Il FAP secondo Renault 2010: nell’ottica di ridurre le emissioni di particolato allo scarico dei motori diesel, in linea con l’entrata in vigore delle nuove normative Euro 5, Renault ha sviluppato un innovativo sistema filtro antiparticolato che, grazie all’adozione di un iniettore supplementare e strategie di rigenerazione dedicate, è in grado di garantire un elevata efficienza del post-trattamento in tutte le condizioni di funzionamento.
Gli odierni motori diesel montati sulle nostre autovetture sono concettualmente molto diversi da quelli utilizzati in passato, eppure anch’essi sono afflitti dalla tipica “fumata nera” che contraddistingue le fasi di accelerazione. Tale fenomeno, che contribuisce all’immagine negativa delle motorizzazioni diesel, è dovuto alla presenza nei gas di scarico di particelle carboniose che hanno assorbito composti organici ad alta massa molecolare. Le suddette particelle, che vengono comunemente classificate con il termine generico di particolato (PM = Particulate Matter), si formano principalmente durante il processo di combustione nelle zone centrali del getto dove, a causa dei bassi valori di dosatura, parte del combustibile si ossida solo parzialmente. Le rimanenti parti invece possono essere dovute alla parziale ossidazione dell’olio lubrificante trafilato in camera di combustione ed allo zolfo presente nel combustibile. In particolare quest’ultimo porta alla formazione di SO2 e solfati che, unendosi con l’acqua ai nuclei carboniosi, portano all’accrescimento del particolato stesso. Le particelle di PM, le cui dimensioni possono variare fra i 10 ed i 200 nm, vengono liberate in atmosfera tramite i gas di scarico e quindi inalate, ed in parte trattenute, dai polmoni provocando evidenti danni fisiologici quali l’insorgere di problemi respiratori e tumori. La pericolosità di questo inquinante, aggravata da una sempre maggiore diffusione delle motorizzazioni diesel, ha quindi costretto il legislatore ad intervenire riducendo drasticamente i limiti imposti alle emissioni di particolato che, per le autovetture, passano dagli 0.025 g/km della normativa EURO 4 ai 0.005 g/km di quella EURO 5.
Per garantire il rispetto di tali limiti gli ingegneri sono intervenuti agendo sui principali parametri motoristici che influenzano la combustione, quali ad esempio anticipo d’iniezione e percentuale di EGR, ed adottando nuovi sistemi di post-trattamento dei gas di scarico: i cosiddetti filtri anti-particolato. In particolare la via più redditizia rimane proprio quest’ultima, in quanto intervenire sui parametri di combustione comporta la necessità di eseguire lunghi e complessi trade-off fra le emissioni di PM ed NOx. In questa direzione si è mossa anche Renault che ha dotato i sui motori 1.5 litri dCi, da 76 kW e 63 KW, di un nuovo filtro anti-particolato. Semplificando, il filtro antiparticolato non è altro che un componente che forza i gas di scarico ad attraversare una superficie porosa in grado di trattenere le particelle di dimensioni maggiori a quelle dei pori stessi, lasciando la componente gassosa libera di attraversare la parete filtrante. Sulla superficie vanno quindi a formarsi degli strati di particelle carboniose che, opponendo resistenza al passaggio dei gas stessi, andranno periodicamente o continuamente eliminati mediante un’apposita procedura di rigenerazione del filtro. Quest’ultimo presenta una struttura di tipo monolitico a celle ottenuta per estrusione di materiale ceramico poroso, in grado di resistere alle elevate temperature, con canali orientati lungo la direzione assiale e chiusi alternativamente alle estremità. In questo modo i gas di scarico, per raggiungere i condotti adiacenti, sono costretti ad attraversare le pareti dei canali che trattengono così le particelle di maggiori dimensioni portate in sospensione. Il processo di filtrazione vede quindi una prima fase dovuta interamente alla capacità del materiale ceramico, saturata la quale il particolato comincia a depositarsi sulla superficie delle pareti creando uno strato di spessore via via crescente che contribuisce al filtraggio delle nuove particelle in arrivo. L’accumulo delle molecole di particolato sulle pareti risulta parzialmente influenzato dalle condizioni di guida.
