Le emissioni dei motori – Come nascono e come si gestiscono

Le emissioni dei motori - Come nascono e come si gestiscono - Filtro per il particolato

Le emissioni dei motori – Come nascono e come si gestiscono – Da quando si è iniziato a lavorare sulla termodinamica e sulla combustione di materiali organici, ci piaccia o no, abbiamo scoperto che gli atomi di carbonio legati all’idrogeno bruciano e producono, se tutto va bene, CO2, se le cose vanno un po’ peggio CO e, se le cose vanno ancora peggio, abbiamo idrocarburi incombusti HC. E siccome noi non bruciamo questi combustibili semplicemente con ossigeno ma con aria generica, beh, dato che nell’aria c’è l’azoto, avremo reazioni tra azoto e ossigeno. Tra le condizioni di cui tener conto c’è anche la temperature elevata (oltre i 2.000/2.500 °C). In ogni caso, quello che vale la pena sottolineare è che a fronte di una combustione perfetta che costituisce il 99% esiste l’1% che non fa una combustione completa e che quindi non fa CO2 ma fa CO, oppure la microscopica gocciolina che esce come idrocarburi incombusti, oppure ancora il pulviscolo di cui in parte abbiamo già parlato in un precedente articolo. Quindi, di fatto, ciò che crea problemi è solo un 1% ed è quello che in termini tecnici viene definito “Engine Out”. Questo 1% che può sembrare estremamente piccolo, ed è infatti molto piccolo, diventa un grossissimo problema quando lo si confronta con ciò che ci chiedono le normative in termini di emissioni. Questo perché la normativa impone che quell’1% non sia un 1% ma un uno per 10.000, un uno per 100.000.

Chimica della combustione per i motori a combustione interna
Chimica della combustione per i motori a combustione interna

Quindi dobbiamo prendere quell’1% e trattarlo con i sistemi di post trattamento ossidandolo o riducendolo, a seconda dei componenti presi in considerazione. Le cose si sono complicate ulteriormente quando si è iniziato a misurare la CO2 emessa, per la quale si può ritenere una correlazione quali lineare con i consumi di combustibile. Da qui l’attenzione estrema nei confronti dei consumi, anche perché come noto, ogni veicolo moderno è dotato di un computer di bordo che fornisce valori di consumo medio e istantaneo, valori tenuti sotto controllo anche dal conducente più sbadato, visto che in questo caso i numeri sono legati strettamente alle volte che l’utente deve mettere mano al portafogli. La CO2 come ben si sa non è un inquinante, ma è un gas che produce effetto serra, perché produce uno scudo che avvolge la terra e che nei confronti dei raggi solari si comporta in modo asimmetrico. L’energia solare, infatti, riesce ad entrare perché ha una lunghezza d’onda differente, ma poi, una volta che Emissioni nei motori a combustione internasi è riflessa sulla terra, torna indietro con una lunghezza d’onda nel campo dell’infrarosso che non riesce a passare. Quindi il legislatore ha cominciato a limitare anche l’emissione di CO2 che dal punto di vista tecnico è una contraddizione in termini, perché i cicli termodinamici, così come li spiega la Fisica Tecnica, producono per loro natura anidride carbonica. Inoltre, è sempre la Termodinamica, o se volete definirla secondo il classico nome utilizzato all’interno dei corsi di ingegneria, la Fisica Tecnica, ad insegnarci che un ciclo termodinamico è tanto più efficiente quanto maggiore è la differenza di temperatura tra sorgente calda e sorgente fredda. Allora la contraddizione in termini sta nel fatto che per limitare la CO praticamente dobbiamo bruciare il combustibile in maniera meno efficiente, così facciamo CO. Dobbiamo inoltre tenere le temperature basse nel ciclo termodinamico così non produciamo gli NOx. Allora ecco il significato della bilancia che vedete qui di lato.

