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).


PROBLEMATICHE DI INQUINAMENTO NEI MOTORI DIESEL:

Nei motori Diesel i CO non costituiscono un grosso problema, come detto precedentemente, in quanto le miscele utilizzate sono magre.
Vi è la necessità invece di abbattere HC (non elevatissimi) e soprattutto NOx , maggiori rispetto ai motori a benzina per effetto delle temperature e pressioni più alte in camera di combustione.
Inoltre è presente il particolato PM, che nei motori a benzina (tranne quelli a iniezione diretta) non viene prodotto.
Per abbattere gli inquinanti si può agire cercando di limitarne la formazione oppure inserendo dei filtri che permettano di rimuovere gli inquinanti una volta formatisi; generalmente viene utilizzato un mix di tutte e due le strategie.
Nei motori benzina la rimozione degli inquinanti viene fatta utilizzando il catalizzatore a tre vie (la marmitta catalitica) nel quale opportuni materiali posti all’interno (Platino, Palladio, Rodio) permettono reazioni chimiche (o meglio, permettono che avvengano in un tempo ragionevole) che trasformano CO, HC ed NOx in sostanze non più dannose.
A causa della necessità di far avvenire contemporaneamente nel catalizzatore le reazioni di tutte e 3 le sostanze, l’efficienza del catalizzatore stesso è soddisfacente solo per valori di miscela stechiometrici.
Infatti nei motori benzina è presente la sonda lambda, la quale ha la funzione di mantenere costante, inviando segnali di misurazione dell’aria alla centralina, il rapporto di miscela sul valore stechiometrico.

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Nei motori benzina in cui è presente la sonda lambda che mantiene il rapporto aria combustibile intorno a quello stechiometrico pari a 14,7 (area verde nel grafico), viene garantita alta efficienza di conversione di CO, HC e NOx.
In corrispondenza di miscele magre (> 14,7), come nel caso dei Diesel, rimane adeguata l’efficienza di smaltimento di CO e HC ma crolla vistosamente quella degli NOx.
Per diminuire gli NOx bisogna ridurre temperature e pressioni in camera, tramite riduzione del rapporto di compressione (nei motori da auto tendenzialmente infatti stanno diminuendo), migliorando il sistema di iniezione (più graduale come permesso dai moderni common rail, con minori picchi di pressione), inserendo un sistema EGR o mediante post-trattamento (sistemi SCR).
Interventi progettuali per ridurre gli HC riguardano il disegno opportuno della camera di combustione per favorire il minor assorbimento di combustibile da parte delle cavità (cercando di ridurle sostanzialmente) e miglioramenti della turbolenza all’interno della camera.
Il particolato viene ridotto con interventi progettuali come migliore polverizzazione del getto e mescolamento con l’aria (intervenendo perciò su sistemi di iniezione e sulla tipologia di turbolenza in camera ad esempio) e con sistemi di post-trattamento (filtri antiparticolato).

Noterete che molti accorgimenti progettuali da adottare sono opposti per quanto riguarda NOx e particolato (PM) e si rischia quindi di diminuire uno per aumentare l’altro e si necessita quindi della ricerca del giusto compromesso (nelle varie situazioni di funzionamento del motore).
Ad esempio favorendo un’adeguata turbolenza nella camera di combustione (dipende dalla conformazione della camera, del condotto di aspirazione e altro) si ottiene una diminuzione dell’emissione di particolato PM e degli HC ma un aumento di NOx.
Inoltre azioni intraprese per limitare lo sviluppo di inquinanti possono andare a diminuire l’efficienza del motore e quindi aumentare consumi e CO2.

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.

NORMATIVE DI RIFERIMENTO PER I MEZZI AGRICOLI

Per dare un’idea dei limiti posti ai costruttori, vediamo le quantità ammesse delle sostanze citate in precedenza in base alle varie normative, riferite a vari intervalli di potenza.
E’ stata presa in un catalogo John Deere e vi sono indicati anche gli anni in cui viene applicata la normativa.

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La misurazione della quantità di inquinanti viene effettuata facendo compiere al motore prove in condizioni standard seguendo un ciclo prestabilito definito anch’esso dalle normative.


CONCLUSIONI

La coperta, come si suol dire, è corta.
Si nota infatti come sia difficile riuscire a coniugare varie esigenze, come riduzione dei consumi (e della CO2 conseguentemente) e dei vari tipi di inquinanti.
Modificare alcuni parametri si è visto che può andare a favore dell’abbattimento di un inquinante ma allo stesso tempo aumentare l’emissione di un altro.
Un elevato EGR ad esempio riduce notevolmente la quantità di NOx ma aumenta l’emissione di particolato PM; diminuire il rapporto di compressione diminuisce le temperature e quindi gli NOx ma diminuisce anche il rendimento termodinamico del motore e perciò aumenta i consumi.
Occorre quindi che i progettisti riescano a mettere in campo un mix di soluzioni che utilizzino i metodi e i sistemi visti regolandoli opportunamente tramite la centralina in funzione di tutte le condizioni possibili del motore, evitando quindi difetti di calibrazione tipo “buchi di erogazione” in certe condizioni, mantenendo consumi bassi e garantendo affidabilità al motore.
La centralina ha un ruolo assolutamente centrale in quanto riceve segnali dai sensori e in funzione della mappatura (la cui definizione è una procedura ormai complicata e costosa), per ogni ciclo di funzionamento del motore, regola l’iniezione (quantità di gasolio, durata e sequenza delle iniezioni, eventuali post-iniezioni) e i parametri dei dispositivi antinquinamento (quantità di EGR, quantità di urea da inserire nell’SCR, eventuale rigenerazione del FAP, posizione degli swirl flap, ecc..).
Personalmente ritengo che una bella sfida sarà mantenere bassi i consumi viste certe modifiche ai motori che richiedono i limiti di emissione.
La modifica di una normativa può richiedere ai costruttori consistenti variazioni progettuali, perché come si è visto, la riduzione degli inquinanti non viene fatta solo “a valle” utilizzando appositi filtri o dispositivi, ma anche “a monte”, modificando ad esempio il rapporto di compressione, la turbolenza nel cilindro, il sistema di iniezione, il controllo della centralina, ecc...
Ad esempio modificare certi parametri può portare alla ridefinizione della geometria del pistone, della camera di combustione, dei condotti di aspirazione e scarico, ecc..
La progettazione del motore e le soluzioni adottate hanno come base la normativa di riferimento che devono rispettare; così in campo automobilistico in America circolano già ora Mercedes e Audi dotate di SCR (le normative Diesel americane sono severissime per gli NOx), mentre in Europa i costruttori sperano di riuscire a utilizzare il solo EGR per superare le future EURO 6 (le EURO 5 restringono i limiti di PM ma non quelli di NOx).
Per i mezzi agricoli sembra quasi certo l’impiego di sistemi SCR per la riduzione di NOx (unito a filtri antiparticolato per il PM), anche perché il sistema SCR non sembra avere effetto penalizzante sui consumi di combustibile (molto importanti per le aziende), a differenza di un massiccio uso di ricircolo di gas di scarico EGR.

Riferimenti:

- G. Ferrari, Motori a Combustione interna
- G. Cantore, Macchine
www.deere.com/it_IT/brochure/engine/brochure/index.html
www.omniauto.it/foto/popup/31206/catalizzatori-e-filtri-anti-particolato

ARTICOLO A CURA DI: Matt

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