In particolare, durante la percorrenza di un tratto autostradale, in cui si raggiungono temperature dei gas di scarico anche di gran lunga superiori ai 200 °C, il carico può essere definito eterogeneo. In queste condizioni si assiste ad un accumulo delle particelle principalmente sul fondo dei canali. Per contro, durante la percorrenza di un tratto cittadino, in cui le temperature dei gas non superano i 200 °C, il carico può essere definito omogeneo con accumulo delle particelle che avviene essenzialmente sulla lunghezza dei canali e non sul fondo. È evidente quindi che in quest’ultima condizione le perdite di carico sul filtro risultano maggiori in quanto il letto di ceneri ricopre interamente le superfici di attraversamento del gas. Ciò comporta un incremento della contropressione raggiunta con conseguente sensibile perdita di potenza ed aumento dei consumi. Raggiunta la soglia di carico si rende necessario “bruciare” il particolato immagazzinato nel filtro tramite il processo di “rigenerazione”. Questa operazione, che richiede una temperatura minima d’ingresso dei gas di circa 570 °C, risulta particolarmente delicata in quanto va evitato il danneggiamento del supporto ceramico per stress termico, ma soprattutto di vanificare l’azione di riduzione degli agenti inquinanti ottenuta tramite il catalizzatore ossidante posto subito a valle del collettore di scarico. I prodotti di combustione del particolato vengono infatti immessi direttamente in atmosfera e devono pertanto contenere la minor quantità possibile di agenti inquinanti. Effettuata la rigenerazione, il filtro è quindi nuovamente vuoto e pronto per una nuova fase di carico.
Il filtro antiparticolato Renault: nell’ottica di ridurre ulteriormente le emissioni di particolato emesse dalle motorizzazioni diesel, Renault ha deciso di dotare le unità della serie K9K ad iniezione Siemens del filtro anti-particolato. Sostanzialmente, il principio di funzionamento del nuovo sistema riprende i principi già visti sulle precedenti versioni che equipaggiavano i motori G9T, F9Q e M9R evoluzione. Le principali modifiche riguardano infatti la linea di scarico che vede l’adozione, a valle del catalizzatore ossidante, di un secondo catalizzatore reso solidale al filtro anti-particolato ed il cui unico compito è di consentire il raggiungimento delle temperature necessarie all’innesco della rigenerazione. Il nuovo calcolatore d’iniezione Siemens provvede alla gestione del sistema principalmente tramite l’ausilio di 4 sensori di temperatura e 2 di pressione. Il primo sensore di temperatura, posto sul gruppo turbocompressore, misura la temperatura dei gas di scarico all’ingresso della turbina in modo da evitare il raggiungimento di valori troppo elevati che possano compromettere la durata della stessa e consentendo quindi al calcolatore di ottimizzare le fasi di rigenerazione mantenendo la temperatura dei gas poco al di sotto del valore massimo tollerabile dal turbogruppo.
Un secondo sensore, posto invece a valle del catalizzatore ossidante, consente di misurare la temperatura dei gas di scarico in uscita dal primo catalizzatore. I rimanenti due sensori, i cui campi di misura vanno dai 50 °C ai 1.000 °C, sono posti rispettivamente a monte ed a valle del filtro antiparticolato. Il primo di essi, caratterizzato da un connettore di colore blu, misura la temperatura in uscita dal pre-catalizzatore di ossidazione consentendo così alla centralina di valutare se è stata raggiunta la temperatura di innesco del filtro per poter effettuare la rigenerazione. Il secondo, caratterizzato da un connettore di colore nero, è invece posto a valle del filtro antiparticolato e consente di controllare, valutando l’incremento di temperatura dei gas connesso alla combustione del particolato, il corretto svolgimento e la durata della rigenerazione stessa. I due sensori di pressione sono anch’essi posti rispettivamente a monte ed a valle del filtro antiparticolato formando così un unico sensore differenziale in grado di valutare la caduta di pressione che si genera su di esso. Il filtro si comporta infatti come una strozzatura che, opponendo una certa resistenza al passaggio dei gas di scarico, genera una perdita di carico. Essa sarà ovviamente tanto più grande quanto più grande sarà la resistenza opposta dal filtro, ovvero tanto più i suoi canali risulteranno ostruiti dalle particelle di particolato che sono andate via via depositandosi.