In pratica, gli ingegneri si sono trovati di fronte ad un problema: da una parte c’è la cattiva combustione che produce CO, HC e particolato, dall’altra parte abbiamo una buona combustione che produce tanto CO2 e quindi abbiamo una bilancia con cui decidere cosa fare. Uno potrebbe pensare di scegliere una via di mezzo, ma ciò non è sufficiente. Bisogna cercare di ridurre sia l’uno che l’altro. Considerando i motori, nell’immagine che segue

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vedete quali sono gli inquinanti per le unità a benzina, in colore verde, quelli dei diesel in colore blu, e in mezzo ci sono le soluzioni a gas. Se ci si concentra sui tre diagrammi di destra, si vede che il diesel ha un altissima concentrazione di particolato, ha gli NOx molto alti, ma sta molto meglio per la CO2, quindi con il consumo. Il benzina sta peggio da questo punto di vista e sta molto peggio per quanto riguarda la CO. Questo dimostra quello che si dice da tempo, cioè che il problema del benzina sono i consumi mentre per il diesel sono le emissioni. Per intervenire dal punto di vista progettuale si lavora su alcune tecnologie come l’iniezione diretta (si controlla meglio la combustione), la fasatura variabile, la sovralimentazione, i sistemi di post-trattamento e il downsizing che, in questo caso, tiene più correttamente definito il right-sizing, intendendo che un determinato motore viene dimensionato ad hoc per la vettura su cui deve lavorare, tenendo presente il principio della dimensione minima accettabile. Tutto ciò che abbiamo detto è ben visibile nell’immagine qui di seguito.

Le emissioni dei motori - Come nascono e come si gestiscono

Sempre nella figura sopra, vedete anche il sesto riquadro con questi acronomi un po’ strani. Per spiegare il significato di questo grafico ci si può affidare ad un’interpretazione del tipo seguente: quando navighiamo nel nostro mare siamo tra due promontori, quello del #soot (particolato) e quello dell’NOx. Con la nostra barca dobbiamo cercare di non andare a sbattere. Sull’asse delle ascisse di questo diagramma troviamo la temperatura di combustione, su quello delle ordinate c’è il rapporto aria/combustibile in cui il valore 1 corrisponde a quello stechiometrico, quelli sopra l’1 corrispondono alla miscela magra, cioè con tanta aria, quelli sotto l’1 corrispondono alla miscela ricca, cioè con minore ossigeno e più combustibile. Prendiamo allora l’esempio del motore a gasolio. Quando iniettiamo del gasolio nella zona della curva arancione, stiamo iniettando una miscela ricca perché le goccioline di combustibile nel diesel hanno intorno del vapore che è solamente vapore di combustibile. In pratica, ci sono zone dove non c’è ossigeno. Successivamente, il gasolio si mescola con l’aria e finalmente dove c’è il ginocchio della curva il combustibile si accende. Da questo punto in poi, aumenta la temperatura e l’ipotetica barca viaggia in orizzontale con il vento in poppa e va a sbattere sul promontorio del soot, dove si trova a formare particolato. Rimane per un certo tempo nella zona del particolato, ma poi la combustione prosegue e la miscela cambia dosatura. Il processo di combustione, o nella nostra metafora, la barca esce da quel promontorio, ritorna nel mare ma, avendo superato la temperatura critica per la formazione degli NOx la curva collide con il secondo promontorio, per l’appunto quello degli ossidi di azoto. Quello che abbiamo visto fa riferimento al diesel, ma con il benzina il comportamento è abbastanza simile. Quindi una combustione normale realizza un andamento simile alla camminata di un ubriaco che sbatte da una parte all’altra senza riuscire a passare lungo lo stretto. Il sogno è evidentemente quello di gestire l’iniezione e la combustione per poter viaggiare come un navigatore abile capace di passare indenne tra i due promontori. Bene, questo concetto viene sintetizzato per i benzina con l’acronimo di HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) e per il diesel PCCI (Premixed Charge Compression Ignition). Questo è un sogno che non si sa se lo vedremo o no nella realtà e un esempio tipico è quello di Mercedes con il DiesOtto, in cui l’idea è quella di gestire l’iniettore non come una valvola con due sole possibili condizioni di funzionamento (on/off), ma come un device in cui sia possibile guidare il movimento dello spillo con un’opportuna legge di moto in modo tale da far entrare la quantità giusta in ogni momento. Per fare questo dobbiamo anche avere sensori di combustione capaci di rilevare il ciclo di pressione e tutto questo nei pochi microsecondi durante i quali si esplica una combustione. E non solo. Tutto questo, ancora, se non bastasse, per tutte le condizioni di funzionamento del motore. Quella fin qui analizzata è un tipo di evoluzione possibile. La seconda via è quella di avere il right-sizing. In effetti quando noi compriamo un’automobile che, per esempio, ha un motore con una potenza di 100 kW, ci accorgiamo poi che quando il veicolo viene utilizzato in città, probabilmente di quella potenza ne basta un 10%. Non è un caso, infatti, che nella tipica guida cittadina il motore funzioni pressoché sempre in condizioni di parzializzazione. Per capire questa cosa dobbiamo far riferimento alla figura seguente.

