Lubrificanti - Corsi di Laurea a Distanza - Politecnico di Torino

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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).
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
Combustione, carburanti e lubrificanti
Richiami di termochimica
La combustione
I combustibili
Carburanti e inquinamento
Lubrificanti
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Combustione, carburanti e lubrificanti
Richiami di termochimica
Reazioni endotermiche ed esotermiche ed
entalpia di reazione
Fattori influenti sull’entalpia di reazione
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Richiami di termochimica
Reazioni esotermiche
Reazioni esotermiche: avvengono con sviluppo di
calore. Sono esotermiche tutte le reazioni di
combustione.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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Esempi (1/3)
Ad esempio la scritta
C + O2 → CO2 ; ∆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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempi (2/3)
Ad esempio la scritta
CO +½ O2 → CO2 ; ∆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.
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Esempi (3/3)
Ad esempio la scritta
H2O(vap) → H2 + ½ O2 ; ∆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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Combustione, carburanti e lubrificanti
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
La combustione
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 CO2 ;
tutto l’H in H2O; tutto l’N in N2 e tutto lo S in SO2 .
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
Combustibili
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
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Combustibili: parametri caratterizzanti (2/2)
La temperatura di accensione
I limiti di infiammabilità
Il potenziale termico
Altri parametri che verranno solo elencati
La combustione
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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/Nm3 per quelli gassosi.
I poteri calorifici possono essere calcolati se sono
note la composizione del combustibile e le entalpie
delle reazioni di combustione.
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Esempi (1/2)
Il carbonio solido ha peso atomico 12 e l’entalpia
della reazione
C + O2 → CO2 vale – 393,3 kJ.
Il potere calorifico si ricava dalla proporzione
12 : 393,3 = 1000 : x; x = 32.775 kJ/kg.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempi (2/2)
Una mole del CO gassoso occupa, a condizioni
normali, 22,4 litri; l’entalpia della reazione
CO + ½O2 → CO2 vale – 282,8 kJ ;
Il potere calorifico del CO si ricava dalla
proporzione
22,4 : 282,8 = 1000 : x; x = 12.627 kJ/Nm 3
Potere calorifico superiore e inferiore (1/2)
Se nella reazione di combustione è presente
acqua occorre distinguere tra:
Potere calorifico inferiore, Qi , quando l’acqua è allo
stato di vapore
Potere calorifico superiore, Qs , quando l’acqua è
allo stato liquido
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Potere calorifico superiore e inferiore (2/2)
Tra i due poteri caloriferi esiste la relazione
Q s = Q i + n . 2500
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.
2500 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.
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Esempio
Ad esempio nella combustione dell’idrogeno si ha:
H2 + ½ O2 → H2O (liquido); ∆H = – 286,83 kJ
22,4 : 286,83 = 1000 : x;
x = 12.805 kJ/Nm3 = Qs H2 + ½ O2 → H2O (vapore); ∆H = – 241,8 kJ
22,4 : 241,8 = 1000 : x;
x = 10.795 kJ/Nm3 = Qi 34

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
La combustione
Aria teorica di combustione
L’aria teorica di combustione è il volume di aria
necessario per consentire la combustione
completa del combustibile.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 Nm3 di O2 ècioè
accompagnato da 3,8 Nm3 di N2 e fa parte di
1 + 3,8 = 4,8 Nm3 di aria.
Ad esempio 1 Nm 3 del gas metano CH 4 che
brucia secondo la reazione
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
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Esempio (1/2)
consuma 2 Nm 3 di O 2 e quindi 2 · 4,8 = 9,6 Nm 3
di aria.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempio (2/2)
Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido
CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia
secondo la reazione
CH3CH2OH + 3O2 → 2 CO2 + 3 H2O consuma il quantitativo d’aria che si ricava dalla
proporzione:
46 : 3 · 22,4 · 4,8 = 1000 : x;
x = 7.012 litri = 7,012 Nm3 La combustione
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
Fumi anidri
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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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempio (1/3)
Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 , che
brucia secondo la reazione
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O; i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da
2 · 3,8 = 7,6 Nm3 di N2 In totale si sono formati 10,6 (1 + 2 + 7,6)Nm3 di fumi.
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Esempio (2/3)
Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la
reazione:
CH3CH2OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas:
CO2 ) 46 : 2 · 22,4 = 1000 : x;
x = 973,8 litri = 0,9738 Nm3 H2O) 46 : 3 · 22,4 = 1000 : x;
x = 1460,9 litri = 1,4609 Nm3 N2 ) 46 : 3 · 22,4 · 3,8 = 1000 : x;
x = 5551,3 litri = 5, 5513 Nm3 In totale si sono formati
7,9861 (0,9738 + 1,4609 + 5,5513) Nm3 44

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Composizione percentuale
La composizione percentuale in volume dei fumi
si ottiene rapportando il volume di ciascun
costituente al volume totale dei fumi.
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Esempio (1/2)
Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti
bruciando con l’aria teorica 1 normal metro
cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente
modo:
CO2 = 1/10,6 · 100 = 9,43%
H2O = 2/10,6 · 100 = 18,87%
N2 = 7,6/ 10,6 · 100 = 71,70%
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempio (2/2)
Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti
bruciando con l’aria teorica 1Kg alcol etilico
CH3CH2OH si ricava nel seguente modo:
CO2 ) 0,9738/7,9861 · 100 = 12,19%;
H2O) 1,4609/7,9861 · 100 = 18,29%;
N2 ) 5,5513/7,9861 · 100 = 69,52%.
La combustione
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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 ).
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
I calori sensibili dei gas
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 .
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempio(1/4)
Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40%
in volume da CO e per il 60% da N2 , che ha un
potere calorifico di 5.050 kJ/Nm3 , il volume dei fumi
ottenuti bruciandone 1 Nm3 , secondo la reazione
CO + ½ O2 → CO2 ,
è dato da 0,4 Nm3 di CO2 e da 0,2 · 3,8 + 0,6
(dal combustibile) = 1,36 Nm3 di N2 .
Dalla tabella dei calori sensibili si ha:
Per riscaldare a 1700°C 1 Nm 3 di CO 2 o di N 2
occorrono 4.047 o 2.484 kJ
Per riscaldare a 1800°C 1 Nm 3 di CO 2 o di N 2
occorrono 4.316 o 2.647 kJ
Per riscaldare i fumi a 1700°C:
0,4 · 4.047 + 1,36 · 2.484 = 4.997 kJ
Per riscaldare i fumi a 1800°C:
0,4 · 4.316 + 1,36 · 2.647 = 5.326 kJ
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Esempio(2/4)
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempio(3/4)
La soluzione può essere trovata per via grafica
nell’ipotesi che nel ristretto intervallo termico fra
1.700 e 1.800 °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.
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Esempio(4/4)
Oppure tenendo conto che a un salto termico di
100° (1800 – 1700) corrisponde una differenza di
5.326 – 4.997 = 329 kJ e che la differenza tra
5.050 e 4.997 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
1700 + 16,1 = 1716,1°C.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 H2 ; 632°C
per CH4 e 300-400°C per la benzina.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
CH4 dal 5 al 15 %.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Potenziale termico (2/2)
Il potenziale termico (Pt ) di un carburante
gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione
Pt = Qi / Vat + 1
dove Vat è il volume dell’aria teorica.
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Esempio (1/3)
Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia
secondo la reazione
CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O e ha un Qi pari a 35.750 kJ/Nm3 ,
il Vat vale 2 · 4,8 = 9,6 Nm3 e Pt = 35.750 / 9,6 + 1 = 3.373 kJ/Nm3 70

