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Il rapporto stechiometrico è il rapporto idealmente perfetto tra la massa del comburente e del combustibile affinché la combustione sia completa. Il rapporto aria/carburante (AIR FUEL RATIO) è fondamentale, in modo assoluto significa avere abbastanza combustibile per bruciare con una determinata aliquota di ossigeno presente all’interno dei cilindri. Il rapporto stechiometrico è presente in qualsiasi forma di combustione essendo l’ossigeno promotore del processo stesso. Al termine di ogni  processo di combustione troviamo la presenza di idrocarburi incombusti non essendo possibile avere una combustione omogenea e perfettamente miscelata. Il seguente grafico mostra cosa accade agli inquinanti quando il rapporto aria/carburante (AFR) cambia all’avvicinarsi al rapporto stechiometrico.

Diagramma di correlazione delle emissioni rispetto al rapporto aria/carburante

Più arrichiremo la miscela, più le aliquote di monossido di carbonio (CO) e d’idrocarburi (HC) aumenteranno significativamente. Più impoveriremo la miscela, più l’ammontare dell’aliquota degli ossidi di azoto (NOx) aumenterà fino a quando la temperatura della combustione sarà sufficientemente ridotta e inizierà a ridurre il livello della produzione degli ossidi di azoto.

Se prendiamo in considerazione una miscela povera e andiamo ad anticipare il punto di accensione cosa accade alle emissioni?  Aumentando l’anticipo andremo a creare un tempo di reazione tra ossigeno (O2) /nitrogeno (N) più lungo ed un picco pressorio/temperatura maggiore nei cilindri. I due gas di scarico aumenteranno entrambi perchè l’ossigeno verrà utilizzato per produrre gli ossidi di azoto (NOx) e sarà meno presente l’aliquota disponibile per produrre l’anidride carbonica (CO2).

Emissioni a miscela povera  sull’anticipo motore

La regolazione con miscela povera non tollera molto grandi scostamenti tra l’angolo di accensione e il rapporto aria/carburante (AFR). Tutte le variazioni dai parametri “normali” potrebbero avere effetto sul livello di emissione nei gas di scarico, ma non meno importanti danni strutturali causati dalla detonazioni anche prevalenti. Per un motore operante a miscela povera è importante per una lunga funzione lavorativa rimanere nei parametri di collaudo/funzionamento previsti dal costruttore.

Finestra operativa delle emissioni con miscela povera rispetto all’angolo di accensione

Il grafico successivo mostra i livelli di gas inquinanti sul rapporto stechiometrico con una miscela molto povera. Tanto più si regola il rapporto aria/carburante (AFR) in modalità povera dal punto stechiometrico tanto più bassa sarà la temperatura di combustione. Nei motori a miscela povera, anche in presenza di molto ossigeno, il calore non sarà sufficiente per produrre un alto livello di ossidi di azoto (NOx), motivo per il quale la loro produzione rimarrà molto bassa.

Le emissioni in ATM rispetto al rapporto aria/ carburante

Potere calorifico su sistema anglosassone di combustione (BTU per piede cubo)

Propano 2.316
Gas di Pozzo 1.000 – 1.200+
Gas Naturale 900 – 950
Gas da digestione anaerobica 500 – 550
Gas di discarica 450 – 550
Alessandro Perucca

Alessandro Perucca

Titolare e Fondatore della Energy Solution srl di Recco, Motori a Gas, Ricambi e Servizi per l'Industria Energetica.