Parliamo di temperature. Le temperature dei gas in combustione di un motore Otto raggiungono massimo circa 2500°C. Il combustibile diverso (gpl vs benzina vs metano) comporta una variazione di temperatura, ma non significativa.
I gas di scarico a combustione completata possono superare i 900°C.
Questo vuol dire che le valvole di scarico vengono investite da un flusso di gas di scarico caldi a 900°C. Le valvole passano 3 tempi a raffreddarsi cedendo calore alla testa tramite lo stelo e il contatto con le sedi valvola, mentre passano 1 tempo a scaldarsi investite da un flusso velocissimo di gas caldi.
Questo riscaldamento è tanto più brusco quanto più gas di scarico investe la valvola e tanto più piccola questa è. Ipotizziamo motori turbo con pressione di sovralimentazione di circa 2 bar. In questo caso un motore 1,5L incamera la stessa aria di un aspirato da 3L (circa), ma la valvola è piccola perché il motore è solo 1,5L. Chiaramente in questo caso la valvola è termicamente molto sollecitata.
Ci sono diversi metodi e materiali per fare un motore turbo affidabile, tra cui ad esempio le valvole con stelo cavo riempite di sodio che aiuta il raffreddamento della stessa attraverso lo stelo.
Tuttavia sui motori benzina (anche aspirati) si è sempre usata una tecnica becera per “raffreddare” il motore. Dico genericamente raffreddare perché raffreddare non serve solo a proteggere le valvole ma anche a ridurre l’autoaccensione (battito in testa). Ma di autoaccensione non parliamo altrimenti servono altre mille righe. Basti dire che GPL e metano avendo più ottani (ovvero resistenza all’autoaccensione) rispetto alla benzina non hanno bisogno di “aiuti” per non battere in testa.
Le tecnica più becera che si è sempre usata per raffreddare il motore è quella di ingrassare la miscela. Ingrassando la miscela, ovvero iniettando più benzina di quanto ossigeno sia presente in camera per ossidarla, la parte di eccesso di benzina non contribuisce alla combustione, viene semplicemente sprecata (causando un inquinamento allucinante, altro che i diesel, emettendo idrocarburi incombusti cancerogeni e CO velenoso, altro che i solamente irritanti NOx). Questo spreco però serve a raffreddare il motore. Non bruciando è come spruzzare acqua che evaporando raffredda. Si potrebbe in effetti iniettare benzina in quantità giusta e acqua. Ma ci vorrebbe un secondo sistema di iniezione, acqua distillata etc etc. BMW lo ha applicato sulla M4 GTS se non sbaglio, ma normalmente tutti spruzzano benzina extra per raffreddare.
Più un motore è spinto più di questa benzina si spreca. Ad esempio Giulia/Stelvio QV arrivano a sprecare un terzo della benzina al solo scopo di raffreddare il motore quando guidate a piede a fondo.
Questo spreco di benzina viene considerato poco rilevante ai fini dell’inquinamento perché le auto si omologano con una guida leggera, mai a piede a fondo. Motivo per cui i motorini turbo “downsizing” consumano effettivamente poco quando guidati piano, ma se si spremono bevono parecchio.
Una volta questa tecnica era abusata, ora con l’irrigidimento dei criteri omologativi post dieselgate hanno dovuto ridimensionare il ricorso a questa tecnica.
Chiaramente se un motore fa largo uso di questa tecnica per raffreddare le valvole (è prassi comune) iniettando gas non si avrà lo stesso effetto di raffreddamento evaporativo che si ottiene iniettando benzina liquida. Il gas in eccesso causerà solo CO ed HC, ma nessun raffreddamento. Le valvole saranno così soggette ad usura precoce.
Lo stress termico sulle valvole dipende dalla potenza generata dal motore. Se si guida sempre con calma (ovvero in punti motore in cui comunque non ci sarebbe mai stato arricchimento della miscela a benzina) il problema comunque non si pone. Motivo per cui se si GPLizzano motori grossi di cilindrata guidati con calma il problema è meno probabile, GPLizzando motori piccoli e guidati spesso a piede a fondo il problema è più probabile si verifichi. Motivo per cui è comunque più affidabile parlando di Tonale un 130cv GPLizzato di un 160cv e meno che mai un 160 rimappato.
Ma quindi tutti i motori sono ugualmente soggetti? No… Ci sono motori che per strategie costruttive hanno valvole e sedi molto robuste per cui magari non usano affatto o molto poco la benzina extra per raffreddare e che quindi non patiscono minimamente il gas.
Come si può sapere? Difficile se non sei il progettista del motore e non hai milioni di euro di strumentazione per verificare il comportamento in sala prova motore.