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Esempio (2/3)
Ad esempio per l’ottano liquido C8H18 (peso
molecolare = 114), che brucia secondo la
reazione
C8H18 + 25/2 O2 → 8 CO2 + 9 H2O e ha un Qi pari a 44.965 kJ/kg, il Pt si ricava
dalla
Pt = Qi + Qv / Vat + Vc dove Qv è il calore di vaporizzazione che vale 420
kJ/kg e Vc è il volume di 1 kg di combustibile
vaporizzato.
Vat) 114 : 25/2 · 4,8 · 22,4 = 1000 : x;
x = 11.790 litri = 11,79 Nm3 Vc ) 114 : 22,4 = 1000 : x;
x = 196 litri = 0,196 Nm3 Pt = 44.965 + 420 / 11,79 + 0,196
= 45.385 / 11,986 = 3.787 kJ/Nm3 ©2005 Politecnico di Torino 36
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Esempio (3/3)
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
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)
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
Combustione, carburanti e lubrificanti
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Combustibili solidi
Combustibili liquidi
Potere antidetonante delle benzine
Cherosene
Gasolio per motori Diesel
Gas di petrolio liquefatto
Metano
Idrogeno
I combustibili
I combustibili
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Classificazione dei combustibili
I combustibili possono essere classificati in:
Combustibili naturali e combustibili artificiali
Combustibili solidi, liquidi o gassosi
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 Qi pari circa a
35.000 kJ/kg)
Antracite
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Disponibilità
Vi è un’ampia disponibilità di combustibili solidi
e le riserve mondiali già accertate sono
superiori a 3 · 10 12 tonnellate. La loro
utilizzazione è in aumento a seguito dello
sviluppo di processi di gassificazione.
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
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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 2
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Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
I combustibili
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87

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Combustibili liquidi naturali
I combustibili liquidi naturali sono costituiti da
diversi tipi di petrolio originatisi dalla
trasformazione di sostanze prevalentemente di
origine animale.
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89
Disponibilità (1/3)
Le riserve mondiali accertate sono dell’ordine
di 200·109 tonnellate, una quantità sufficiente
a coprire le esigenze del prossimo mezzo
secolo.
Ne vengono estratti circa 75 · 106 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
90

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
92

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Petrolio (1/8)
L’analisi elementare del petrolio rivela la
presenza di 86-87% in peso di C e di 11-13 %
di H e di piccole quantità di S, O, N. Esso è
praticamente costituito da una miscela di
idrocarburi (composti fra C e H).
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93
Petrolio (2/8)
Sono presenti, in misura diversa a seconda
della provenienza:
Idrocarburi paraffinici saturi di formula generale
CnH2n+2 , contenenti fino a 30 o più atomi di C,
prevalentemente poco ramificati
Idrocarburi ciclici detti naftenici o cicloparaffinici
CnH2n Idrocarburi aromatici rappresentati dal benzene
e dai suoi omologhi
Piccole quantità di composti ossigenati,
solforati, azotati
94

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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
96

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
98

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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).
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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 44.000 kJ/kg, dotate
di eccellente proprietà antidetonanti.
100

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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102

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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).
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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.
104

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 1.
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.
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105
106

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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107
Benzine ossigenate (2/2)
Queste benzine ossigenate possono contenere:
Alcol etilico CH3CH2OH (circa il 20% in Brasile e
sono allo studio carburanti che lo contengono
fino all’85%)
Alcol metilico CH3OH , ottenuto dalla
gassificazione di combustibili fossili o da
biomasse
Etere metil butil terziario (MTBE)
CH3 –O–C≡(CH3 ) 3
Etere etil butil terziario (ETBE)
CH3CH2 –O–C≡(CH3 ) 3
Etere dimetilico (DME) CH3 –O–CH3 108

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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110

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Sono parametri importanti:
Cherosene (2/2)
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
I combustibili
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111

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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/cm3 ; il Qi è di circa 42.500 kJ/kg.
Nei motori diesel ad accensione per compressione
la combustione avviene sfruttando il calore svolto
nella compressione dell’aria che, compressa fino a
30÷40 atmosfere si riscalda fino a 500° - 550°C.
Il carburante nebulizzato, portato a contatto con
l’aria calda, evapora, brucia e sviluppa energia.
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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
114

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
116

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
118

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
120

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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122

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Gas di petrolio liquefatto GPL (2/3)
Ha densità bassa, di soli 0,5 g/cm 3 , e un Q i di
circa 42.000 kJ/kg; da un litro di GPL si
ottengono circa 250 litri di gas.
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.
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123
124

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 2
Gassificazione di derivati petroliferi
Si ottiene un gas costituito da
48 ÷ 52 % di H 2 ;
18 ÷ 25 % 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 14.500 kJ/Nm 3 .
©2005 Politecnico di Torino 63
125
126

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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128

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
130

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 700.000 vetture alimentate anche a
metano.
I combustibili
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131

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 120.800 kJ/kg mentre gli idrocarburi
ne svolgono circa 42.000.
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133
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.
134

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
136

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
138

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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
140

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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141
Fuel Cells (2/4)
142

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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
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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.
144

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
Alimentazione dei propulsori (1/2)
Riassumendo sono possibili i seguenti sistemi di
alimentazione dei propulsori:
Benzina
Gasolio
Benzina e GPL
Benzina e metano
Metano
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145
146

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

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Concetti di base
Marmitte catalitiche
Trappole per particolato
Carburanti e inquinamento
Carburanti e inquinamento
©2005 Politecnico di Torino 75
149

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 76
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.
152

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Rapporto α
Il quantitativo di inquinanti emessi dipende dai
km già percorsi dall’autoveicolo e dal rapporto
aria/combustibile, a/c ovvero α.
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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 1.
154

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Rapporto di equivalenza (2/2)
A valori di λ inferiori o superiori a 1 corrispondono,
rispettivamente, miscele aria/combustibile ricche o
povere (magre).
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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
NOx 0,08 g/km
Auto a gasolio
CO 0,5 g/km
HC + NOx 0,30 g/km
NOx 0,25 g/km
particolato (PM) 0,025 g/km
156

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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 2 .
158

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Ossido di carbonio (2/4)
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159
Ossido di carbonio (3/4)
160

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
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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.
162

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Ossidi di azoto (2/4)
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163
Ossidi di azoto (3/4)
164

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 83
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.
166

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Idrocarburi incombusti (2/5)
©2005 Politecnico di Torino 84
167
Idrocarburi incombusti (3/5)
168

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Idrocarburi incombusti (4/5)
©2005 Politecnico di Torino 85
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.
170

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 86
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.
172

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 2 .
©2005 Politecnico di Torino 87
173
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.
174

