima alla quale una miscela in parti uguali di gasolio e di anilina C 6 H 5 NH 2 è ancora monofasica Politecnico di Torino 59

60 Punto di anilina (2/2) L anilina, essendo un composto aromatico, si scoglie più facilmente nei gasoli ricchi in idrocarburi aromatici formando una soluzione che rimane tale anche a basse temperature. Un punto di anilina alto è apprezzato perché indica invece una prevalenza di idrocarburi alifatici. 119 Biogasolio o biodiesel Si tratta di carburanti ottenuti da fonti rinnovabili, biodegradabili, utilizzabili da soli o mescolati con gasoli minerali, derivati da semi di girasole, soia, colza, oli vegetali di scarto, ecc., privi di zolfo e in grado di ridurre significativamente le emissioni inquinanti dei motori Politecnico di Torino 60

61 I combustibili Gas di petrolio liquefatto GPL (1/3) Proviene dalla distillazione, dal cracking e dal reforming del petrolio e anche da biogas ottenuto dai rifiuti. E essenzialmente costituito da propano CH 3 CH 2 CH 3 e da butano CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 ; è facilmente liquefacibile (8 10 atm) e conservabile allo stato liquido in contenitori a bassa pressione Politecnico di Torino 61

62 Gas di petrolio liquefatto GPL (2/3) Ha densità bassa, di soli 0,5 g/cm 3, e un Q i di circa kj/kg; da un litro di GPL si ottengono circa 250 litri di gas. 123 Gas di petrolio liquefatto GPL (3/3) Come carburante emette meno inquinanti e meno CO 2 ; ha elevato potere antidetonante; garantisce potenza e velocità massima uguali a quelle della benzina; costa meno di benzina e gasolio; la rete di distribuzione non è ancora capillare; ciò costringe alla doppia alimentazione (benzina e GPL) e al doppio serbatoio con riduzione del volume del bagagliaio Politecnico di Torino 62

63 Gassificazione di derivati petroliferi Analogamente ai combustibili solidi anche i residui della distillazione possono essere gassificati facendoli reagire ad alta temperatura e in presenza di catalizzatori con vapor d acqua. Si verifica in parte un cracking del combustibile con formazione di idrocarburi gassosi e in parte una reazione del tipo: C n H m + n H 2 O n CO + (n+m/2) H Gassificazione di derivati petroliferi Si ottiene un gas costituito da % di H 2 ; % di CO; 12 15% di CH 4 e omologhi; 2 4 % di olefine; 4 6 % di CO 2 ; 4 6 % di N 2 con un Q i di circa kj/nm Politecnico di Torino 63

64 I combustibili Metano (1/4) Il metano è il costituente principale del gas naturale. Dopo l estrazione viene privato dell acqua, degli idrocarburi condensabili, della CO 2 dell H 2 S e poi trasportato in metanodotti sotto pressioni superiori a 100 atm, oppure liquefatto a -160 C, oppure disciolto in GPL Politecnico di Torino 64

65 Metano (2/4) Le riserve naturali accertate sono consistenti e sufficienti per alcuni decenni. Viene usato per il riscaldamento, nell industria chimica e per l autotrazione e viene sempre più frequentemente ottenuto anche attraverso processi di fermentazione anaerobica diventando così una fonte energetica rinnovabile. 129 Metano (3/4) Come carburante viene stoccato a bordo, in bombole a pressioni di circa 200 atm; è privo di sostanze indesiderate quali benzene, zolfo, olefine ed emette,rispetto a benzina e gasolio, meno CO, NO x, CH e CO 2 (ha un basso rapporto C/H); ha numero di ottano superiore a 100 e quindi consente elevati rapporti di compressione. Rispetto all alimentazione a benzina manifesta una contenuta riduzione di potenza e di velocità e un accelerazione un po meno brillante Politecnico di Torino 65

66 Metano (4/4) Esiste una rete di distribuzione capillare del metano per usi industriali e civili, ma non come carburante; è pertanto per ora è necessario ricorrere alla doppia alimentazione e alla conseguente presenza di due serbatoi, uno per il metano e uno per la benzina, con la riduzione importante dello spazio del bagagliaio. Circolano in Italia circa vetture alimentate anche a metano. 131 I combustibili 2005 Politecnico di Torino 66

