Emissioni inquinanti nei motori Diesel - Dispositivi di abbattimento degli inquinanti

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DISPOSITIVI DI ABBATTIMENTO DEGLI INQUINANTI:

CATALIZZATORE OSSIDANTE

Il catalizzatore ossidante permette di ridurre CO ed HC ed è costituito da un involucro metallico contenente una matrice ceramica generalmente a nido d’ape su cui vengono depositati i metalli nobili (platino, palladio, rodio) che rappresentano il materiale catalitico che permette di far avvenire le reazioni desiderate
in tempi adeguati.
Struttura interna di un catalizzatore ossidante:

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Esempio di catalizzatore ossidante inserito a monte del filtro antiparticolato:
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FILTRO ANTIPARTICOLATO (FAP)

Il filtro (o trappola) antiparticolato (FAP, DPF, ecc..) è in pratica un “setaccio” di materiale refrattario che permette di bloccare le particelle che hanno un diametro superiore a quello delle celle di cui è composto il filtro.

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Intasandosi progressivamente l’efficienza di rimozione aumenta (diminuisce la sezione di passaggio delle celle) ma dopo in certo tempo si arriva ad un punto in cui sarebbe necessario il ricambio del filtro.
Per evitare tale ricambio, innalzando la temperatura dei gas di scarico, si bruciano le particelle carboniose intrappolate nel filtro, rigenerandolo.

Filtro antiparticolato in sezione:

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L’intasamento del filtro provoca una differenza di pressione tra l’ingresso e l’uscita dello stesso, che viene misurato tramite sensori di pressione.
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Quando la centralina legge una differenza di pressione superiore al valore impostato (filtro intasato), comanda all’iniettore del sistema Common Rail di effettuare una post-iniezione, cioè una iniezione di gasolio aggiuntiva alla fine della combustione, la quale non vi prende parte e va allo scarico, innalzando la temperatura e rigenerando quindi il filtro.
Questa fase di rigenerazione è quella che provoca un incremento temporaneo dei consumi (d’altronde si effettua una ulteriore iniezione di gasolio).
Nel seguente schema possiamo vedere una rappresentazione della fase di rigenerazione del filtro:

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Si prevedono nei motori di nuova generazione filtri del tipo “close coupled dpf”, cioè posizionati nel condotto di scarico più vicino alla testata, in modo da lavorare a temperatura maggiore per una più agevole rigenerazione (fase nella quale a volte si sono riscontrati problemi) e ottenere una diminuzione del combustibile necessario.

SISTEMA DI RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO (EGR)

Il sistema EGR cerca di rimuovere gli inquinanti NOx direttamente in camera di combustione, diminuendone la temperatura tramite l’inserimento di gas di scarico che non partecipano alla combustione e diluiscono la miscela aspirata (è quindi un intervento “a monte”).
L’EGR può essere di tipo “interno” oppure “esterno”.
L’EGR interno realizza, mediante opportuni incroci delle valvole di aspirazione e scarico, il mantenimento di parte dei gas di scarico nella camera insieme alla miscela aspirata che prenderà parte alla combustione.
E’ realizzabile se è presente la possibilità di variare la fasatura delle valvole (variatore di fase).
Nell’EGR esterno, come si può vedere in figura, i gas dal collettore di scarico (CS) vengono rimandati in quello di aspirazione (CA) sfruttando la differenza di pressione tra i due collettori (creata mediante una valvola o una strozzatura).

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Short route EGR
Immagine tratta da G. Ferrari, Motori a Combustione interna

A seconda delle condizioni di funzionamento del motore è necessaria una quantità differente di EGR, pertanto si inserisce una valvola di regolazione, che viene comandata dalla centralina.
Un problema dato dall’EGR è il conseguente aumento del particolato in quanto si rimettono in camera di combustione delle particelle che possono facilmente fungere da centri di agglomerazione per altri residui (come detto in precedenza il PM è composto da particelle carboniose).

L’EGR determina aumento del consumo di combustibile e presenta problemi di imbrattamento delle pareti della camera; altro problema è il fatto che venga aumentata la temperatura dell’aria in ingresso.
Infatti nei moderni sistemi si ha un sistema di raffreddamento con uno scambiatore (EGR cooler) oppure i gas di scarico vengono prelevati in una zona dell’impianto di scarico più vicina all’uscita (quindi a temperatura minore).
In quest’ultimo caso si parla di “long route EGR” o “low pressure”.

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Long route EGR
Immagine tratta da G. Ferrari, Motori a Combustione interna

RIDUZIONE SELETTIVA CATALITICA (SCR)

Il sistema SCR permette l’abbattimento degli NOx e prevede l’introduzione di urea, cioè un composto a base di ammoniaca (commercializzato con il nome di ADblue e contenente il 32,5% di urea), che viene inserito mediante un iniettore (di costruzione simile a quella di un iniettore usato nei common rail) su comando della centralina all’interno del catalizzatore SCR.
Deve essere presente un serbatoio di liquido ADblue che alimenti il sistema ed il catalizzatore viene adeguatamente coibentato per evitare il congelamento dell’additivo (che avviene a -11°).
Le reazioni chimiche che hanno luogo sono le stesse della Riduzione Selettiva Non Catalitica, ma la presenza di catalizzatore permette che la reazione abbia luogo a temperature minori (fra i 265 e i 425 °C) e con rendimenti di riduzione più elevati (circa 80%). Il catalizzatore può essere costituito da un supporto, in genere ceramico, sulla cui superficie porosa è disperso un metallo (il più comunemente usato è il Vanadio) in grado di catalizzare la reazione.
In presenza di ammoniaca la reazione di riduzione degli NOx saranno le seguenti:

4 NO + 4 NH3 -> 4 N2 + 6 H2O
2 NO2 + 4 NH3 -> 3 N2 + 6 H2O
In presenza di urea la reazione sarà invece:
2 CO(NH2)2 + 4 NO + O2 -> 4 N2 + 2 CO2 + 4H2O
La quantità di ADblue necessaria è stimata pari al 3-5% del consumo di gasolio del motore.

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SWIRL FLAP

Lo Swirl Flap, è una valvola posta nel condotto di aspirazione che serve a modificare in base alla sua posizione il moto detto di “Swirl” all’interno della camera di scoppio.
Per le varie condizioni di funzionamento c’è un valore ottimale di posizione della valvola per quanto riguarda le emissioni di particolato PM ed NOx.
Pertanto, se è presente nel motore, la sua posizione è regolata in ogni ciclo di funzionamento, dal segnale inviatole dalla centralina.
Questo componente, come anche l’EGR, fa parte degli accorgimenti progettuali per ridurre la formazione di inquinanti, a differenza di catalizzatore ossidante, FAP e SCR che sono sistemi di post-trattamento.