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 88
176

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 89
177
Marmitte catalitiche (3/9)
178

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Marmitte catalitiche (4/9)
©2005 Politecnico di Torino 90
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).
180

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 91
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
182

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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 2
©2005 Politecnico di Torino 92
183
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 300° ÷350°C e cioè dopo 10’ ÷ 15’
dall’accensione del motore.
184

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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%.
©2005 Politecnico di Torino 93
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.
186

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 94
188

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 95
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.
190

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 96
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.
192

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Trappole per particolato (6/6)
Quando la temperatura dei fumi supera i
300° ÷350°C le particelle carboniose di particolato
vengono bruciate da NO 2 secondo la reazione
schematica
C + 2 NO 2 → CO 2 + 2 NO.
Combustione, carburanti e lubrificanti
©2005 Politecnico di Torino 97
193

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Generalità su attrito e usura
Lubrificanti
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
Lubrificanti
©2005 Politecnico di Torino 98
195

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 99
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..
198

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 100
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.
200

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 101
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.
202

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
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.
©2005 Politecnico di Torino 102
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.
204

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Lubrificanti (1/2)
I lubrificanti sono sostanze che, interponendosi
tra due superfici in moto relativo, ne impediscono
il contatto diretto in tutte le condizioni di carico,
temperatura, velocità relativa, riducendo i
fenomeni di attrito e usura.
©2005 Politecnico di Torino 103
206

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti (2/2)
Il lubrificante sostituisce all’attrito tra le parti il
proprio attrito interno o viscosità che è molto più
modesto; fondamentale è la sua capacità di
aderire fortemente alle superfici da lubrificare
anche sotto forti pressioni.
©2005 Politecnico di Torino 104
207
Proprietà dei lubrificanti
I lubrificanti a base di idrocarburi:
Migliorano il rendimento di macchine e motori
diminuendo l’energia perduta per attrito
Possono agire da fluidi di raffreddamento,
rimuovendo il calore prodotto per attrito o
proveniente da sorgenti esterne
Prevengono la formazione di ruggine, depositi,
incrostazioni, proteggendo le superfici
dall’attacco degli agenti atmosferici o dei prodotti
aggressivi formatisi in esercizio
208

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Classificazione dei lubrificanti
I lubrificanti possono essere classificati, in base al
loro stato di aggregazione, in lubrificanti:
Liquidi
Pastosi
Solidi
Oppure, in base all’utilizzazione, in lubrificanti:
Per motori
Per impieghi industriali
©2005 Politecnico di Torino 105
209
Domanda di lubrificanti
La domanda annua di lubrificanti in Italia supera
le 300.000 tonnellate sia per il campo
autoveicolistico che per quello industriale.
210

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Lubrificanti liquidi
I lubrificanti liquidi sono sia di origine petrolifera
sia sintetici.
I lubrificanti di origine petrolifera a base di
idrocarburi hanno pesi molecolari che variano da
150 a 1000, sono di tipo saturo o di tipo
aromatico o cicloparaffinico con catene laterali
contenenti da 7 a 20 atomi di C.
©2005 Politecnico di Torino 106
212

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Viscosità (1/8)
Il parametro che più caratterizza un lubrificante è
la viscosità; essa misura la resistenza opposta
alle forze che tendono a farlo scorrere ed è
quindi un indice dell’attrito interno.
©2005 Politecnico di Torino 107
213
Viscosità (2/8)
Esiste una viscosità dinamica. In un liquido che
scorre su una superficie piana ferma spinto da
una forza F lo strato a contatto con la superficie è
privo di moto, mentre quello che si trova a una
distanza x si muove con una velocità v.
214

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Viscosità (3/8)
La forza necessaria per mantenere alla velocità v
una superficie S distante x dalla superficie solida
ferma è proporzionale all’area S, al gradiente di
velocità ∆v/∆x, e a un coefficiente η, caratteristico
del fluido considerato, denominato coefficiente di
viscosità o, semplicemente, viscosità.
Vale cioè la relazione:
F = η S ∆v/∆x;
η è misurata in poise o in centipoise.
©2005 Politecnico di Torino 108
215
Viscosità (4/8)
La viscosità dinamica η compare anche
nell’equazione di Poiseuille che la correla con il
volume V di un liquido che fluisce in un tempo t in
un capillare di raggio r e di lunghezza l in presenza
di una differenza di pressione p esistente agli
estremi del capillare.
Vale cioè la relazione
V = π pr4t / 8ηl.
216

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Viscosità (5/8)
La viscosità dinamica η compare anche
nell’equazione di Stokes che correla la velocità di
caduta v di una sfera di densità d 2 e di raggio r in
un lubrificante di densità d 1 e di viscosità η.
Vale cioè la relazione
v = 2/9 g (d2 –d1 ) r2 /η
(g = accelerazione di gravità).
©2005 Politecnico di Torino 109
217
Viscosità (6/8)
In ambito autoveicolistico si usa una viscosità
Saybolt che corrisponde ai secondi che 60 cm 3 di
lubrificante impiegano a uscire dal viscosimetro
standardizzato di Saybolt.
Sui valori a –17,8°C (= 0°Fahrenheit) e a 98,9°C
(= 210°Fahrenheit) è basata la classificazione
degli oli lubrificanti per motori SAE (Society of
Automotive Engineers).
218

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Viscosità (7/8)
Si parla anche di viscosità cinematica ν data dal
rapporto tra la viscosità dinamica η e la massa
volumica (o densità) d.
E’ cioè
ν = η/d
(ν è misura in stokes o in centistokes).
©2005 Politecnico di Torino 110
219
Viscosità (8/8)
Si parla infine anche di viscosità relativa di un
lubrificante rispetto a quella dell’acqua alla stessa
temperatura. E’ data dal rapporto tra il tempo di
efflusso attraverso un foro sottile del lubrificante
e quello di un ugual volume di acqua.
220

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Fluidità
Si parla talvolta infine anche di fluidità (φ) che è
data dal reciproco della viscosità dinamica.
E cioè:
φ = 1/η = 1/νd;
(η = visc.dinamica; ν = visc. cinematica;
d = densità).
©2005 Politecnico di Torino 111
221
Indice di viscosità (1/3)
Indice di viscosità. E’ un numero pratico che
serve a quantificare la dipendenza della viscosità
di un lubrificante dalla temperatura. L’indice di
viscosità è alto quando la viscosità varia poco con
la temperatura, com’è quasi sempre richiesto.
222

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Indice di viscosità (2/3)
L’indice di viscosità viene determinato confrontando
il lubrificante in esame con due campioni con uguale
viscosità a 98,9°C, ma con viscosità molto diverse a
bassa temperatura, dando indice 100 a quello la cui
viscosità varia poco con la temperatura e indice 0 a
quello che presenta una forte variazione.
©2005 Politecnico di Torino 112
223
Indice di viscosità (3/3)
L’indice di viscosità (I.V.) si ottiene dalla relazione:
I.V. = ( L – U ) • 100 / L – H,
dove L, H, e U sono le viscosità a 37,8°C.
224