Possiamo però dare alcuni criteri di massima per capire qual è il rischio. In primis se si hanno le punterie idrauliche che autoregolano il gioco il rischio è basso. Questo perché se le valvole iniziano ad usurarsi e non appoggiano più bene alla sede nei 3 tempi in cui stanno chiuse, non riescono a cedere il calore efficacemente alla sede valvola e si surriscaldano ancora di più. Se questo si verifica inizia un degrado molto veloce. Con le punterie idrauliche invece questo non accade perché i giochi vengono continuamente compensati e si avrà magari si un degrado più veloce, ma mai repentino.
Altri sistemi che contribuiscono ad abbassare le temperature sono il ciclo Miller (o Atkinson sugli aspirati) e l’EGR.
Il ciclo Miller (o Atkinson sugli aspirati) fa lavorare il motore come (esempio Tonale) un 1.3L in aspirazione ed un 1.5L in espansione. Questo fa si che il motore sia inutilmente più “grosso” di quanto necessario, ma consente di estrarre un po’ più di energia in espansione, sovraespandendo i gas ed aumentando leggermente l’efficienza del motore (ma a livello di potenza e coppia il motore si comporta come una cilindrata minore di quella geometrica dichiarata). Questo tipo di motore ha il vantaggio che sovraespandendo i gas, questi escano dal motore più freddi (ad esempio a 750°C anziché 900°C). Questo consente l’uso di turbine VGT da motore diesel che reggono massimo 750°C. I benzina che hanno gas di scarico a 900°C possono solo usare turbine a geometria fissa poiché intrinsecamente più robuste. D’altro canto la VGT diventa necessaria per sfruttare meglio la minore energia contenuta nei gas di scarico più freddi che escono dal Miller.
L’EGR raffredda i gas in maniera molto semplice. Sul diesel si può raffreddare sia con EGR che con eccesso di aria. I motori a ciclo Otto non possono lavorare con eccesso di aria perché non riuscirebbero ad accendere la miscela e/o il catalizzatore tre vie non funzionerebbe.
Se io aggiungo massa in camera di combustione, l’energia rilasciata dalla combustione alzerà meno la temperatura. È come mettere una stufa a pellet di potenza fissa si una stanza da 10m² o in una da 20m². Ora semplificando parecchio se la stessa stufa scalda di 5°C in un ora la stanza da 10m², scalderà solo di 2,5°C/h la stanza da 20m². Ugualmente se la miscela (aria + carburante con rapporto stoichiometrico) bruciando aumenta la sua temperatura di 2500°C, facendo metà miscela e metà gas inerti (i gas di scarico sono 79% azoto, 20% CO2 e poco altro, tutta roba inerte che non partecipa più ad una eventuale nuova combustione) la temperatura si alzerà solo di 1250°C. I calcoli sono ipersemplificati solo per rendere il concetto.
I diesel bruciando sempre in eccesso d’aria sono sempre più “freddi” e quindi hanno meno problemi e per questo non hanno problemi a montare tutti turbine VGT.
Quindi un motore con EGR e Miller ha gas di scarico freddi che non dovrebbero dare problemi… Vero? Non proprio.
Non proprio perché i costruttori vanno sempre al risparmio. Se sul 1.3L 180Cv han messo ottime valvole al sodio etc etc etc, è possibile che sul 1.5L Miller con EGR abbiamo messo valvole molto più economiche non avendo le stesse sollecitazioni del 1.3L 180cv.
Il problema è che senza essere i progettisti non si può sapere quando margine di sicurezza abbiamo le valvole su un dato motore. Io comunque credo che un Miller con EGR non usi affatto benzina per raffreddare le valvole e almeno sul 130cv andrei molto tranquillo con la GPLizzazione, ma non si può dare per certo. Quindi nessun prenda questo commento come un consiglio o una certezza.
Riassumendo: quando dicono che il GPL non lubrifica come la benzina o che la combustione del GPL/metano è più calda, dicono STR…..
Non le dicono in malafede, ma lo dicono perché non sanno dare il giusto nome alle cose. Il vero problema è che sostituendo un liquido con un gas viene a mancare l’effetto dell’ ”
Entalpia_di_vaporizzazione” anche chiamata calore latente.
Le valvole non han bisogno di essere lubrificate da alcun carburante, le lubrifica l’olio dove serve e basta.
I liquidi che chiamano lubrificanti che a volte aggiungono per preservare le valvole funzionano (SE funzionano…) perché evaporando raffreddano le valvole e non grazie a proprietà lubrificanti di alcun tipo.