Nota la caduta di pressione sul filtro fornita dai sensori ed associando ad essa la portata volumetrica dei gas di scarico (funzione ad esempio del regime di rotazione del motore, del grado e della pressione di sovralimentazione, della percentuale di ricircolo dei gas attraverso EGR, etc.) la centralina è in grado di valutare la massa di particolato presente nel filtro e quindi l’eventuale strategia per la rigenerazione. L’innovazione principale di questo sistema risiede nell’adozione di un iniettore supplementare del filtro antiparticolato, posto a valle del catalizzatore e prima del pre-catalizzatore del filtro, utilizzato durante le fasi di rigenerazione nel caso in cui la post-iniezione non è autorizzata (ad esempio ai bassi regimi) o che la temperatura dei gas di scarico non abbia raggiunto valori sufficientemente elevati. La combustione tardiva del gasolio direttamente nella linea di scarico consente infatti di ottenere un notevole incremento della temperatura dei gas stessi. Si tratta di un iniettore a bassa pressione a comando elettromagnetico il cui controllo è affidato alla centralina d’iniezione. L’alimentazione avviene tramite un apposito circuito di bassa pressione dotato di un apposito filtro e di una specifica pompa integrata nel modulo di aspirazione del serbatoio carburante.
Strategie di Rigenerazione: la formazione del particolato e la sua deposizione all’interno del filtro sono direttamente influenzate dal modo in cui il veicolo viene utilizzato. Ne consegue che la rigenerazione, ovvero l’eliminazione delle particelle accumulatesi in un determinato periodo, può avvenire con diverse modalità. In particolare possono essere individuate una “rigenerazione spontanea”, una “rigenerazione comandata” ottenuta tramite l’utilizzo di una post-iniezione o di un’iniezione specifica ed una “rigenerazione statica” in assistenza. La rigenerazione spontanea si verifica in quelle condizioni in cui il filtro antiparticolato raggiunge una temperatura compresa fra i 400 °C ed i 500 °C; situazione che si realizza in condizioni di particolare sollecitazione del motore come, ad esempio, la percorrenza di un tratto autostradale. Per contro, in condizioni di guida a bassa velocità, tipiche di un uso cittadino, la temperatura dei gas di scarico non raggiunge valori sufficientemente elevati da consentire la rigenerazione spontanea.
In queste condizioni, la centralina di iniezione predispone diverse strategie di intervento atte ad incrementare la temperatura fino ai valori necessari per la combustione del particolato (570 °C), “forzando” così la rigenerazione del filtro. Nelle condizioni di funzionamento normali infatti, al fine di garantire una combustione più omogenea con conseguente riduzione del rumore e delle emissioni, l’iniezione del combustibile all’interno del cilindro avviene principalmente in due tempi: la pre-iniezione di una modesta quantità di gasolio, in anticipo rispetto al punto morto superiore (PMS), ed una iniezione principale (main) eseguita in prossimità del PMS stesso. Nel momento in cui la centralina determina la necessità di rigenerare il filtro, la normale strategia d’iniezione viene abbandonata in favore di una specifica che prevede uno sfasamento, in ritardo, dell’intero treno d’iniezione e l’adozione di una post-iniezione molto ritardata rispetto al PMS. In questo modo la combustione si sviluppa in ritardo rispetto all’evolversi del ciclo consentendo solo ad una parte del combustibile di ossidarsi completamente e dando quindi luogo ad una maggiore produzione di idrocarburi incombusti (HC) che, quando vengono trattati nel pre-catalizzatore di ossidazione, generano una notevole quantità di calore.