Le emissioni dei motori - Come nascono e come si gestiscono - I piani quotati

Visualizzazione dell'EGR e suo schema di base nel layout di un motore a combustione interna.
Visualizzazione dell’EGR e suo schema di base nel layout di un motore a combustione interna.

Spieghiamo cosa sono questi diagrammi. Uno vale per tutti. Sono  dei diagrammi che riportano i piani quotati. Sono dei grafici che riportano le linee di isolivello. I piani quotati nel caso dei motori a combustione interna sono costruiti riportando sull’asse orizzontale, detto anche asse delle ascisse, il numero di giri del motore, sull’asse delle ordinate, ossia quello verticale, viene invece riportata la coppia del motore. Quindi, la curva più alta che vediamo in questi grafici è la curva di coppia del motore, mentre agli estremi laterali troviamo il regime minimo e il regime massimo di giri. Su questo piano vengono tracciate le linee di isolivello di un determinato parametro. Nel diagramma in alto, ad esempio, abbiamo le linee di isolivello del consumo specifico, in basso a sinistra quelle degli idrocarburi incombusti, e in basso a destra quella degli NOx. Il “better” è il punto migliore. Nel diagramma in alto, allora, con “better” è indicata la zona in cui troviamo i consumi più bassi, in quello in basso a destra troviamo il “better” che indica la zona corrispondente alle emissioni di NOx più basse e a sinistra la zona con HC più bassi. Vedete che se abbiamo una vettura che funziona a carico parziale, e osserviamo il diagramma in alto, ci troviamo a giri medio bassi, con bassa coppia e quindi in una zona ad alto consumo. Se invece si preme maggiormente l’acceleratore, per quel tipo di motore che è stato qui quotato, ci muoviamo verso la zona del “better. Questo per dire che se abbiamo un motore troppo grande per il lavoro che deve fare, ci troviamo a farlo lavorare in zone di rendimento più basso. Da qui il concetto di dimensionare bene il motore per il lavoro che deve svolgere. In questo caso, valgono anche altri tipi di considerazioni. Ad esempio, un motore che gira a regimi medio bassi va incontro a minori attriti e la combustione è più efficiente perché è maggiore il tempo che essa ha a disposizione per potersi completare. Fatte queste considerazioni, possiamo passare ai diagrammi in basso per scoprire che, al contrario, la zona che corrisponde ai migliori consumi non è quella che va bene per la minimizzazione degli HC e degli NOx. Bisogna trovare un compromesso. Passiamo quindi all’EGR, dove l’acronimo sta per Exhaust Gas Recirculation. In altre parole, se guardiamo l’immagine poco sopra a destra, l’EGR è rappresentata da quella linea gialla che spiega bene il suo funzionamento di base: rimettere in camera di combustione i gas esausti. Ma che senso può avere far rimangiare al motore i gas di scarico? Per capirlo analizziamo un motore a gasolio che funziona con un grosso eccesso di aria. Quando ci troviamo a carico parziale, ma non abbiamo una farfalla che parzializza il flusso (quindi un tipico motore a gasolio), ma semplicemente meno combustibile iniettato, si formano molti NOx perché l’azoto trova parecchi atomi di ossigeno con cui legarsi. Se buttiamo gas inerti, abbiamo meno ossigeno e quindi meno NOx. Abbiamo quindi parlato degli interventi motoristici. Passiamo invece a considerare la seconda macchina super costosa, ossia il sistema di post trattamento dei gas di scarico.

