Condizioni Termoigrometriche: sono in genere riferite ad un ambiente e rappresentano l'insieme dei valori di temperatura, pressione e umidità dell'aria dell'ambiente stesso cui sono riferite.
Condizioni Standard: sono quelle definite dalla normativa corrispondenti a 25 °C
(temperatura), 1 bar (pressione), 50 % (umidità relativa).
Aria Umida: l'aria o aria umida è bene descrivibile come una miscela ideale di gas ideali i cui costituenti sono la molecola H2O (vapor d'acqua) e una molecola fittizia detta aria secca che rappresenta a sua volta una miscela ideale con composizione fissa (78,08 % di Azoto, 20,95 % di Ossigeno, 0,93 % di Argon e tracce per un totale di 0,01 % di neon, elio, metano, cripto, idrogeno, xeno, monossido di azoto e altri gas). Praticamente, quindi, la miscela è trattabile come una miscela con due soli costituenti, vapor d'acqua e aria secca.
Umidità Atmosferica ed Umidità Relativa: L'umidità atmosferica è il vapor acqueo contenuto nell'aria. La misura più utilizzata per conoscere l'umidità atmosferica è l'umidità relativa. Essa esprime il rapporto percentuale fra la quantità di vapor acqueo presente nell'aria e la quantità che, alla stessa temperatura, sarebbe necessaria perchè il vapore condensi in microscopiche goccioline d'acqua. A questo punto si dice che l'aria è satura di vapore e aggiungendo altro vapore, questo condensa in ulteriori goccioline. La saturazione dipende fondamentalmente dalla temperatura dell'aria. Con basse temperature basta poco vapor acqueo perchè si condensi una nuvola (pensiamo alle nuvolette che di inverno formiamo col fiato), mentre ne occorre molto di più man mano che la temperatura sale. Quando l'umidità relativa dell'aria raggiunge il 100%, l'eccesso di vapor acqueo condensa in minuscole goccioline d'acqua e si assiste alla formazione di una nube. I motori a combustione interna, siano essi alternativi (quelli di auto e moto), siano invece continui (turbine a gas per la produzione di energia elettrica o per la propulsione di aerei), risentono, più o meno marcatamente, in funzione dei principi di funzionamento caratteristici di ciascuna tipologia di propulsore, delle condizioni ambiantali. Avendo testato personalmente, al banco, più di un motore, seppur alimentati da combustibili diversi (benzina, gasolio, acetilene, metano ed etilene), questi, hanno mostrato il medesimo comportamento al variare macroscopico (variazioni sensibili) di temperatura, pressione ed umidità ambientali.
L'incidenza di tali fattori esterni sulle prestazioni e sulle emissioni inquinanti è del tutto indipendente dalla cilindrata, dal numero di cilindri e dalle caratteristiche della distribuzione, nonché dai materiali e dalle "forme" dei condotti (caratteristiche essenzialmente meccaniche e costruttive); la stessa incidenza è meno marcata nei sistemi che presentano l'alimentazione ad iniezione elettronica rispetto a quelli a carburatore, ma esclusivamente perchè, nei primi sono presenti elementi capaci di correggere in feedback la dosatura istantanea, ovvero sono capaci di arricchire o impoverire la miscela di alimentazione in base alla lettura di malfunzionamenti dovuti ad una combustione incorretta. Durante le quattro caratterizzazioni (ciascuna per motore) effettuate al banco secondo normativa FIAT 7-A6400 "Rilievo prestazioni motore in curva di potenza e correzione dati", per un totale di quattro mesi di test giornalieri effettuati su propulsori di diversa cilindrata e diverso numero di cilindri (disposti a V o in linea), alimentati attraverso sistemi ad iniezione elettronica di tipo sequenziale multipoint gestiti attraverso ECU della MOTEC (modelli M4 ed M800) alle quali, per scelta gestionale sono stati inibiti i tools di controllo in feedback (operazione che personalmente effettuo durante la mappatura dei motori in modo da poter agire in prima persona in presenza di squilibri funzionali del motore dovuti alla dosatura).
In merito al presente articolo si è riscontrata la fenomenologia di seguito descritta e spiegata in termini fisico-chimici. Premesso che il monitoraggio delle condizioni fisiche ambientali (valori di temperatura, pressione ed umidità relativa) è avvenuto per mezzo di strumenti ad altissima precisione, secondo quanto previsto dalla già citata normativa FIAT, la quale stabilisce, inoltre, lo scostamento massimo dei valori dei parametri ambientali rispetto agli STANDARD.
Premesso, inoltre, che lo scostamento del valore del parametro "temperatura" si è mantenuto
vicino allo zero per tutta la durata delle prove, per mezzo dell'utilizzo di condizionatori, si è dovuto far fronte, per la validazione delle prove di cui sopra, a veri e propri salti giornalieri della percentuale di umidità relativa (variabile tra 60 % e 90 % durante il mese di Agosto 2004) che, se da una parte hanno compromesso un mese intero di acquisizione dati, di contro hanno permesso di valutare gli effetti dell'umidità atmosferica sulle prestazioni e sulle emissioni dei motori a combustione interna alternativi ad accensione comandata.