Si ottiene così un incremento della temperatura dei gas di scarico che, superato il valore soglia di 570 °C, consente al particolato di bruciare. L’attuazione di questa strategia è resa possibile anche grazie all’adozione dell’iniettore supplementare del filtro antiparticolato che consente, iniettando del combustibile direttamente all’interno della linea di scarico, di aumentare la temperatura dei gas anche nelle condizioni in cui la post-iniezione non è sufficiente o non viene autorizzata dalla centralina, situazione che ad esempio si verifica nelle condizioni di funzionamento a basso carico e/o basse portate. La valutazione della necessità di rigenerare viene effettuata dalla centralina in funzione di due parametri: la distanza percorsa dall’ultima rigenerazione o la massa di particolato stimata nel filtro. La richiesta di rigenerazione si verifica, infatti, dopo una percorrenza di 1.000 km o 35 g di PM stimato all’interno del filtro su percorsi urbani, caratterizzati da una velocità media dall’ultima rigenerazione maggiore di 25 km/h, oppure dopo una percorrenza di 500 km o 15 g di PM stimato su percorsi extra-urbani, caratterizzati invece da una velocità media dall’ultima rigenerazione maggiore di 90 km/h.
Normalmente il processo di rigenerazione del filtro antiparticolato avviene in automatico e senza che il conducente se ne renda conto. Esistono però dei casi in cui le strategie appena descritte non sono applicabili rendendo necessario l’intervento del guidatore. Il calcolatore infatti, superata la soglia dei 1.100 km, o 37,5 g di PM stimato, provvede a disattivare il ricircolo dei gas di scarico per limitare la produzione di particolato, ma superato il limite dei 40 g di PM stimato, indipendentemente dal chilometraggio, richiede al guidatore, tramite l’accensione di un’apposita spia sul quadro strumenti, di effettuare la rigenerazione utilizzando il veicolo su strada libera per qualche decina di minuti ad velocità non inferiore a quella consigliata sul libretto d’uso e manutenzione. Nel caso in cui ciò non fosse possibile il particolato continuerebbe ad accumularsi e superata la soglia limite per il valore stimato di 45 g si assisterebbe all’accensione sul quadro strumenti della spia “STOP”. In queste condizioni, al fine di evitare un ulteriore intasamento del filtro, il motore viene fatto funzionare in modalità di sicurezza, limitando le prestazioni per ridurre la produzione di particolato, e viene vietata ogni sorta di rigenerazione.
La combustione di una quantità eccessiva di particolato potrebbe, infatti, provocare un intasamento con conseguente distruzione del filtro. Il problema viene risolto presso i centri di assistenza Renault effettuando una rigenerazione statica mediante un apposito strumento di diagnosi. Questo tipo di procedura si compone di tre fasi. La prima, detta di “riscaldamento”, viene mantenuta fin quando la temperatura dell’acqua non raggiunge gli 80 °C (o 3 minuti nel caso di motore già caldo) e consiste nell’incrementare il regime di rotazione del motore fino al raggiungimento dei 1.500 giri/min, consentendo così l’innesco del catalizzatore ossidante. La seconda fase, la cui durata è invece funzione del carico iniziale del filtro, impone alla centralina il passaggio alla modalità d’iniezione specifica (posticipo del treno d’iniezioni e introduzione della post-iniezione) in modo da incrementare temperatura dei gas di scarico provocando così la combustione del particolato. Infine nella terza ed ultima fase il motore viene mantenuto, in modalità d’iniezione normale, al regime di minimo accelerato di 1.500 giri/min per 3 minuti consentendo ad un flusso di gas caldi di attraversare il filtro ed evitando così un raffreddamento troppo rapido dello stesso.