67 Idrogeno (1/5) Anche l idrogeno liquido può essere proposto come carburante per la propulsione aerea e terrestre. A parità di energia prodotta il peso di idrogeno liquido è circa un terzo del peso degli idrocarburi liquidi. L idrogeno liquido sviluppa infatti circa kj/kg mentre gli idrocarburi ne svolgono circa Idrogeno (2/5) L idrogeno liquido ha una densità di soli 0,07g/cm 3, circa 1/10 di quella degli idrocarburi; un litro di idrogeno liquido sviluppa solo un quarto dell energia sviluppata da un litro di idrocarburi. Per garantire una certa autonomia occorrono serbatoi di grosse dimensioni Politecnico di Torino 67

68 Idrogeno (3/5) Un problema importante nella gestione dell idrogeno liquido è quello di mantenerlo a una temperatura inferiore a 253 C. Altri problemi sono costituiti dagli alti costi di produzione e di rifornimento in condizioni di sicurezza. 135 Idrogeno (4/5) L idrogeno può essere anche stoccato a bordo in bombole compresso a 200 atmosfere oppure concentrato a basse pressioni in idruri metallici, dai quali viene poi recuperato riscaldandoli moderatamente, oppure adsorbito su nanotubi di carbonio Politecnico di Torino 68

69 Idrogeno (5/5) L idrogeno è un carburante poco inquinante perché la sua combustione produce solo vapor d acqua e poco NO x. Occorre però che per prepararlo non si producano altri inquinanti. 137 Produzione dell idrogeno (1/2) L idrogeno può essere prodotto per elettrolisi dell acqua. Occorre che per produrre l energia elettrica necessaria non si consumino risorse energetiche non rinnovabili con produzione di CO 2 (carbone, metano, petrolio). L energia elettrica deve cioè essere di origine idroelettrica o fotovoltaica o nucleare o eolica o idrotermale Politecnico di Torino 69

70 Produzione dell idrogeno (2/2) L idrogeno può anche essere ottenuto, insieme alla CO 2, dai combustibili naturali facendoli reagire con H 2 O. Si formano miscugli gassosi costituiti da CO e H 2 che vengono poi elaborati trasformando, con altra acqua, il CO in CO 2 e altro H 2. La CO 2 viene poi facilmente eliminata. 139 Impieghi dell idrogeno L idrogeno può essere impiegato: Direttamente come carburante per motori termici Per alimentare fuel cells che producono energia elettrica per alimentare un motore per la trazione elettrica Politecnico di Torino 70

71 Fuel Cells (1/4) Una fuel cell, o cella a combustibile, è un dispositivo che dalla reazione tra idrogeno e ossigeno ricava acqua e una corrente elettrica. A differenza delle batterie non è ricaricabile, ma funziona finché c è idrogeno disponibile. Si impiegano elettrodi di grafite con catalizzatori a base di Pt-PtRu separati da un elettrolita polimerico solido. 141 Fuel Cells (2/4) Politecnico di Torino 71

72 Fuel Cells (3/4) L idrogeno viene immesso all anodo dove si ossida liberando elettroni secondo la H 2 2H + + 2e - L ossigeno dell aria viene immesso al catodo dove, combinandosi con gli ioni idrogeno e acquistando elettroni, forma acqua secondo la ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O 143 Fuel Cells (4/4) Agli elettrodi risulta disponibile energia elettrica in misura che dipende dalla quantità di idrogeno disponibile. Una singola cella genera una tensione di 0,6 0,8 V. Pacchi di celle consentono di alimentare un motore elettrico da 50 kw Politecnico di Torino 72

73 Idrogeno per fuel cells L idrogeno necessario per alimentare le fuel cells può essere immagazzinato sulla vettura oppure prodotto a bordo dell autoveicolo in un impianto che converte in H 2 e CO 2 combustibili del tipo del metano CH 4 e dell alcol metilico CH 3 OH. Per l impiego su larga scala delle fuel cells occorre ridurne i costi, realizzare una rete di distribuzione dell idrogeno, limitare il peso dei motori elettrici, aumentare l autonomia dei veicoli. 145 Alimentazione dei propulsori (1/2) Riassumendo sono possibili i seguenti sistemi di alimentazione dei propulsori: Benzina Gasolio Benzina e GPL Benzina e metano Metano Politecnico di Torino 73

74 Alimentazione dei propulsori (2/2) Ibridi Benzina ed energia elettrica (batterie) Gasolio ed energia elettrica (batterie) Energia elettrica Idrogeno Motore termico Motore elettrico (Fuel cells) 147 Combustione, carburanti e lubrificanti 2005 Politecnico di Torino 74