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Densità o massa volumica
Densità o massa volumica. Vale circa 0,86 ÷ 0,89
g/cm 3 ; essa è, a parità di viscosità, più bassa per i
prodotti paraffinici e più alta per quelli aromatici o
cicloparaffinici; per uno stesso tipo aumenta con la
viscosità e diminuisce all’aumentare dell’indice di
viscosità.
©2005 Politecnico di Torino 113
225
Punto di infiammabilità
E’ la temperatura alla quale, a seguito della
presenza di prodotti infiammabili, una fiammella
provoca l’accensione della superficie del lubrificante.
Nei lubrificanti nuovi varia tra 130° e 300°C e
dipende dalla viscosità e dalla presenza di additivi.
E’ utile come indicatore di possibili contaminazioni
da parte di carburanti o solventi.
226

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Punto di intorbidamento
E’ la temperatura alla quale il lubrificante
comincia a perdere trasparenza a causa della
comparsa di particelle solide di paraffina. Deve
essere il più basso possibile.
©2005 Politecnico di Torino 114
227
Punto di scorrimento
E’ una temperatura superiore di 3°C a quella alla
quale il lubrificante non scorre più perché è tutto
solidificato; è alta se predominano gli idrocarburi
paraffinici e bassa se prevalgono quelli
cicloparaffinici.
228

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Stabilità termica
Indica la resistenza di un lubrificante riscaldato a
330 ÷ 340°C a decomporsi in prodotti costituiti da
molecole di piccole dimensioni e quindi volatili.
©2005 Politecnico di Torino 115
229
Calore specifico
E’ legato alle proprietà refrigeranti del lubrificante
in quanto misura l’energia termica che è in grado
di assorbire; essa è dell’ordine di 1,4 ÷1,5 J g -1 K -1 .
Il calore specifico aumenta con la temperatura.
230

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Conducibilità termica
Attiene anch’essa alle proprietà refrigeranti in
quanto misura l’attitudine a trasferire energia
termica dalle zone calde ai circuiti di
raffreddamento.
Essa vale circa 0,12 ÷ 0,14 W m -1 K -1 e diminuisce
all’aumentare sia della temperatura sia della
viscosità.
©2005 Politecnico di Torino 116
231
Demulsività
Attitudine del lubrificante a separare rapidamente
l’acqua con cui è venuto a contatto per evitare
che questa provochi fenomeni di corrosione,
deterioramento degli additivi, formazione di bolle
di vapore che interrompono i film lubrificanti.
232

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Schiumeggiamento
Tendenza del lubrificante a inglobare aria sotto
forma di schiuma esterna o interna con rischi di
fuoriuscita dai serbatoi o di creazione di
discontinuità del velo di lubrificante che
innescano fenomeni di usura.
©2005 Politecnico di Torino 117
233
Residuo carbonioso
Costituisce la quantità di materiale carbonioso
che si forma per pirolisi a seguito di
surriscaldamenti verificatisi in esercizio.
234

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Ceneri solfatate
Attitudine a formare solfati per reazione tra le
sostanze presenti nel lubrificante e i composti
ossigenati dello zolfo derivanti dal carburante.
©2005 Politecnico di Torino 118
235
Perdite per evaporazione
Misurano la quantità di sostanze volatili presenti
nel lubrificante e quindi consentono di valutare il
consumo del lubrificante in esercizio e il
conseguente aumento di viscosità.
236

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Resistenza all’ossidazione
Determina la vita utile del lubrificante
misurandone la capacità di resistere alla reazione
con l’ossigeno dell’aria con formazione di prodotti
acidi corrosivi o di sostanze volatili o di materiali
polimerici che alterano la viscosità e formano
depositi.
©2005 Politecnico di Torino 119
237
Protezione dalla corrosione
Attitudine del lubrificante a preservare le superfici
da attacchi corrosivi sia da parte dell’umidità
presente nell’olio o che condensa dall’atmosfera
sia da parte di componenti acidi.
238

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Capacità di sopportare carichi elevati
E’ l’attitudine a garantire la continuità del film
lubrificante anche in condizioni estreme quanto a
carico applicato, temperatura, velocità di moto
relativo delle superfici da lubrificare.
Lubrificanti
©2005 Politecnico di Torino 120
239

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Oli base
I lubrificanti si ottengono mescolando oli base e
additivi.
Gli oli base possono essere minerali, ottenuti
dalla lavorazione del petrolio, oppure sintetici,
oppure derivare dalla rigenerazione di oli esausti
(basi ri - raffinate).
©2005 Politecnico di Torino 121
241
Oli base minerali (1/2)
Gli oli base minerali contengono idrocarburi
paraffinici, olefinici, naftenici e aromatici, dal cui
rapporto dipendono viscosità e indice di viscosità,
e piccole quantità di composti contenenti anche
S, N, O che influenzano stabilità all’ossidazione,
demulsività, resistenza alla corrosione,
antischiumeggiamento.
242

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Oli base minerali (2/2)
Si ottengono distillando a pressione ridotta le
frazioni altobollenti del petrolio, estraendo con
solventi gli idrocarburi aromatici, effettuando
una deparaffinazione per eliminare i
componenti che solidificano alle temperature
più alte.
Sono costituiti da idrocarburi con peso
molecolare che varia da 150 a 1000 con anelli
ciclici con catene laterali contenenti da 7 a 20
atomi di carbonio.
©2005 Politecnico di Torino 122
243
Oli base sintetici
Gli oli base sintetici hanno, rispetto a quelli
minerali, una volatilità e quindi un consumo
minore, una minore viscosità, un indice di
viscosità più elevato, una migliore stabilità alle
alte temperature e quindi durata più lunga;
purtroppo il loro costo è più elevato.
Gli oli sintetici più utilizzati sono a base di
polialfaolefine, di esteri, di poliglicoli, di
polibuteni.
244

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Basi ri-raffinate
Le basi ri-raffinate si ottengono eliminando dagli
oli esausti le sostanze volatili, le sostanze
insolubili, i residui degli additivi attraverso
processi di distillazione e di idrogenazione.
I prodotti ottenuti hanno caratteristiche identiche
a quelle delle basi vergini.
©2005 Politecnico di Torino 123
245
Additivi
Gli additivi per lubrificanti svolgono la duplice
funzione di migliorare le caratteristiche intrinseche
degli oli base e di impartire nuove proprietà.
246

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Detergenti
Tendono a limitare il deposito di sostanze non
solubili, derivanti dai prodotti della combustione o
dal degrado termo - ossidativo che si verifica nel
funzionamento a caldo dei dispositivi. Sono a base
di saponi di calcio, nei quali è disperso carbonato
di calcio in forma colloidale, che conferiscono al
lubrificante caratteristiche basiche.
©2005 Politecnico di Torino 124
247
Disperdenti (1/2)
Mantengono i prodotti insolubili formatisi nei
lubrificanti sospesi sotto forma di dispersione
finissima impedendo loro di depositarsi sulle
superfici.
248