Sistema di post trattamento dei gas nel motore a gasolio e in quello a benzina

Nell’immagine sopra abbiamo il sistema di post trattamento dei benzina nella parte alta, quello dei diesel nella parte bassa. Nel primo diagramma, “Engine Out” (benzina), i livelli di emissione sono al 100%, ossia quell’1% di cui si parlava ad inizio articolo. Quando i gas passano attraverso il catalizzatore a tre vie, i parametri gialli diventano in parte verdi. Si tenga conto che stiamo visualizzando una scala logaritmica, con un logaritmo su base 10. Il colore verde significa che i gas emessi sono diminuiti, nel migliore dei casi, di due ordini di grandezza, perché da 100 sono passati a circa 1 (HC). Un ordine di grandezza invece per gli NOx. Se poi a causa delle limitazioni imposte dalla normativa Euro VI quegli NOx sono ancora troppi (come accade nella realtà dei fatti), allora dobbiamo aggiungere un nuovo pezzo al sistema di post trattamento. Introduciamo quindi il secondo catalizzatore, ossia il DeNOx che ci permette di scendere all’1%. Nel caso del diesel, con il primo catalizzatore abbattiamo solo gli HC, ma in realtà non riusciamo a fare nulla con il particolato e con gli NOx. Allora si aggiunge il filtro per il particolato e un DeNOx, ottenendo alla fine un sistema ancora più complesso.

I catalizzatori
Cos’è il catalizzatore a tre vie (TWC, Three-way Catalytic Converter)? Beh, qualcuno potrebbe pensare che sia un sistema di trattamento dotato di tre strade diverse. No. Il Three-way si riferisce alla sua capacità di intervenire contemporaneamente su tre elementi differenti: gli HC, i CO e gli NOx.

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Questo catalizzatore fa una cosa molto particolare: riceve degli NOx e interviene per togliere l’ossigeno all’azoto per generare N2. Il problema è che questo processo, così come ci dice la chimica, si riesce a ottenere se non c’è molto ossigeno tra i piedi. Se l’ossigeno è in eccesso, è intuitivo come diventi più complicato togliere ulteriore ossigeno alla molecola degli NOx. Questo catalizzatore, però, è così bravo da fare anche un’altra cosa: dare ossigeno agli idrocarburi incombusti per trasformarli in acqua e in anidride carbonica. Per fare quest’ultima cosa, l’ambiente deve essere molto ricco di ossigeno. Allora, serve un compromesso. Ed il compromesso è rappresentato dal far funzionare il motore nell’intorno del rapporto stechiometrico. Da qui nasce il concetto di sonda lambda. Il nome deriva dalla definizione di lambda come rapporto seguente:

lambda= (rapporto aria/combustibile)/(rapporto aria/combustibile stechiometrico)

che in forma più sintetica si può scrivere come:

definizione-lambda

Quando lambda è uguale a 1 stiamo lavorando con un rapporto stechiometrico, quando il valore è superiore a 1 la miscela è magra (più ossigeno), quando è inferiore a 1 la miscela è ricca (meno ossigeno). Le sonde lambda hanno quindi il compito di monitorare il contenuto di ossigeno o, più in generale, il rapporto stechiometrico con cui sta funzionando il motore. Questo catalizzatore va bene per i benzina. Per i diesel facciamo la medesima cosa, ma dato che lo scarico del diesel è parecchio sbilanciato sulla quantità di ossigeno (molto più ossigeno del benzina) utilizziamo quello che viene definito Diesel Oxidation Catalyst (DOC).

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Non avendo la possibilità di abbattere gli NOx con questo sistema, ci preoccupiamo solamente dell’ossidazione l’ossidazione e sistemiamo CO e HC facendo uscire allo scarico vapori d’acqua e anidride carbonica. Poi abbiamo il filtro per il particolato.