75 Carburanti e inquinamento Concetti di base Marmitte catalitiche Trappole per particolato 149 Carburanti e inquinamento 2005 Politecnico di Torino 75

76 Gas di scarico Oltre a CO 2, H 2 O e N 2 i gas di scarico dei motori emettono, a causa del mancato raggiungimento delle condizioni di equilibrio delle reazioni di combustione, anche ossido di carbonio, CO, ossidi di azoto, NO x, e idrocarburi incombusti, HC. 151 Altri inquinanti Possono inoltre essere presenti, in condizioni diverse, aldeidi, cianuri, ammoniaca, benzene, toluene, idrocarburi policiclici aromatici del tipo del pirene o del benzopirene, particelle solide carboniose denominate particolato Politecnico di Torino 76

77 Rapporto α Il quantitativo di inquinanti emessi dipende dai km già percorsi dall autoveicolo e dal rapporto aria/combustibile, a/c ovvero α. 153 Rapporto di equivalenza (1/2) Se l aria impiegata è quella teorica, il rapporto in peso aria/combustibile, a/c, è di 14,7 a 1. Si dice allora che il rapporto di equivalenza λ è uguale a Politecnico di Torino 77

78 Rapporto di equivalenza (2/2) A valori di λ inferiori o superiori a 1 corrispondono, rispettivamente, miscele aria/combustibile ricche o povere (magre). 155 Limiti inquinanti Le norme di legge attualmente in vigore prevedono i seguenti limiti: Auto a benzina CO 1 g/km HC 0,1 g/km NO x 0,08 g/km Auto a gasolio CO 0,5 g/km HC + NO x 0,30 g/km NO x 0,25 g/km particolato (PM) 0,025 g/km Politecnico di Torino 78

79 Concentrazione inquinanti L andamento della concentrazione degli inquinanti in funzione del rapporto di equivalenza λ e del rapporto aria/combustibile α è mostrato nella figura. 157 Ossido di carbonio (1/4) L ossido di carbonio si forma, nei motori a benzina nella fase di combustione per ossidazione parziale degli idrocarburi in miscele ricche; durante la fase di espansione il sistema si raffredda riducendo la possibilità di combustione del CO a CO Politecnico di Torino 79

80 Ossido di carbonio (2/4) 159 Ossido di carbonio (3/4) Politecnico di Torino 80

81 Ossido di carbonio (4/4) Nei motori diesel la combustione avviene con una miscela magra; si forma poco CO; il quantitativo presente nei fumi è circa 1/10 di quello emesso da un motore a benzina della stessa categoria. 161 Ossidi di azoto (1/4) Gli ossidi di azoto NO x si formano nei motori a benzina nella zona di reazione ad alta temperatura situata tra valvole e candela; durante la fase di espansione gli equilibri di reazione si congelano in quanto la temperatura diminuisce Politecnico di Torino 81

82 Ossidi di azoto (2/4) 163 Ossidi di azoto (3/4) Politecnico di Torino 82

83 Ossidi di azoto (4/4) La formazione degli NO x è massima per valori di λ vicini a 1,05 (ovvero α = 15 16). Nonostante che nei motori diesel le temperature e le pressioni siano più elevate, rispetto ai motori a benzina, la concentrazione degli NO x emessi è di circa un terzo. 165 Idrocarburi incombusti (1/5) Gli idrocarburi incombusti si formano nei motori a benzina durante la fase di compressione quando la miscela aria/carburante penetra in interstizi non raggiungibili dal fronte di fiamma o viene assorbita dal velo del lubrificante presente sulla superficie del cilindro. Essi vengono poi espulsi durante la fase di espansione Politecnico di Torino 83

84 Idrocarburi incombusti (2/5) 167 Idrocarburi incombusti (3/5) Politecnico di Torino 84

85 Idrocarburi incombusti (4/5) 169 Idrocarburi incombusti (5/5) Nei motori diesel nei quali il valore di λ è vicino a 1,15 (ovvero a/c = 17) la concentrazione degli HC è circa 1/10 rispetto ai motori a benzina Politecnico di Torino 85

