Approfondimento 1: Catalizzatori per l abbattimento degli NO x

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Viola Emilia Gallo
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1 Approfondimento 1: Catalizzatori per l abbattimento degli NO x Il gas fuoriuscente da un motore Diesel viene convogliato nel primo stadio del convertitore catalitico, dove si ha l ossidazione del monossido di carbonio (CO) e degli idrocarburi incombusti. I gas entrano quindi in un dispositivo di ceramica a nido d ape che filtra e adsorbe il particolato carbonioso. Quando i filtri tendono ad intasarsi il sistema elettronico di controllo immette per breve tempo più gasolio nella camera di combustione che passando in parte nel convertitore catalitico ossidante e il calore sviluppato fa bruciare anche i residui sui filtri di particolato che agisce quindi da forno autopulente. Riguardo agli NO x è stato sperimentato il riciclo di parte dei gas di scarico che vengono mescolati con aria fredda esterna nel tubo compressore diminuendo l eccesso di ossigeno e rendendo la miscela più magra che raggiunge quindi una temperatura finale minore e minor formazione di NO x. Nei motori degli aerei e jet addirittura si ricorre a due iniezioni successive di aria in due sezioni successive della camera di combustione. Nella prima si mescola il cherosene con un difetto stechiometrico di aria e nella seconda si aggiunge altra aria per completare la combustione scavalcando così l intervallo di rapporti aria/combustibile in cui si avrebbe la massima formazione di NO x. Un metodo completamente diverso è quello di mescolare i gas fuoriuscenti dal convertitore catalitico con urea (tecnologia Toyota): si forma ammoniaca, NH 3, che a sua volta riduce gli NO x ad N 2 elementare. Vi è l inconveniente del periodico rifornimento anche dell urea. Infine un sistema più elegante prevede l utilizzo di un catalizzatore solido a doppio strato: il primo contiene zeoliti acide microporose, ad ampia superficie di contatto, che converte gli NO x direttamente in N 2. Lo strato inferiore contiene ossido di cerio e platino che trasforma la miscela vapor d acqua monossido di carbonio dei fumi in idrogeno e CO 2. L idrogeno riduce gli NO x ad NH 3 che viene fissata nello strato superiore e riduce a sua volta gli NO x a N 2. Si noti che la produzione di gasolio per i motori Diesel puliti è sviluppato da molto più tempo in Europa che non nel Nord America, che è in notevole ritardo per la produzione di auto rispetto al traffico pesante (TIR, autotreni, locomotive). Approfondimento 2: I filtri per i motori diesel L uso di miscele magre spinge però ad una maggior produzione di nero fumo, perciò per le auto diesel Euro5 è stato reso obbligatoria l uso del filtro, che era solo opzionale per auto

Quando i filtri tendono ad intasarsi il sistema elettronico di controllo immette per breve tempo più gasolio nella camera di combustione che passando in parte nel convertitore catalitico ossidante e

2 diesel Euro4, ma il costo elevato ( Euro) ne ha scoraggiato spesso l applicazione. E richiesto comunque l uso di combustibili del tutto privi di zolfo che avvelenerebbe il filtro. I prodotti denominati retrofit sono classificati come filtri aperti, perché trattengono le polveri nella marcia urbana e poi le bruciano quando l auto viaggia a velocità prossime a quelle autostradali e le temperature dei gas di scarico salgono. Però, quando questo non avviene, i depositi vengono espulsi per evitare l intasamento. Per questa ragione riescono a trattenere solo il 40 50% delle polveri sottili prodotte dalla combustione del gasolio (la normativa impone non meno del 30%). I filtri ufficiali montati in origine (DPF o FAP) sono invece definiti chiusi perché imprigionano tutte le polveri e le bruciano periodicamente, indipendentemente dall uso che si fa dell auto, modificando la temperatura dei gas di scrico attraverso il controllo dell iniezione del motore. In questo modo viene abbattuto oltre il 95% delle emissioni.

autostradali e le temperature dei gas di scarico salgono. Però, quando questo non avviene, i depositi vengono espulsi per evitare l intasamento.

3 Fig 1. Il motore diesel. L aria viene aspirata nel cilindro mentre il pistone si ritrae da A a B e viene poi compressa nella fase da B a C. A questo punto viene immesso il combustibile e l accensione della miscela calda continua mentre il pistone si ritrae fino a D. In D il processo diviene adiabatico (tutto il combustibile è stato consumato) e la fase di produzione di potenza porta il motore nello stato E. Poi la valvola di scarico si apre, agendo da sorgente fredda per i gas di scarico ad alta temperatura, che si portano così ai valori atmosferici di pressione e temperatura. I gas sono espulsi dal cilindro nella fase che va da F ad A. Fig. 2: Turbocompressore da pag. 105 di Le scienze giugno 2007

In D il processo diviene adiabatico (tutto il combustibile è stato consumato) e la fase di produzione di potenza porta il motore nello stato E.

4 Fig.3 Camera per motori d aereo a jet a due iniezioni Fig.4 Marmitta catalitica e filtro per Diesel da pag 23 di Green Chemistry maggio 2007

5 Componenti gassose/ Condizioni a Motore diesel Motore a benzina (4- tempi) Motore a benzina (4-tempicombustione magra) Motore 2-tempi NO x ppm ppm 1200 ppm ppm HC ppmc ppmc 1300 ppmc ppmc CO ppm 0.1-6% 1300 ppm 1-3% O % 0.2-2% 4-12% 0.2-2% H 2 O 1.4-7% 10-12% 12% 10-12% CO 2 7% % 11% 10-13% SO x b PM 65 mg/m ppm ppm 20 ppm 20 ppm Temperatura di 650 C 1100 C c 850 C 1000 C utilizzo Velocità spaziale dei gas (GHSV h -1 ) d λ (A/F) e 1.8 (26) 1 (14.7) 1.16 (17) 1 (14.7) f Fig. Caratteristiche tipiche dei gas di scarico in funzione del tipo di motore. ppm: parti per milioni; ppmc: parti per milioni di carbonio; NO x : ossidi di azoto; HC: idrocarburi non combusti o parzialmente combusti; CO: monossido di carbonio; SO x : ossidi di zolfo; PM: particolato polveri fini con diametro < 10μm. fattori critici fattori favorevoli. a Tutto il resto è azoto; b Dipende dalla quantità di carburante, utilizzando carburante a basso contenuto di SO x si ottengono valori più bassi. c Catalizzatore di tipo CCC. d Velocità spaziale dei gas di scarico- Gas Hourly Space Velocità: volume dei gas (L) che passa su un volume unitario del catalizzatore (L) in un ora. e λ è definita come rapporto Aria/Combustibile (A/F) diviso il rapporto A/F necessario per la combustione stechiometrica (perfetta). Al punto stechiometrico λ = 1 corrisponde ad A/F = 14. f Parte del combustibile viene utilizzata per espellere i gas esausti dal cilindro e ciò non permette di definire A/F. Tabella da pag 16 Green Chemistry maggio 2007

5% 11% 10-13% SO x b PM 65 mg/m 3 10-100 ppm 15-60 ppm 20 ppm 20 ppm Temperatura di 650 C 1100 C c 850 C 1000 C utilizzo Velocità spaziale 30000-100000 30000-100000 30000-100000 30000-100000 dei gas

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