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È un oggetto costituito da una matrice in ceramica porosa a nido d’ape all’interno del quale viene fatto passare il gas. Le particelle di combustibile vengono trattenute e bloccate a monte della pareti. Il problema è che come tutti i filtri ad accumulo, dopo un po’ si intasa e quindi va sostituito. Però non è tanto bello cambiarlo, perché in teoria dovremmo effettuare la sostituzione ogni 500/600 km. Capite che la cosa non è possibile e allora si usa il sistema di rigenerazione. Tenete conto che quello che viene intrappolato è polvere di carbonio e grafite. Per bruciarli, si aumentano le temperature dei gas di scarico. Con questa operazione, se tutto va a buon fine, allo scarico dovremmo ottenere della CO2. Per abbattere gli NOx, invece, si fa qualcosa di concettualmente simile a ciò che si è pensato per il particolato. Si faccia riferimento alla figura seguente.

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In pratica, l’idea è di intrappolare gli ossidi di azoto formando un composto chimico nell’interno del catalizzatore. Qui non ci troviamo più di fronte alla necessità di avere una porosità per filtrare le particelle, perché stiamo trattando un gas. Lo facciamo combinare quindi con l’Ossido di Bario per formare il Nitrato di Bario che è un solido e che rimane attaccato alle superfici di questa matrice. Fino a quando abbiamo a disposizione Ossido di Bario, per effettuare questa reazione possiamo trattenere NOx. Quando arriva il momento di rigenerare il filtro perché è intasato, si commuta il funzionamento del motore dal magro al grasso e a questo punto avviene la reazione che si vede nell’immagine di destra (sempre figura sopra). Il combustibile assorbe l’ossigeno contenuto nel composto attaccato al Nitrato di Bario e allo scarico esce azoto semplice. Con le normative recenti, però, e in particolare con la Euro VI, tutto questo non è più sufficiente e quindi bisogna fare qualcosa d’altro. Si deve fare ricorso a qualcosa che agli automobilisti non è mai piaciuto: aggiungere l’SCR (Selective Catalytic Reactor o Selective Catalytic Reduction), ossia un reattore catalitico selettivo che funziona con una reazione chimica basata sull’introduzione di ammoniaca (NH3). Il processo è indicato bene nella reazione chimica indicata nell’immagine qui sotto.

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Gli ossidi di azoto vengono trasformati come per magia in 4 molecole di azoto e 6 di vapore d’acqua. Dobbiamo quindi avere un altro serbatoio aggiuntivo e un sistema di iniezione dedicato che si occupa di iniettare la giusta quantità di urea. È un sistema abbastanza delicato per due motivi. Prima di tutto dobbiamo mandare la giusta quantità di urea, perché se ne iniettiamo poca non otteniamo la reazione, se ne viene inserita troppa si osserva una fuoriuscita di ammoniaca allo scarico, con la produzione di un odore a dir poco fastidioso. In seconda battuta, dobbiamo essere sicuri che l’additivo sia in condizioni chimiche corrette, perché il caldo e il freddo, o altri parametri come il tempo di stoccaggio, possono influire sul suo stato di conservazione e quindi sulla sua composizione.

Conclusioni
Il problema delle emissioni, qui trattato volutamente in maniera semi seria, è complicato sotto molti punti di vista e ciò dovrebbe far riflettere su ciò che stiamo osservando anche di fronte agli eventi più recenti. Purtroppo il motore termico, sia esso a gasolio, sia esso a benzina, ha dei limiti tutti suoi che non potranno, probabilmente, mai essere superati. È una macchina termica che malgrado le recenti evoluzioni, funziona con rendimenti ancora molto bassi. Quando poi ci troviamo di fronte ai motori diesel e scopriamo che il sistema di post trattamento dei gas vale, in termini economici, quanto il motore, è quanto mai evidente che è stato raggiunto un limite di perfezionamento che probabilmente va oltre le potenzialità di questo tipo di motore. Il tempo sarà come al solito galantuomo e ci costringerà a prendere in seria considerazione la scelta di forme alternative di trazione. Fare previsioni temporali è ora impossibile. In ogni caso, si tratta di un grande dispiacere per chi scrive, ormai pesantemente affezionato al motore termico, ma probabilmente sarà un passo importante per la società di domani.