86 Particolato Il particolato è una fase solida costituita da particelle nelle quali sono presenti, in rapporti che dipendono dal regime di funzionamento, carbone poroso, idrocarburi incombusti provenienti dal carburante e dal lubrificante, solfati e acqua. Il particolato viene emesso, in gran parte sotto forma di particelle di dimensioni inferiori a 10 µm, dai motori diesel in misura nettamente superiore rispetto ai motori a benzina. 171 Anidride carbonica (1/3) L anidride carbonica non è, a stretto rigore, un inquinante; tuttavia la sua immissione nell atmosfera deve essere contenuta potendo essere corresponsabile dell effetto serra che innalza la temperatura dell atmosfera terrestre Politecnico di Torino 86

87 Anidride carbonica (2/3) La CO 2 viene prodotta in proporzione al carburante consumato; un kg di benzina e un kg di gasolio emettono la stessa quantità di CO 2 ; tuttavia il miglior rendimento dei motori diesel consente, a parità di prestazioni, di ridurre del 25% il consumo di carburante e la formazione della CO Anidride carbonica (3/3) La CO 2 prodotta dal settore dei trasporti rappresenta circa il 25% di quella immessa nell atmosfera; di questa quota circa il 50% è dovuta alle automobili Politecnico di Torino 87

88 Carburanti e inquinamento Marmitte catalitiche (1/9) Una significativa riduzione degli inquinanti emessi dai motori a benzina è stata conseguita con l adozione delle marmitte catalitiche. Il dispositivo richiede l impiego di carburanti privi di piombo e quindi ha comportato l abbandono della benzina rossa super Politecnico di Torino 88

89 Marmitte catalitiche (2/9) Una marmitta catalitica è costituita da un involucro esterno in acciaio inossidabile, da una maglia in acciaio inossidabile con funzioni di ammortizzatore delle vibrazioni e dal cuore costituito da un monolita ceramico fragile o metallico. 177 Marmitte catalitiche (3/9) Politecnico di Torino 89

90 Marmitte catalitiche (4/9) 179 Marmitte catalitiche (5/9) Sulla superficie del monolita viene depositato uno strato di γal 2 O 3, per aumentare la superficie di contatto, nel quale vengono dispersi piccoli cristalli metallici di platino (Pt), palladio (Pd) e rodio (Rh) Politecnico di Torino 90

91 Marmitte catalitiche (6/9) Ai cristalli di Pt, Pd e Rh è affidato il compito di catalizzare, accelerandole, nel brevissimo tempo in cui i fumi transitano verso il tubo di scappamento, le reazioni di ossido riduzione di trasformazione degli inquinanti. 181 Marmitte catalitiche (7/9) Avvengono reazioni di ossidazione del CO e degli HC: CO + ½ O 2 CO 2 2 HC + 5/2 O 2 H 2 O + 2 CO 2 Avvengono reazioni di riduzione degli NO x a opera di H 2 e di CO NO x + CO ½N 2 + CO 2 NO x + 5/2 H 2 NH 3 + H 2 O NO x + H 2 ½N 2 + H 2 O Politecnico di Torino 91

92 Marmitte catalitiche (8/9) Avvengono reazioni complesse di ossido riduzione con formazione di H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 HC + 2 H 2 O CO 2 + 5/2 H Marmitte catalitiche (9/9) Sono presenti complessivamente da 2 a 4 grammi di Pt, Pd e Rh; i primi due catalizzano reazioni di ossidazione; il terzo quelle di riduzione. L azione catalitica viene esplicata correttamente quando la temperatura del catalizzatore ha raggiunto i C e cioè dopo dall accensione del motore Politecnico di Torino 92

93 Catalizzatore a tre vie Con questo dispositivo, denominato anche catalizzatore a tre vie, e con un corretto rapporto tra aria e combustibile i principali inquinanti gassosi vengono abbattuti in una misura che si avvicina al 95%. 185 Sonda lambda L ottimizzazione del rapporto aria/combustibile viene ottenuta ricorrendo a un sensore per l ossigeno, collocato a monte del catalizzatore, denominato sonda lambda, che, dopo aver misurato la concentrazione dell ossigeno presente nei fumi, agisce sulla centralina elettronica che controlla l immissione del carburante e dell aria Politecnico di Torino 93

94 Carburanti e inquinamento Trappole per particolato (1/6) Sono dispositivi che filtrano i gas di scarico emessi dai motori diesel per trattenere le particelle solide del particolato. Le trappole sono costituite da un contenitore al cui interno è situato un filtro realizzato in cordierite porosa; si tratta di una serie di canali a sezione quadrata alternativamente chiusi e aperti Politecnico di Torino 94

