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di Romano Demaldè APPROFONDIMENTI Ora i trattori parlano solo in Euro III A ridurre l inquinamento dell aria sono chiamati tutti a rapporto, trattori inclusi. Il rispetto dell ambiente e della salubrità dell aria sono tematiche che rientrano ormai nel linguaggio comune delle macchine agricole, le quali devono rispondere alle sempre più esigenti misure anti-inquinamento. Arrivati con non poca fatica allo standard di emissione Euro III, detto anche Tier III, i motori utilizzati nel settore nonroad, quindi fuori strada, devono cominciare a fare i conti con i prossimi limiti di emissione, ancora più severi, e che di certo metteranno a dura prova tecnici e ingegneri delle varie case costruttrici. Le principali tappe da rispettare I primi standard per motori diesel fuori strada, con potenza superiore ai 37 kw (50 CV), sono stati introdotti negli Stati Uniti, tra il 1996 e il 1999, dall Environment Protection Agency, o Epa, con il limite di emissione Tier I, mentre in Europa sono I motori devono inquinare meno. Ma come? Tra filtri antiparticolato e sistemi Egr e Scr, tutte le strategie per ridurre le emissioni nocive arrivati con lo Stage I nel 1999. In seguito i vari enti hanno fi ssato standard progressivamente più severi, entrati in vigore tra il 2001 e il 2008, prima con il Tier II/Stage II fi - no al recente Tier III/Stage III A. Questi standard dovranno attraversare un periodo transitorio, nel 2011-2012, in cui si seguiranno le norme Tier III transitorie/stage IIIB, dopo le quali si passerà all applicazione delle normative Tier IV/Stage IV, che dovranno essere attuate entro il 2015. Le principali tappe per la riduzione delle emissioni non-road in Ue (>130 kw) Come limitare le emissioni nei diesel Il contenimento delle emissioni può essere ottenuto mediante interventi a monte e a valle del processo di combustione. Nel primo caso si lavora all origine agendo sulla più spinta raffi nazione del combustibile e utilizzando additivi, limitando la temperatura massima di combustione e ottimizzando l iniezione. Circa gli interventi a valle della combustione (post-trattamento) sono utilizzabili i catalizzatori ossidanti, i fi ltri antiparticolato, i sistemi di ricircolo dei gas di scarico e la riduzione selettiva catalitica. Gasolio e lubrificanti puliti Un primo accorgimento è dato dall utilizzo di combustibili e oli lubrifi canti il più possibile privi di zolfo e idrocarburi aromatici policiclici, oppure aggiungendo degli additivi a ogni pieno. Riducendo il tenore di zolfo possono essere ridotte le emissioni dei composti di zolfo (SO x ). Ora l utilizzo di combustibili più raffi nati dei tradizionali gasoli è già una realtà nel settore automobilisti- 2014 1999 Euro I NO x = 9,2 g/kwh PM = 0,54 g/kwh 2002 Euro II NO x = 6 g/kwh PM = 0,2 g/kwh 2006 Euro IIIA NO x = 4 g/kwh PM = 0,2 g/kwh 2011 Euro IIIB NO x = 2 g/kwh PM = 0,025 g/kwh Nei fumetti vengono riportati i valori ammessi per ogni standard di emissione degli ossidi di azoto (NO x ) e del particolato (PM), con indicato entro quando devono essere rispettati. Da notare come dall attuale standard Euro IIIA al prossimo Euro IIIB, gli NO x dovranno scendere del 50%, mentre le particelle solide di quasi il 90% Euro IV NO x = 0,4 g/kwh PM = 0,025 g/kwh MAD Supplemento al numero 6 Giugno 2009 9
COS È LE EMISSIONI DEI MOTORI DIESEL Dal gas di scarico di un motore diesel a combustione interna, vengono scaricati in atmosfera: monossido di carbonio, idrocarburi incombusti, ossidi di azoto, particolato, anidride carbonica, anidride solforosa e solforica. È utile ricordare che l aria contiene azoto (N 2 ), ossigeno (O 2 ), anidride carbonica (CO 2 ) e altri elementi in piccole quantità, mentre il gasolio contiene carbonio (C), idrogeno (H) e tracce di zolfo (S). Questi cinque elementi si combinano chimicamente tra loro durante la combustione che, non essendo quasi mai completa, produce gas dannosi per l ambiente e per l uomo. Monossido di carbonio (CO) Il carbonio contenuto negli idrocarburi è uno degli elementi che si combina con l ossigeno durante la combustione, che se completa porta alla formazione di anidride carbonica. 