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Disperdenti (2/2)
Sono, come i detergenti, costituiti da molecole
contenenti una catena polimerica oleofila e una
testa polare oleofoba.
La testa polare si attacca alle superfici impedendo
che vi si formino depositi (azione detergente)
oppure si attacca alle particelle di impurezze
impedendone l’aggregazione e la precipitazione
(azione disperdente).
©2005 Politecnico di Torino 125
249
Antiossidanti
Proteggono i lubrificanti dall’alterazione ossidativa
dovuta all’azione dell’ossigeno, dell’alta
temperatura, dell’umidità, dei metalli pesanti che
porta alla formazione di prodotti acidi corrosivi e
di depositi e a un aumento della viscosità.
250

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Miglioratori dell’indice di viscosità (1/2)
Riducono la dipendenza della viscosità dalla
temperatura. Si ricorre a macromolecole
polimeriche che a freddo sono arrotolate su se
stesse con una piccola superficie di contatto con
il lubrificante.
Miglioratori dell’indice di viscosità (2/2)
A caldo, quando la viscosità tende a diminuire, le
macromolecole si srotolano, aumentano di volume e
instaurano con l’olio base interazioni che limitano la
perdita di viscosità.
I miglioratori dell’indice
di viscosità fanno anche
aumentare la viscosità
del lubrificante per cui
occorre aggiungerli ad
oli a bassa viscosità.
©2005 Politecnico di Torino 126
251
252

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Oli multigrado
Con questi additivi è risultato possibile ottenere
lubrificanti per autotrazione appartenenti a più di
una gradazione SAE (oli multigrado od oli quattro
stagioni) risolvendo il problema del cambio
stagionale del lubrificante.
©2005 Politecnico di Torino 127
253
Stabilità al taglio meccanico
Importante per questi additivi è la stabilità al
taglio meccanico. Quando il lubrificante è
sottoposto a sollecitazioni di taglio si possono
infatti verificare sia perdite di viscosità
temporanee dovute a un allineamento delle
macromolecole dell’additivo sia perdite di
viscosità definitive conseguenti alla rottura delle
macromolecole.
254

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Additivi che abbassano il punto di scorrimento
Annullano l’effetto nocivo della presenza di
idrocarburi paraffinici che solidificano ad alte
temperature sotto forma di cristalli tabulari e
aumentano la viscosità. Modificano la morfologia
di questi cristalli facendo loro assumere una
forma sferica assai meno penalizzante la
viscosità.
Additivi antiattrito e antiusura (1/3)
Favoriscono il realizzarsi di uno strato aderente
alle superfici da lubrificare anche nel caso di
carichi molto forti.
Sono caratterizzati da una parte oleosolubile
rivolta verso il lubrificante e una parte contenente
raggruppamenti chimici a forte polarità che si
ancorano chimicamente alle superfici da
lubrificare; in questi raggruppamenti sono
presenti atomi di Cl, S, P.
©2005 Politecnico di Torino 128
255
256

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Additivi antiattrito e antiusura (2/3)
Un esempio importante è costituito dai ditiofosfati
di zinco; la formula generale è rappresentata nella
figura.
R è il radicale di un alcol primario a catena corta
(meno di 6 atomi di C) o a catena lunga
(6 ÷ 8 atomi di C) o di un alcol secondario.
Additivi antiattrito e antiusura (3/3)
La stabilità termica aumenta nell’ordine:
R secondario < R primario a catena corta < R
primario a catena lunga.
L’efficacia antiusura varia nell’ordine inverso.
Nel caso di pressioni molto elevate, come nella
formatura dei metalli, si usano oli per lubrificazione
limite a base di acidi grassi che formano strati di
sapone molto tenaci.
©2005 Politecnico di Torino 129
257
258

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Additivi anticorrosione
Si aggiungono per preservare i dispositivi, ad es. i
motori, durante l’immagazzinamento o durante
soste prolungate, dalla corrosione dovuta ai
prodotti acidi della combustione e
dall’arrugginimento provocato da ossigeno e
umidità.
©2005 Politecnico di Torino 130
259
Additivi antischiuma
Modificano le proprietà superficiali dei lubrificanti
all’interfaccia aria/olio contrastando la formazione
di schiume superficiali (siliconi) o di schiume
interne (poliacrilati).
260

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Additivi disemulganti
Agiscono all’interfaccia lubrificante/acqua,
diminuendo l’affinità tra i due costituenti e
consentendo l’aggregazione e la separazione
delle piccole goccioline di acqua.
©2005 Politecnico di Torino 131
261
Additivi emulgatori
Promuovono la formazione di emulsioni stabili
dell’olio nell’acqua com’è richiesto per le
emulsioni utilizzate nelle lavorazioni dei metalli.
262

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Pacchetti di additivi
Sono miscele complesse di additivi che tengono
conto della compatibilità tra i componenti. Nei
lubrificanti per autotrazione il pacchetto, che
costituisce dal 5 al 18% del prodotto, è formato
per il 35 ÷ 60% da disperdente; 25 ÷ 35% da
detergente e 5 ÷ 15% da altri additivi.
Lubrificanti
©2005 Politecnico di Torino 132
263

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Oli motore
La lubrificazione è complessa a causa della forte
variabilità delle condizioni di carico, velocità,
temperatura e della natura dei materiali.
©2005 Politecnico di Torino 133
265
Requisiti dei lubrificanti
Il lubrificante deve:
Formare uno strato sugli accoppiamenti meccanici
in moto relativo per contenere attriti e usura
Assicurare la pulizia del motore prevenendo la
formazione di depositi
Proteggere le parti metalliche dalla ruggine e
dall’attacco chimico da parte dei prodotti acidi
formatisi nella combustione
Collaborare con le fasce elastiche alla tenuta tra
pistone e cilindro per impedire perdite di potenza
Integrare il sistema di raffreddamento del motore
266

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Requisiti per motori Diesel e benzina
Nei motori diesel la maggior criticità è
nell’accoppiamento cilindro - pistone, a causa
delle temperature elevate; inoltre lo zolfo del
gasolio è fonte potenziale di acidità corrosiva e il
particolato tende a ispessire il lubrificante e a
formare depositi.
Nei motori a benzina le criticità sono nella
distribuzione dove sono presenti fenomeni di
usura e nella formazione di morchie che intasano
il circuito di lubrificazione.
Classificazione dei lubrificanti (1/4)
I lubrificanti vengono qualificati seguendo la
specifica SAE che li classifica in base a:
La viscosità dinamica a bassa temperatura:
definisce gradi SAE “W” dall’iniziale della parola
inglese winter (inverno) da 0W a 25W in base a
valori di viscosità misurati a temperature da
–30°C a –5 °C. La temperatura rappresenta
quella minima alla quale il motore può essere
avviato quando sia lubrificato con l’olio di grado
SAE corrispondente; ad es. un olio 10W consente
l’avviamento fino a –20°C (v. tabella)
©2005 Politecnico di Torino 134
267
268

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Classificazione dei lubrificanti (2/4)
Classificazione dei lubrificanti (3/4)
I lubrificanti possono essere classificati in base:
Alla viscosità cinematica misurata a 100°C:
definisce gradi SAE da 20 a 60 per valori di
viscosità crescenti
Alla temperatura minima di pompabilità che è
quella alla quale il lubrificante, oltre a consentire
l’avviamento, è in grado di scorrere fino a
lubrificare le parti critiche del motore.
©2005 Politecnico di Torino 135
269
270

