Automobili e ambiente. Gianni Comini - CISM O.obre 2016

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1 Automobili e ambiente Gianni Comini - CISM O.obre 2016

2 Motori a benzina a0uali Iniezione nel condo.o di aspirazione Candela La miscela in camera di combus>one è omogenea e completamente evaporata

3 Motori a benzina: miscele omogenee completamente evaporate condizioni di funzionamento emissioni ossigeno idrocarburi (X = 1 o 2) ossidi di azoto ossido di carbonio rapporto aria/combus>bile

4 Emissioni inquinan9 dei motori a benzina (senza depurazione dei gas di scarico) Con miscele omogenee e completamente evaporate le emissioni sono cos>tuite da: idrocarburi (HC) evapora> ma non brucia>, provenien> dalle miscele arricchite che si hanno, essenzialmente, nella marcia a freddo e nel funzionamento a piena potenza; ossido di carbonio (CO) che si forma dalle combus>oni di idrocarburi in dife.o di ossigeno (poiché in carenza d aria, ovvero con miscele ricche, l idrogeno brucia sempre per ben note ragioni termodinamiche); ossidi di azoto NO X che derivano da reazioni tra azoto e ossigeno, trascurabili a temperatura ambiente ma importan> alle alte temperature (raggiunte con miscele a composizione vicina a quella stechiometrica)

5 Motori Diesel a0uali: iniezione dire0a Grazie al sistema common rail il gasolio viene inie.ato ad al>ssima pressione so.o forma di goccioline finissime che, però, devono evaporare, diffondersi e bruciare in millesimi di secondo. Pertanto, come vedremo, la combus>one ha luogo a zone. In ques> motori, inoltre, viene controllata solo la portata di combus>bile e non quella dell aria (per cui, mediamente, la miscela risulta magra).

6 Combus9one di un ge0o di goccioline polverizzate Inizio Fine Si hanno, in zone diverse della camera di combus>one, miscele ricche e magre, e temperature alte e basse. Inquinan>: NO X e par>colato (da goccioline carbonizzate). Meno HC (evapora>) e CO rispe.o ai motori a benzina (miscele mediamente più magre).

7 Emissioni inquinan9 prodo0e dai motori Diesel (senza depurazione dei gas di scarico) Con miscele non omogene, mediamente magre, e in presenza di goccioline di combus>bile, le emissioni prodo.e dal motore sono cos>tuite da: ossidi di azoto NO X che si formano nelle zone con miscele magre e ad alta temperatura (in quanto, per esempio, vicine a zone calde con miscele ricche) par>colato che si forma a par>re dalle goccioline nelle zone con miscele ricche (che non bruciano completamente) o nelle zone a temperatura inferiore a quella di combus>one (in quanto, ad esempio, raffreddate dalle pare> del cilindro) Invece HC, evapora> ma non brucia>, e CO non sono del tu.o assen> ma sono ridoz rispe.o ai motori a benzina (perché possono formarsi solo nelle poche zone con miscela ricca)

8 Funzionamento del common rail La pressione massima arriva a 300 Mpa (circa 3000 atm). Il carburante è accumulato alla pressione di lavoro nel binario comune. Gli inie.ori, come il resto del sistema, sono comanda> ele.ronicamente.

9 Provvedimen9 motoris9ci per ridurre la produzione di NO X nei Diesel Per ridurre gli NO X si può ridurre la temperatura media in camera di combus>one ricircolando i gas di scarico all aspirazione o ritardando l iniezione del combus>bile Riducendo la temperatura media di combus>one, però, crescono i consumi e aumenta il par>colato e, di conseguenza pur penalizzando i consumi, nei motori Diesel non è possibile ridurre insieme le produzioni di NO X e di par>colato

10 Ricircolazione dei gas di scarico Schema di principio per la ricircolazione dei gas di scarico nei Diesel (senza turbocompressore) La ricircolazione dei gas di scarico abbassa la temperatura media di combus>one (e, di conseguenza, riduce la formazione degli NO X ) perché nella camera di combus>one vengono introdoz gas spen> che non partecipano al nuovo processo di combus>one.

11 Norma9va sulle emissioni

12 Provvedimen9 per rientrare nei limi9 Il post-tra.amento dei gas di scarico è ormai necessario in tu.e le auto per rientrare nei limi> impos> dalla norma>va. È rela>vamente semplice per le auto a benzina nelle quali basta la sola marmi.a catali>ca trivalente accompagnata, come vedremo, dalla sonda lambda (che assicura il funzionamento a composizione stechiometrica costante). È molto complesso per le auto Diesel nelle quali non è possibile u>lizzare una marmi.a catali>ca trivalente (in quanto la miscela, mediamente magra, ha, comunque, composizione variabile da zona a zona della camera di combus>one). Nelle auto Diesel, infaz, sono necessari: un catalizzatore ossidante per tra.are CO ed HC, un filtro an>par>colato (FAP) e un sistema di ca.ura per gli NO X. In par>colare, il post-tra.amento degli NO X è diventato sempre più difficile per la severità crescente della norma>va da Euro 3 a Euro 6 e, come vedremo, a.ualmente è necessario impiegare un catalizzatore riducente selezvo (SCR).

