Inquinare... Cosa vuol dire esattamente? (Prima parte)

I richiami alla normativa Euro 4 in questo periodo sono costanti, una normativa che tocca diversi punti, uno dei più importanti è quello relativo alle prescrizioni antinquinamento. In questa pillola vogliamo appunto cercare di chiarire cosa vuol dire inquinare, nella prossima cercheremo di capire come fanno i costruttori per limitare l’inquinamento. Un motore a scoppio serve per trasformare una fonte energetica in energia meccanica, in coppia e potenza. La nostra fonte energetica è il carburante, la benzina. La quantità di energia che racchiude è chiamata potere calorifico, si misura in Joule (o calorie) per unità di massa. Per convertire l’energia del combustibile si deve verificare un processo chimico chiamato combustione ad opera di un altro elemento chiamato comburente. Chimicamente si assiste ad una combinazione fra gli elementi costituivi del combustibile e del comburente che vanno a formare nuovi composti. In questo processo si sviluppa energia sotto forma di calore e di pressione. Questo calore viene trasformato dal motore in energia meccanica.

SENZA L'OSSIGENO NON SI FA NULLA - Ovviamente il nostro combustibile è la benzina e il comburente è l’aria, o per meglio dire quel 20% abbondante dell’aria costituito da ossigeno, un elemento molto reattivo, l’agente ossidante per eccellenza. La benzina tecnicamente è un idrocarburo, letteralmente un composto di idrogeno e carbonio uniti fra loro secondo tante diverse strutture nel quale cambiano le percentuali e la forza dei legami atomici. Quando queste macromolecole si trovano a contatto con l’ossigeno basta un piccolo aiuto esterno perché parta il processo di ossidazione, questo aiuto è chiamato innesco, nel caso dei motori a benzina è provocato dalla scintilla della candela. In condizioni ideali succede che le molecole dell’idrocarburo si “aprono” e i singoli atomi di idrogeno e carbonio si uniscono con l’ossigeno a formare anidride carbonica e vapore acqueo. Ebbene sì! Contrariamente a quanto si possa immaginare, in condizioni ideali bruciando benzina non si emettono sostanze dannose per l’ambiente! Il problema è che le condizioni ideali non sono quelle reali e per tanti motivi durante la combustione si formano altri sotto prodotti che invece a vario titolo sono inquinanti.

LE CONDIZIONI IDEALI SONO UTOPIA - Prima di tutto dobbiamo vedere quali sono le condizioni ideali: semplificando al massimo sono quelle in cui si hanno valori di temperatura e pressione ben determinati, la benzina completamente allo stato di gas e perfettamente miscelata all’aria secondo un rapporto che in massa deve essere di 1 a 14.7, quello che i chimici definiscono stechiometrico. In un motore che aspira aria a temperature che vanno da -30 °C a +50 °C, che compie un ciclo di aspirazione in un tempo che può andare da 3 centesimi di secondo a meno di tre millesimi (provate a immaginare cosa vuol dire 3 millesimi di secondo: è il tempo che impiega il pistone a scendere dal punto morto superiore a quello inferiore a 10.000 giri minuto) potete ben capire che mantenere condizioni di combustione ideali sia ben difficile, in più per tanti buoni motivi sarebbe meglio avere una miscela leggermente ricca: l’erogazione diventa più morbida, le temperature di utilizzo sono più basse e si ha una ragionevole certezza di utilizzare tutto l’ossigeno che viene aspirato in modo da ottenere la massima potenza.

CONTROINDICAZIONI - Di contro ovviamente aumentano i consumi, ma soprattutto aumentano le emissioni inquinanti. Succede infatti che con una miscelazione grassa non c’è abbastanza ossigeno per bruciare al meglio tutti gli idrocarburi iniettati e la parte non bruciata viene emessa in atmosfera (sono gli idrocarburi incombusti identificati con la sigla HC) che oltre ad essere tossici in alcuni casi sono anche cancerogeni. Peggio ancora parte del carbonio invece che legarsi a due atomi di ossigeno a formare anidride carbonica CO2, forma il monossido di carbonio CO che è addirittura velenoso. Si potrebbe pensare allora, anche a costo di penalizzare le prestazioni e l’affidabilità, di girare magri, purtroppo però si avrebbero problemi anche in questo caso, perché le temperatura di combustione immediatamente si alzerebbero col risultato di rendere reattivo un gas tipicamente inerte come l’azoto (che costituisce il 78% dell’aria aspirata). L’azoto trova dell’ossigeno non legato e assieme vanno a formare gli NOx ossidi di azoto responsabili della formazione di ozono a bassa quota, e combinandosi successivamente con il vapore acqueo creano ossidi nitrosi responsabili delle cosiddette piogge acide.

ALLA RICERCA DELLA COMBUSTIONE PERFETTA - Insomma non c’è niente da fare, la combustione deve avvenire in modo il più possibile perfetto, nella prossima puntata vedremo come si cerca di ottenere questo obiettivo, per il momento possiamo dire, che ogni step delle Normative Euro hanno pesantemente limitato l’emissione di questi composti, in pratica dimezzando di volta in volta i limiti precedenti, col risultato che un veicolo Euro 4 a parità di prestazione è enormemente più rispettoso dell’ambiente rispetto ad un veicolo dei primi anni ‘90. Per inciso, la normativa auto è già arrivata ad Euro 6, ma in effetti i limiti ancor più restrittivi coinvolgono principalmente i motori diesel, per i benzina ormai sono le e missioni inquinanti sono veramente bassissime.

UN PROBLEMA CHIAMATO CO2 - Ma se tutto questo non fosse abbastanza, esiste un ulteriore problema: l’anidride carbonica. La CO2 non è un gas velenoso o inquinante, ma crea indirettamente grandi problemi. Negli ultimi anni si fa un gran parlare di effetto serra e riscaldamento globale, l’innalzamento delle temperature è dovuto anche a certi gas fra cui l’anidride carbonica che miscelati nell’atmosfera in percentuali troppo elevate lasciano passare i raggi del sole ma non fanno uscire verso lo spazio i raggi infrarossi che hanno maggiore lunghezza d’onda, col risultato che il calore non viene disperso. Ecco quindi che normative locali o direttive internazionali spingono sempre più alla riduzione delle emissioni di CO2, un prodotto primario dei motori a combustione, un problema non da poco che è destinato a rivoluzionare la mobilità del prossimo futuro.