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Classificazione dei lubrificanti (4/4)
Con riferimento alla tabella un lubrificante
multigrado con sigla 15W – 40 ha una viscosità a
100°C compresa tra 12,5 e 16,3 cSt;
una viscosità massima a –15°C di 3500 cP e una
pompabilità di –20°C.
©2005 Politecnico di Torino 136
271
Consumo
Il consumo dell’olio avviene per trafilamenti
attraverso gli accoppiamenti cilindro - pistone e
valvole - guida valvole oltre che per cattiva
tenuta della coppa e della testa. Il consumo è più
contenuto se la viscosità è più alta e la volatilità è
più bassa.
Il consumo può essere compensato con
rabbocchi; se si usa un lubrificante diverso
dall’originale si ottiene un prodotto con
prestazioni inferiori a quelle di ciascuno dei due.
272

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Oli per motori a 2 tempi
Sono impiegati nelle moto, nei fuoribordo, nelle
motoseghe, nei tagliaerba, ecc.; questi motori
esprimono, a parità di cilindrata, una potenza
quasi doppia rispetto ai motori a quattro tempi.
La lubrificazione del motore è garantita
dall’impiego di una miscela al 2 ÷6 % di olio in
benzina. Il cambio e la frizione lavorano in bagno
d’olio in un carter separato.
Oli per motori motociclistici a quattro tempi
I motori hanno alte potenze specifiche
(circa 120 CV/l contro i circa 80 CV/l dei motori
automobilistici) e impiegano lubrificanti con basi
sintetiche additivate per rispondere alle sollecitazioni
termico ossidative.
Il lubrificante svolge anche la funzione refrigerante
di cilindri e testa e di lubrificante della trasmissione.
©2005 Politecnico di Torino 137
273
274

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Oli per trasmissioni (1/2)
Comprendono gli oli cambio - differenziale che
rientrano nella categoria dei lubrificanti per
ingranaggi. Si impiegano oli sintetici additivati
con antiossidanti, componenti antiusura per
pressioni elevate, antiruggine, antischiuma,
miglioratori di viscosità ad alta stabilità al taglio.
©2005 Politecnico di Torino 138
275
Oli per trasmissioni (2/2)
Comprendono inoltre gli oli per trasmissioni
automatiche e devono avere proprietà detergenti,
disperdenti, antischiuma, antiusura, anticorrosione
ed essere compatibili con le guarnizioni.
Devono trasmettere agli organi di trazione la
potenza generata dal motore, lubrificare ingranaggi,
cuscinetti, superfici di frizione, operare come fluido
oleodinamico nel circuito idraulico di controllo e
come fluido refrigerante degli organi della
trasmissione.
276

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Liquidi per freni (1/2)
I liquidi per freni sono miscele di poliglicoli
additivati per garantire la compatibilità con i
materiali (guarnizioni, metalli), un minimo potere
lubrificante, la stabilità all’ossidazione.
©2005 Politecnico di Torino 139
278

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Liquidi per freni (2/2)
Devono possedere un’elevata temperatura di
ebollizione per ridurre al minimo il rischio di
formazione di bolle di vapore in caso di
surriscaldamento dei freni.
La temperatura di ebollizione dei liquidi per freni
è di circa 300°C, ma può abbassarsi in presenza
di acqua.
©2005 Politecnico di Torino 140
279
Liquidi antigelo protettivi (1/3)
I liquidi antigelo protettivi smaltiscono attraverso
un circuito di raffreddamento il calore sviluppato
durante il funzionamento del motore.
Non si può usare l’acqua, nonostante l’elevato
calore specifico e l’ottima capacità di trasmissione
del calore, perché congela alla temperatura
relativamente alta di 0°C.
280

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Liquidi antigelo protettivi (2/3)
Per abbassare il punto di congelamento
dell’acqua si addiziona glicole etilenico CH 2 OH –
CH 2 OH fino alla concentrazione massima del 60%
con riduzione del punto di congelamento a –
45°C.
©2005 Politecnico di Torino 141
281
Liquidi antigelo protettivi (3/3)
Questi liquidi devono anche garantire la capacità di
eliminare o limitare la formazione di depositi; la
compatibilità con le gomme dei manicotti e con i
materiali metallici; la stabilità chimica in presenza di
acqua; la stabilità termica; proprietà antischiuma.
Il glicole etilenico è un composto tossico, se
ingerito; si sta pensando di sostituirlo con il più
costoso glicole propilenico; entrambi sono per altro
biodegradabili.
282

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Lubrificanti per impieghi industriali
I lubrificanti per impieghi industriali comprendono,
come classi principali, gli oli idraulici, gli oli per
turbine, ingranaggi, compressori, per la lavorazione
dei metalli (formatura e taglio), per cuscinetti.
©2005 Politecnico di Torino 142
284

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti idraulici (1/4)
Nei sistemi idraulici o nei comandi oleodinamici si
sfrutta l’incomprimibilità dei liquidi per la
trasmissione del moto.
©2005 Politecnico di Torino 143
285
Lubrificanti idraulici (2/4)
Un impianto idraulico consiste in un circuito di
circolazione del fluido comprensivo di una pompa, di
condotte, di valvole, ecc..
286

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti idraulici (3/4)
Oltre a bassa viscosità, alto indice di viscosità, basso
punto di scorrimento, demulsività, non ossidabilità,
proprietà antiusura e anticorrosive devono garantire
proprietà specifiche:
Incomprimibilità, per una corretta trasmissione della
potenza
Compatibilità con le guarnizioni, per evitare perdite
d’olio e di potenza
Proprietà antischiuma e tendenza a non incorporare
aria
Filtrabilità, per allontanare facilmente particelle
potenzialmente usuranti
©2005 Politecnico di Torino 144
287
Lubrificanti idraulici (4/4)
Sono spesso anche richieste caratteristiche di
Biodegradabilità (ambito agricolo)
Di non tossicità (ambito alimentare, farmaceutico)
Di ininfiammabilià (ambito siderurgico)
Ottenute utilizzando basi sintetiche del tipo degli
esteri.
Gli oli idraulici più usati sono tuttavia a base
minerale e additivati con miglioratori dell’indice di
viscosità, antiossidanti, antiusura, antiruggine,
anticorrosivi, disemulsionanti e antischiuma.
288

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti per turbine (1/2)
Una turbina è un motore con la parte motrice dotata
di un moto rotatorio destinato a generare potenza
meccanica utilizzando l’energia posseduta da un
fluido che può essere acqua, vapor d’acqua a 550°C,
gas caldo di combustione a 900°C.
Il circuito di lubrificazione consiste in una pompa che
trasporta il lubrificante dal serbatoio ai punti da
lubrificare, in un filtro e in uno scambiatore di
calore.
©2005 Politecnico di Torino 145
289
Lubrificanti per turbine (2/2)
Compito del lubrificante è rimuovere il calore
trasmesso ai cuscinetti dalle parti calde del
dispositivo; lubrificare i cuscinetti su cui poggiano
gli alberi; operare come olio idraulico per
l’azionamento dei servomeccanismi; operare
come olio per ingranaggi.
Si impiegano oli base molto curati (oli “grado
turbina”) poco additivati con antiossidanti,
antiruggine, anticorrosivi, disemulganti,
antischiuma e molto poveri in ceneri.
290