Ebbene, essendo state realizzate mappe per condizioni ambientali standard, le quali prevedono per l'umidità relativa un valore pari al 50 %, si è potuto valutare l'effetto di incrementi di questa (nell'ordine di 10 punti percentuale per volta) sulla combustione precedentemente ottimizzata in modo da avere il max rendimento globale (rapporto tra potenza all'albero e consumo specifico di energia) e il minimo di emissioni inquinanti allo scarico. Si è valutato, in soldoni, un abbattimento della potenza max stimabile nell'1 % per ogni 10 % di umidità relativa oltre il valore standard (50 %) e un conseguente aumento di emissioni inquinanti, a parità di mappa e quindi di dosatura (rapporto aria/combustibile). Ciò è spiegato tecnicamente in riferimento alla diversificazione della qualità dell'aria in base alle condizioni ambientali. E' stranoto, infatti, che la rarefazione dell'aria, ad esempio, in alta montagna (o comunque in presenza di particolari condizioni atmosferiche) determina una riduzione sostanziale delle prestazioni dei motori, valutabile nell'1 % per ogni 100 metri d'altezza rispetto al livello del mare, a seguito di una concentrazione minore di ossigeno presente nella massa d'aria aspirata istantaneamente (la pressione atmosferica, in questo senso, assume gioco forza un ruolo predominante sulla qualità dell'aria). In caso di elevata umidità relativa avviene fisicamente che l'aria umida è predominante rispetto all'aria secca; l'ossigeno libero, ovvero quello non legato agli atomi di idrogeno (acqua o vapor d'acqua per intenderci) è minore rispetto alle condizioni standard per le quali, generalmente, si realizzano le mappe o si effettua la carburazione. Macroscopicamente, quindi, il motore aspira una quantità d'aria corretta (per numero di giri e per carico) al quale si miscela la altrettanto corretta massa di carburante (gestita dalla ECU per numero di giri e per carico); si ottiene, in pratica, la dosatura corretta. Il motore però rende meno perchè all'atto della combustione le molecole d'ossigeno libero nella miscela sono inferiori rispetto alle condizioni per le quali è stata settata quella dosatura. Il motore, inoltre,
rilascia una concentrazione maggiore di sostanze inquinanti conseguentemente ad una miscelazione più lontana rispetto alla dosatura "stechimetrica" rispetto a quanto non lo fosse in condizioni ambientali standard. I dispositivi di controllo delle emissioni con funzioni correttive della dosatura (non ritengo sia la sede opportuna per descrivere accuratamente il loro funzionamento, preferisco farlo successivamente qualora mi fosse esplicitamente richiesto), operanti in feedback (ovviamente), possono agire, a questo punto, riequilibrando istantaneamente il rapporto aria/combustibile. Laddove la presenza di concentrazioni minori di ossigeno comporta la ovvia riduzione del quantitativo di combustibile iniettato. Si tenga presente che è assolutamente INCORRETTO definire l'effetto dell'umidità atmosferica uno SMAGRIMENTO della miscela perchè tale riduzione del quantitativo di combustibile si ha solo come conseguenza della funzione dei dispositivi di correzione della dosatura, esclusi i quali dal gioco si ha proprio l'effetto contrario: un ARRICCHIMENTO virtuale della miscela (ma se non si capisce che per la combustione "u supecchiu è comu u mancanti" io non ci posso fare nulla, ho provato a spiegarlo tante di quelle volte!!!!).
Per chiarire le idee: non è l'umidita che comporta lo smagrimento della miscela, questa impoverisce qualitativamente l'aria aspirata causando involontariamente il "loop" precedentemente descritto che, si conclude con lo smagrimento virtuale (uso il termine virtuale perchè non mi stò riferendo alle portate in massa ma alle concentrazioni molari di combustibile e comburente) effettuato autonomamente dai sistemi di controllo della ECU (anche questi originariamente mappati) per evitare l'emissione di un'alta concentrazione di sostanze inquinanti.
I motori con sistema di alimentazione a carburatore, ad esempio, potrebbero dare un'idea migliore di quanto precedentemente descritto.
Si suppone che questo articolo abbia fatto chiarezza sugli effetti dell'umidità sul funzionamento dei motori a combustione interna.
Poichè ho evitato di spingermi a fondo trascurando concetti che ritengo basilari nell'argomento ma di difficile comprensione (tipo: energia di attivazione, legami chimici, velocità di reazione e quant'altro), per informazioni maggiormente dettagliate o, chiarimenti, delucidazioni, potete contattarmi all'indirizzo di posta elettronica: darioviscuso@yahoo.it o aggiungermi come contatto MSN all'indirizzo di cui in Maidirebike.
Concludo sottolineando che si è pervenuti alle conclusioni di cui l'articolo attraverso un monitoraggio di ben 250 ore al banco (seppur finalizzato ad altro) effettuato con strumentazione altamente professionale. Trattasi quindi di scienza e non di "parolone".
Grazie e alla prossima.