L'Angolo dell'Esperto

Emissioni inquinanti nei motori Diesel

motoreLo scopo di questo intervento è quello di riepilogare alcuni tra i principali elementi inquinanti che i motori diesel emettono in atmosfera, per permettere la comprensione delle misure adottate dai costruttori per limitarne l’emissione e poter omologare i motori rispettando quindi le normative vigenti. Cercherò di introdurre quindi i dispositivi utilizzati per il controllo e la riduzione delle emissioni e di fare alcune considerazioni a riguardo.
Cercherò di introdurre quindi i dispositivi utilizzati per il controllo e la riduzione delle emissioni e di fare alcune considerazioni a riguardo.
Ovviamente questa sarà solamente una panoramica visto che le emissioni inquinanti sono il principale oggetto di studio per quanto riguarda i motori Diesel odierni e i metodi per abbatterle sono in continuo sviluppo e spesso complessi.
Spero che l’articolo si riveli utile e vi prego di segnalare eventuali inesattezze o errori.

PRINCIPALI SOSTANZE EMESSE DAI MOTORI

MONOSSIDO DI CARBONIO (CO)
Se all’interno della camera di combustione del motore si avesse una combustione completa si otterrebbe la formazione di andride carbonica CO2 ; la presenza di CO è indice di una combustione incompleta.
Durante la discesa del pistone, la temperatura e la pressione nella camera di combustione diminuiscono e la reazione si arresta prima del suo completamento, in una fase intermedia in cui si origina CO.
La formazione del monossido di carbonio CO dipende molto dal rapporto di miscela Aria/Combustibile.
Se il rapporto A/C è uguale a quello che chimicamente consentirebbe l’intera reazione di tutto il combustibile con l’aria, viene detto rapporto stechiometrico.
Una miscela di rapporto A/C minore di quello stechiometrico viene detta “grassa”, mentre se è superiore viene detta “magra”.
Vediamo in figura l’andamento (puramente qualitativo) delle emissioni di CO in base al rapporto A/C della miscela, nel quale si può vedere come utilizzando miscele magre si emettano minori quantità di CO.
In corrispondenza del rapporto stechiometrico i valori di CO non sono considerati trascurabili.

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IDROCARBURI INCOMBUSTI (HC)

Gli idrocarburi incombusti sono essenzialmente dovuti a combustibile che non prende parte alla combustione.
Ciò si verifica ad esempio a causa del riempimento del combustibile di cavità interne alla camera di combustione (come il gioco cilindro-pistone), all’assorbimento del combustibile da parte dell’olio, allo spegnimento della fiamma in vicinanza delle pareti della camera (più fredde), a combustioni non avvenute o incomplete in alcuni cicli.
Anche gli HC dipendono dal rapporto di miscela A/C e nel grafico (qualitativo) di figura possiamo vedere l’andamento degli inquinanti finora visti in funzione del rapporto A/C:


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Si vede dal grafico che il valore minimo di HC si ha per miscele leggermente grasse, con rapporto di miscela appena inferiore a quello stechiometrico, valore per il quale si ha la massima velocità di combustione che permette prima dell’apertura della valvola di scarico la combustione delle particelle “intrappolate” che vengono rigettate in camera.
L’aumento del rapporto di compressione del motore porta ad una diminuzione dell’emissione di HC in quanto aumenta la velocità di combustione, come accade anche anticipando l’accensione della miscela (permette maggior tempo e temperature maggiori per bruciare il combustibile “intrappolato” negli interstizi).
Un raffreddamento più efficiente del motore (che provoca pareti della camera di combustione più fredde) aumenta la quantità di HC.
Un aumento della turbolenza (moti del fluido) nella camera favorisce il rimescolamento della miscela quindi la diminuzione degli HC.

OSSIDI DI AZOTO (NOX)

Gli NOx sono una miscela costituita da NO (circa il 98%) e NO2 (circa il 2%).
Si originano prevalentemente nella zona retrostante il fronte di fiamma (dove è appena passato), in quanto la temperatura e la pressione sono molto elevate.
Per limitarne la presenza occorre quindi diminuire la temperatura del processo di combustione.
Anche gli NOx dipendono dal rapporto di miscela A/C e nel grafico (qualitativo) di figura possiamo vedere l’andamento degli inquinanti finora visti in funzione del rapporto A/C:


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Possiamo notare che la massima presenza di NOx si ha per miscele leggermente magre, di valore appena superiore a quello di miscela stechiometrica.
L’aumento del rapporto di compressione del motore porta ad un aumento dell’emissione di NOx in quanto aumentano le temperature nella camera di combustione, come accade anche anticipando l’accensione della miscela.
La turbolenza all’interno della camera fa aumentare gli NOx.
Nei motori Diesel il problema dovuto agli NOx è maggiore in quanto temperature e pressioni in camera sono più alte (si deve provocare l’autoaccensione), come infatti maggiore è anche il rapporto di compressione.

PARTICOLATO (PM)

La composizione e la formazione del particolato sono ancora in fase di studio, è costituito da particelle solide con diametro da 10 a 100 micron (1 micron = 1 millesimo di mm) e sono molto dannose in quanto possono penetrare negli alveoli polmonari (sono quindi cancerogene).
Si formano in presenza di elevate temperature e pressioni; il massimo valore si ha durante il picco di pressione iniziale della fase di espansione, dopodichè durante la discesa del pistone nella quale le temperature e pressioni diminuiscono e la loro quantità cala, ma al momento dell’apertura della valvola di scarico sono presenti PM ancora in valore elevato.
La quantità emessa è relativamente ridotta a bassi e medi carichi mentre a pieno carico (accelerazione) il rapporto A/C si riduce e l’emissione è consistente.
Il particolato si forma solamente nei motori Diesel e nei benzina a iniezione diretta (è il responsabile del “fumo nero” che usciva dai motori Diesel più vecchi, specie in accelerazione o sotto sforzo).
Nei motori a iniezione diretta infatti nella zona centrale del getto di combustibile si ha miscela particolarmente ricca con grande produzione di particolato.
La formazione di PM è favorita perciò da zone di miscela ricche a temperature relativamente basse e da basso miscelamento tra aria e combustibile (la turbolenza in camera di combustione è quindi benefica per la riduzione di PM, perché aumenta il miscelamento).

ANIDRIDE CARBONICA (CO2)

L’Anidride Carbonica è un inevitabile prodotto della combustione e dipende direttamente dal consumo di combustibile.
L’unico modo per ridurla è quindi diminuire i consumi del motore.
Si discute di ridurne l’emissione a livello mondiale in quanto ritenuta responsabile dell’effetto serra (riscaldamento globale).

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