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti per ingranaggi industriali
Lubrificanti per ingranaggi industriali. Sono
utilizzati per aumentare o ridurre la velocità di
rotazione o per cambiare la direzione del moto.
Possono lavorare in carter, immersi in olio,
oppure ricevere da una pompa l’olio nella zona di
contatto.
©2005 Politecnico di Torino 146
291
Lubrificazione idrodinamica
Si può avere una lubrificazione idrodinamica
quando gli ingranaggi sono separati da un film di
olio spesso due o tre volte la rugosità; gli oli sono
minerali con antiossidanti e antiruggine e con
viscosità crescente all’aumentare della potenza
trasmessa e al diminuire della velocità.
292

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificazione limite
Si ha invece lubrificazione limite quando sussiste il
pericolo di rottura del velo lubrificante; si impiegano
oli minerali a base sintetica (es.poliglicoli) additivati
di sostanze capaci di essere assorbite fisicamente e
chimicamente dalle superfici.
©2005 Politecnico di Torino 147
293
Requisiti
I lubrificanti per ingranaggi devono inoltre acquisire,
attraverso gli additivi:
Alto indice di viscosità
Basso punto di scorrimento
Stabilità chimica
Adesività
Demulsività
Proprietà antischiuma
Antiattrito
Antiusura
Capacità di proteggere dalla corrosione
294

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti per compressori (1/3)
I compressori sono impiegati per lo stoccaggio e
il trasporto di gas o per la loro liquefazione. Si
dividono in volumetrici (alternativi o rotativi) e
dinamici (centrifughi o assiali).
Lubrificanti per compressori (2/3)
La scelta del lubrificante per compressori di gas
dipende dalla temperatura di compressione, dalla
capacità di ridurre attrito e usura, di agire da
barriera nei confronti del gas compresso,
contrastando cadute di pressione, di refrigerare,
di formare poco deposito carbonioso.
©2005 Politecnico di Torino 148
295
296

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti per compressori (3/3)
Nei lubrificanti per compressori frigoriferi, che
impiegano ammoniaca nei grossi impianti e
fluorocarburi (freon 134a, senza cloro) in quelli
piccoli, si utilizzano lubrificanti a punto di
scorrimento molto basso: basi nafteniche
severamente raffinate o basi sintetiche costituite
da esteri o poliglicoli.
Lubrificanti per lavorazione di metalli (1/3)
La lavorazione può riguardare sia la formatura per
deformazione plastica sia la rimozione controllata di
materiale (taglio); in ogni caso vi è un contatto tra
un utensile e il componente da lavorare.
In queste condizioni di attrito elevato si riscontrano
alte temperature e usura degli utensili con il
lubrificante che deve garantire tolleranze e qualità
dei pezzi finiti, elevati ritmi di produzione e ridotta
usura degli utensili.
©2005 Politecnico di Torino 149
297
298

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti per lavorazione di metalli (2/3)
Per la rimozione del calore si impiega l’acqua,
come solvente o come parte di una emulsione,
con problemi di formazione di ruggine, di stabilità
nel tempo dell’emulsione, di evaporazione
dell’acqua, di crescita batterica, di formazione di
schiuma.
Lubrificanti per lavorazione di metalli (3/3)
Nei processi di formatura (es. laminazione,
trafilatura, estrusione, stampaggio, forgiatura,
imbutitura), condotti a freddo o a caldo, i lubrificanti
devono ridurre l’attrito per aumentare la vita degli
utensili, abbassare il consumo di energia e lo
sviluppo di calore, migliorare la finitura delle
superfici, consentire le massime riduzioni di
spessore.
Si impiegano oli minerali, emulsioni, sospensioni di
grafite, esteri, acidi grassi, cere, bentonite, talco.
©2005 Politecnico di Torino 150
299
300

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti da taglio (1/5)
I lubrificanti da taglio sono impiegati nella
realizzazione di componenti attraverso la
rimozione controllata di materiale da parte di un
utensile (es. foratura, alesatura, tornitura,
fresatura, filettatura, limatura, piallatura, taglio,
ecc.).
©2005 Politecnico di Torino 151
301
Lubrificanti da taglio (2/5)
In figura le più comuni operazioni di taglio sono
elencate in funzione della velocità di taglio e
dell’efficacia richiesta al lubrificante.
302

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti da taglio (3/5)
Come mostra la figura il processo comporta la
formazione del truciolo e il suo movimento lungo
la superficie del pezzo.
©2005 Politecnico di Torino 152
303
Lubrificanti da taglio (4/5)
E’ richiesta la rimozione rapida del calore,
risultante dall’attrito e dal lavoro di deformazione
del materiale, per evitare il deterioramento del
tagliente dell’utensile e della qualità della
superficie lavorata.
304

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti da taglio (5/5)
I lubrificanti da taglio possono essere:
Soluzioni acquose di prodotti sintetici
additivate con anticorrosivi, untuosanti,
antischiuma, battericidi, sostanze a elevata
azione refrigerante
Oli emulsionati, costituiti da emulsioni di olio
in acqua, stabilizzate con emulgatori e
contenenti additivi per pressioni elevate,
antischiuma, antibatterici
©2005 Politecnico di Torino 153
305
Lubrificanti per cuscinetti (1/3)
Nei cuscinetti piani che sono elementi di sostegno
o di trasporto di alberi, perni, slitte e quindi sede
di moti rotativi con strisciamento, l’olio, che entra
attraverso un foro, deve avere bassa viscosità,
essere inalterabile nel tempo, demulsivo,
compatibile con metalli e guarnizioni.
306

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti per cuscinetti (2/3)
I cuscinetti a rotolamento o volventi, sono costituiti
da un anello fisso, da un anello mobile e da
elementi volventi (sfere, rulli cilindrici, rulli
tronco - conici) che hanno il compito di separare i
due anelli e consentirne la rotazione relativa sotto
carico.
Hanno, rispetto ai cuscinetti piani, un coefficiente
di attrito più basso, facilità di avviamento,
economia di lubrificazione, ridotti costi di
manutenzione, assenza di sgocciolamento.
©2005 Politecnico di Torino 154
307
Lubrificanti per cuscinetti (3/3)
I lubrificanti devono proteggere e raffreddare le
superfici e migliorare la resistenza all’usura;
occorre evitare la presenza di tracce di acqua, di
sostanze di natura acida, di impurezze che
potrebbero esercitare azione corrosiva o abrasiva.
308

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Grasso lubrificante (1/5)
Un grasso lubrificante è un prodotto semisolido
bifasico costituito da un agente ispessente
disperso in un lubrificante liquido; non è quindi
un lubrificante ad alta viscosità.
Il vero lubrificante che ricopre le superfici è la
fase liquida che, per effetto di una sollecitazione,
viene estratta (spremuta) dal grasso per poi
ritornare a farne parte una volta venuta meno la
sollecitazione.
©2005 Politecnico di Torino 155
310