13 Motori Diesel: par9colato e NO X da Euro 3 a Euro 6 Come si può vedere, il rispe.o dei limi> è molto difficile, sopra.u.o per gli NO X che, dopo Euro 6, richiedono l u>lizzo di un catalizzatore SCR (Ridu.ore Catali>co SeleZvo)

14 Benzina: marmi0a catali9ca trivalente Foro per sonda lambda Così chiamata perché, con miscele stechiometriche, rimuove insieme i tre principali inquinan>: CO, HC e NO X CO e HC sono ossida> (catalizzatore pla>no) NO X sono ridoz (catalizzatore rodio)

15 Marmi0a catali9ca trivalente: funzionamento Ossidazione (catalizzatore pla>no) 2 CO + O 2 = 2 CO 2 2 CH O 2 = 2 CO H 2 O Riduzione (catalizzatore rodio) 2 NO + 2 CO = N CO 2 Le tre reazioni possono aver luogo insieme solo con miscele a composizione stechiometrica: di qui la necessità della sonda lambda che pilota l iniezione di carburante assicurando la costanza della composizione (vd. foro per la sonda nella foto precedente). Nota 1. Come si è già osservato, a composizione stechiometrica, gli NO X sono vicini al massimo, mentre HC e CO sono vicini al minimo. Nota 2. Il piombo avvelena i catalizzatori: di qui la necessità di u>lizzo della sola benzina verde nelle auto con marmi.a catali>ca trivalente

16 Diesel: catalizzatore ossidante U>lizza l ossigeno presente nei gas di scarico (miscela mediamente magra) e le reazioni sono favorite dal pla>no del catalizzatore 2 CO + O 2 = 2 CO 2 2 CH O 2 = 2 CO H 2 O

17 Diesel: SCR (Ridu0ore Catali9co SeleMvo) Ad Blue Riduce efficacemente gli ossidi di azoto nei Diesel ma richiede l aggiunta ai gas di scarico di ammoniaca, so.o forma di urea (chiamata poe>camente Ad Blue) 4 NO + 4 NH 3 + O 2 = 4 N H 2 O Invece degli SCR, prima di Euro 6 erano spesso usate trappole di ca.ura degli NO X (che sono rigenerabili e non richiedono addi>vi)

18 Diesel: FAP (filtro an9par9colato) I gas di scarico passano tra i canali porosi della matrice in ceramica depositando il par>colato. Periodicamente il filtro deve essere rigenerato mediante un processo di combus>one innescato da una iniezione di miscela ricca. Nelle realizzazioni più moderne l aggiunta di un addi>vo a base di ossido di cerio (chiamato poe>camente Eolys) riduce la temperatura di combus>one del par>colato e consente il montaggio del FAP a valle del catalizzatore SCR

19 Sistema di depurazione dei gas di scarico nelle auto Diesel - Euro 6 DPF = Diesel Par9culate Filter SCR = Selec9ve Cataly9c Reduc9on

20 Auto Diesel - Euro 6 A.ualmente, tu.e le auto Diesel Euro 6 possono ricircolare i gas di scarico all aspirazione e ritardare l iniezione del carburante diminuendo così le emissioni di NO X (ma aumentando emissioni di par>colato e consumi); sono dotate di un catalizzatore ossidante all uscita del motore per eliminare CO e HC; Nelle realizzazioni migliori u>lizzano un catalizzatore riducente per gli NO X del >po SCR, che è molto efficace ma richiede l iniezione di urea (ovvero Ad Blue) u>lizzano un filtro an>par>colato (FAP) altre.anto efficace, che però richiede l iniezione di un addi>vo a base di ossido di cerio (ovvero Eolys) In variante si trovano ancora FAP senza addi>vo (acce.abili se monta> subito dopo il catalizzatore ossidante dove la temperatura è ancora alta) trappole di ca.ura degli NO X autorigeneran> (considerate meno efficaci)

21 Conseguenze per le auto Diesel Il sistema di depurazione dei gas di scarico non sfigurerebbe in una centrale termoele.rica, ma deve stare anche in un u>litaria di tre metri e mezzo L addi>vo per il FAP sta in un serbatotoio, inaccessibile all utente, che viene rabboccato in occasione dei tagliandi periodici. L addi>vo per il catalizzatore SCR sta in un serbatoio che, in caso di grandi percorrenze, l utente deve rabboccare anche tra i tagliandi. Ecco come l Ad Blue (urea) viene aggiunto dal tappo a fianco di quello del carburante anche da chi guida BMW, Mercedes, Audi, Porsche Cayenne

22 Meglio le auto a benzina? Non facciamo i con> senza l oste: le auto a benzina consumano di più e, quindi, eme.ono più anidride carbonica. Il Regolamento Europeo 443/2009 già impone un limite massimo alle emissioni di CO 2 di 130 g/km e tale limite verrà certamente abbassato in futuro. In questo modo sarà inevitabile il passaggio prima alle auto ibride (e non basterà agli ambientalis>) e poi a quelle ele.riche. Buona guida!

23 GRAZIE PER L ATTENZIONE