95 Trappole per particolato (2/6) I fumi entrano nei canali aperti che sono, però, chiusi all estremità opposta; per fuoriuscire devono attraversare le pareti laterali che sono porose e passare nei canali adiacenti che sono chiusi nella parte anteriore e aperti in quella posteriore. 189 Trappole per particolato (3/6) Le particelle di particolato vengono trattenute sulla superficie di cordierite ostruendola progressivamente e creando difficoltà al passaggio dei prodotti gassosi della combustione. Il deposito carbonioso di particolato viene periodicamente rimosso bruciandolo a bassa temperatura, e in presenza di un catalizzatore, con aria introdotta a questo fine nella trappola Politecnico di Torino 95

96 Trappole per particolato (4/6) L aria viene immessa a seguito di un segnale inviato da un rivelatore che segnala l aumento di pressione dei fumi che hanno difficoltà a fuoriuscire. 191 Trappole per particolato (5/6) Sono allo studio trappole catalizzate nelle quali l elemento filtrante è preceduto da un catalizzatore ossidante che trasforma CO e HC in CO 2 e H 2 O e converte NO x in NO 2 e innalza la temperatura dei fumi Politecnico di Torino 96

97 Trappole per particolato (6/6) Quando la temperatura dei fumi supera i C le particelle carboniose di particolato vengono bruciate da NO 2 secondo la reazione schematica C + 2 NO 2 CO NO. 193 Combustione, carburanti e lubrificanti 2005 Politecnico di Torino 97

98 Lubrificanti Generalità su attrito e usura Generalità sui lubrificanti e loro classificazione Lubrificanti liquidi Formulazione dei lubrificanti Lubrificanti per la trazione Liquidi per freni e antigelo Lubrificanti per impieghi industriali Grassi lubrificanti Lubrificanti solidi Impatto ambientale dei lubrificanti 195 Lubrificanti 2005 Politecnico di Torino 98

99 Concetti di base (1/2) L attrito concerne fenomeni legati all irregolarità delle superfici di due corpi premuti l uno contro l altro e in movimento relativo e alle deformazioni che essi subiscono per effetto delle mutue pressioni. L entità dell attrito dipende dalla natura delle superfici a contatto e può ridursi a valori molto bassi in presenza di un lubrificante. 197 Concetti di base (2/2) L attrito è una forza resistente ed è pertanto causa di dispersione di energia nelle macchine. Senza di esso sarebbero d altra parte impossibili attività quali la locomozione, l uso di freni o di frizioni, ecc Politecnico di Torino 99

100 Coefficiente di attrito Si definisce un coefficiente di attrito che è dato dal rapporto tra la forza che si oppone al moto e la forza agente perpendicolare alla superficie di contatto. 199 Attrito radente Si parla di attrito radente quando un corpo striscia su un altro corpo; esso dipende dalla velocità di strisciamento; diminuisce passando dalla quiete al moto, poi aumenta con la velocità, per rimanere circa costante entro limiti abbastanza ampi di velocità, e infine diminuisce ad alte velocità di strisciamento Politecnico di Torino 100

101 Attrito volvente Si parla di attrito volvente quando un corpo rotola su un altro, come nel caso delle ruote di una vettura che rotolano sulla strada; esso dipende dalla natura dei materiali delle superfici a contatto e la sua intensità è proporzionale alla forza esercitata dal corpo sull appoggio. 201 Attrito di giro Si parla di attrito di giro nella rotazione relativa di due corpi a contatto in un punto, ad es. tra il puntale di una trottola e la superficie su cui ruota Politecnico di Torino 101

102 Usura (1/2) L usura è il logorio e il deterioramento che la superficie di un corpo subisce per effetto dell uso prolungato; essa è accompagnata da un consumo di materiale, per effetto dello strisciamento su un altro corpo, variabile a seconda della natura dei due corpi e della pressione che uno esercita sull altro. 203 Usura (2/2) L usura consegue sia al contatto tra asperità superficiali sia a fenomeni chimico fisici favoriti dal calore sviluppato per attrito. L usura può comportare saldatura tra asperità e distacco di particelle di materiale, oppure può essere dovuta alla presenza di particelle estranee dure, oppure all effetto di agenti corrosivi Politecnico di Torino 102