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Grasso lubrificante (2/5)
La sostanza ispessente è costituita da saponi
(sali di Na, Ca, Li, Al di acidi grassi superiori)
sotto forma di fibre lunghe da 1 a 100 µm e con
diametri di 1/10 ÷ 1/100 della lunghezza.
Queste fibre ispessiscono il lubrificante formando
una struttura reticolare che trattiene
capillarmente l’olio; quando la sollecitazione
supera un certo valore la struttura reticolare si
rompe e la viscosità del lubrificante è quella del
costituente liquido.
©2005 Politecnico di Torino 156
311
Grasso lubrificante (3/5)
I compiti dei grassi sono:
Minimizzare l’usura
Ridurre gli intervalli di rilubrificazione;
Agire da sigillanti impedendo l’ingresso di particelle
estranee
Proteggere da ruggine, corrosione, ossidazione
Proteggere le guarnizioni
Ridurre rumore e vibrazioni
312

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Grasso lubrificante (4/5)
Vengono impiegati in macchinari che operano in
modo discontinuo, a temperature elevate, a
basse velocità, sotto carichi forti, a contatto con
superfici lavorate in modo grossolano, o che sono
isolati o relativamente inaccessibili e dove non è
richiesta dissipazione di calore.
©2005 Politecnico di Torino 157
313
Grasso lubrificante (5/5)
In ambito autoveicolistico sono impiegati nei
mozzi delle ruote, nelle sospensioni, negli
apparati sterzanti, negli assali di veicoli
commerciali. In ambito industriale sono impiegati
nei cuscinetti volventi dei laminatoi, nei nastri
trasportatori, nei sistemi di scarico e carico, nelle
gru, ecc..
314

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Agenti ispessenti (1/2)
Gli agenti ispessenti sono spesso dei saponi
semplici, sali di Na, Ca, Li, Al di un acido grasso
che contiene circa 18 atomi di C. La stabilità
meccanica e le caratteristiche reologiche sono
legate alla struttura fibrosa del sapone.
©2005 Politecnico di Torino 158
315
Agenti ispessenti (2/2)
316

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Consistenza del grasso (1/2)
La consistenza del grasso dipende:
Dalla quantità dell’ispessente; più è alta maggiore
è la consistenza
Dalla lunghezza della catena degli acidi grassi;
ottimale è quella con 18 atomi di C
Dal grado di ramificazione della catena; preferibile
basso per garantire buona consistenza
©2005 Politecnico di Torino 159
317
Consistenza del grasso (2/2)
Presenza di doppi legami; da evitare perché riduce
la consistenza
Presenza di gruppi polari; opportuna perché
favorisce legami intermolecolari
Dimensioni delle particelle (o micelle) del sapone;
preferibili piccole per favorire la penetrazione del
grasso
318

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Addensanti per grassi (1/2)
I grassi migliori e più diffusi sono quelli che
hanno come addensante il sapone costituito dal
sale di Li dell’acido 12 - idrossistearico; essi
hanno infatti:
Elevata stabilità meccanica
Buona stabilità termica
Moderata resistenza all’acqua
Buone proprietà antiruggine, anticorrosive,
sigillanti
©2005 Politecnico di Torino 160
319
Addensanti per grassi (2/2)
Si impiegano anche come addensanti saponi
complessi (al Ca, al Li, all’Al), sviluppati per
sopportare temperature elevate (anche 260°C);
contengono, oltre all’addensante, un agente
complessante polare, di peso molecolare inferiore
a quello dell’addensante, capace di rafforzare la
struttura che ingloba il lubrificante liquido.
320

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Basi per grassi
I lubrificanti base per i grassi, che costituiscono
dall’85 al 95% del grasso, sono di tipo minerale o di
tipo sintetico o di origine vegetale.
Sono preferiti quelli più fluidi per componenti che
operano ad alte velocità e bassi carichi e quelli più
viscosi per componenti operanti sotto carichi elevati
e velocità ridotte.
Se l’impiego comporta alte temperature si devono
utilizzare le più costose basi sintetiche costituite da
poliolefine, esteri, poliglicoli, idrocarburi alogenati.
©2005 Politecnico di Torino 161
321
Applicazione dei grassi
I grassi possono essere applicati manualmente;
oppure spingendoli da un serbatoio al punto di
utilizzo con un meccanismo a vite; oppure
automaticamente con un pistone a molla.
Più comune è il ricorso a pressioni esercitate con
una pistola mano o ad aria compressa; oppure a
sistemi centralizzati di distribuzione che utilizzano
una pompa, valvole dosatrici, tubazioni, giunti
flessibili per portare il grasso fino a tutti i punti
da lubrificare.
322

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Lubrificanti solidi (1/3)
Sono di natura diversa, ma sono accomunati da
una struttura lamellare formata da strati che
scorrono facilmente gli uni sugli altri in quanto
collegati da legami deboli.
©2005 Politecnico di Torino 162
324

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti solidi (2/3)
Si comportano in questo modo la grafite, il talco
(3MgO·4SiO2 ·2H2O), il disolfuro di molibdeno
(MoS2 ), il nitruro di boro (BN).
La grafite e il MoS2 si ossidano facilmente all’aria
a temperature superiori a 400°C e devono essere
sostituiti da altri lubrificanti se non può essere
evitato il contatto con l’ossigeno.
©2005 Politecnico di Torino 163
325
Lubrificanti solidi (3/3)
Un problema generale dei lubrificanti solidi è
quello della loro distribuzione e del loro
mantenimento sulle superfici da lubrificare.
Possono essere veicolati da un liquido, che poi
evapora, con il problema di mantenerli in
sospensione, oppure essere applicati come pasta
con il problema di forzare quest’ultima negli spazi
stretti fra le superfici da lubrificare.
326

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Lubrificanti
Impatto ambientale (1/5)
Come i carburanti anche i lubrificanti pongono
problemi di impatto ambientale perché vengono
facilmente a contatto con il suolo.
Essi possono per altro migliorare direttamente la
qualità ambientale, se vengono formulati privi di
componenti tossici o se sono biodegradabili o se
sono stati ottenuti da basi ri - raffinate con
riduzione degli scarti di oli esausti.
©2005 Politecnico di Torino 164
328

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Impatto ambientale (2/5)
Possono inoltre contribuire indirettamente a
ridurre l’impatto ambientale attraverso la
limitazione del consumo del carburante
conseguente alla riduzione dell’attrito viscoso.
©2005 Politecnico di Torino 165
329
Impatto ambientale (3/5)
Un altro aspetto del problema riguarda il
consumo del lubrificante che dipende dalla sua
viscosità, dalla sua volatilità e dalle caratteristiche
del motore.
Il consumo del lubrificante contribuisce
all’aumento degli idrocarburi polinucleari
aromatici nei gas di scarico.
330

Materiali Combustione, carburanti, lubrificanti
Impatto ambientale (4/5)
Inoltre un allungamento eccessivo dell’intervallo
del cambio dell’olio si ripercuote negativamente
sulle emissioni di CO, NOx , HC e dei poli nucleari
aromatici (PNA)
Occorre quindi non promuovere un allungamento
eccessivo dell’intervallo di cambio dell’olio.
©2005 Politecnico di Torino 166
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Impatto ambientale (5/5)
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