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. Se l ossigeno è insufficiente, come tipicamente avviene nelle miscele ricche dei motori a ciclo Otto (benzina), la reazione produce monossido di carbonio, pericoloso per l ambiente e letale per l uomo. Nei diesel, essendo sempre la presenza di ossigeno molto elevata anche a pieno carico, la produzione di CO è trascurabile e pari a circa 1/10 di quella prodotta dal motore a benzina. Idrocarburi incombusti (HC) Gli idrocarburi incombusti derivano essenzialmente dal combustibile che non prende parte alla combustione. Tra le cause che concorrono a tale fenomeno si annoverano il riempimento di gasolio in cavità interne alla camera di combustione, solitamente nello spazio tra cilindro e pistone, l assorbimento del combustibile da parte dell olio, lo spegnimento della fiamma in prossimità delle pareti della camera più fredde e della zona centrale del getto di iniezione, dove le goccioline iniettate non trovano ossigeno sufficiente per completare la combustione. Ossidi di azoto (NO x ) Gli NO x, che rappresentano assieme al particolato il principale inquinante emesso dai motori diesel, sono una miscela costituita da ossido di azoto NO (circa il 98%) e biossido di azoto NO 2 (circa il 2%). L azoto è un elemento naturale dell aria; quando la temperatura in camera di combustione è troppo elevata, l azoto si combina con l ossigeno e forma gli ossidi di azoto, che da soli non sono nocivi ma quando sono esposti ai raggi solari si combinano con gli idrocarburi incombusti formando lo smog e concorrono alla formazione di ozono a basse altitudini. Nel caso di impiego di combustibili a elevato contenuto di zolfo, gli NO x influiscono inoltre, in modo notevole, alla formazione delle piogge acide. Per limitarne la formazione occorre diminuire la temperatura del processo di combustione. Particolato (PM) Il particolato (la cosiddetta fuliggine o soot) è costituito da particelle solide (carbonio e idrocarburi derivati dal combustibile e dall olio lubrificante) di diametro compreso tra 10 e 100 μ (1 micron = 1 millesimo di millimetro) e sono molto dannose poiché possono penetrare negli alveoli polmonari (sono cancerogene). Si formano alla presenza di elevate pressioni e temperature, il massimo valore si ha durante il picco di pressione iniziale della fase di espansione. Alcune sperimentazioni hanno evidenziato che nei motori diesel a iniezione indiretta la produzione di particolato può essere inferiore rispetto a quelli a iniezione diretta perché la miscelazione aria-combustibile avviene più rapidamente. La quantità emessa è relativamente ridotta a bassi e medi carichi mentre a pieno carico (accelerazione), riducendosi il rapporto aria/combustibile, l emissione diventa consistente. Anidride carbonica (CO 2 ) L anidride carbonica è un inevitabile prodotto della combustione e dipende direttamente dal consumo di combustibile. L unico modo per ridurla è quello di diminuire i consumi del motore. Si discute di ridurne l emissione a livello mondiale perché ritenuta responsabile dell effetto serra (riscaldamento globale). Composti dello zolfo I composti dello zolfo (SO x ) presenti sottoforma di anidride solforosa e solforica (SO 2 e SO 3 ) si formano a causa del contenuto di zolfo presente nei gasoli. La loro presenza nello smog porta alla formazione delle piogge acide. R.D. MAD Supplemento al numero 6 Giugno 2009 10 Egr Cooler esterno (AGRex inside Fendt) co, dove le maggiori compagnie petrolifere propongono gasoli a bassissimo contenuto di zolfo, ma a prezzo più elevato. La qualità della combustione può essere migliorata limitando la variazione della densità del gasolio. L impiego di scambiatori di calore dedicati al raffreddamento o al riscaldamento del combustibile, secondo le condizioni ambientali, consente un più preciso dosaggio. Motori più efficienti Un contributo importante nella riduzione della quantità di sostanze inquinanti derivanti dalla combustione arriva proprio dai moderni sistemi di iniezione a elevatissima pressione (common rail, pompainiettore), a controllo elettronico e con l ottimizzazione della geometria della camera di combustione. Modifi cando il disegno della camera di combustione, assolutamente necessaria con i nuovi sistemi ad alta pressione, si ottiene una penetrazione del getto più elevata, riducendo i contatti con la parete e quindi la conseguente formazione di particolato. I pistoni presentano una camera di maggior diametro, ma in grado di mantenere invariato il rapporto di compressione. Anche i condotti di aspirazione possono subire delle modifi che, atte a favorire un maggiore swirl (turbolenza a spirale) all interno della camera di combustione. Per favorire questa turbolenza, nel
L impiego dei nuovi sistemi ad alta pressione nei motori diesel ha comportato la modifica della geometria della camera di combustione come evidenziato nella figura di destra Il miglioramento fluodinamico nel condotto di aspirazione ha permesso ai costruttori di motori di superare il primo step della normativa sulle emissioni condotto di aspirazione può essere installato lo Swirl Flap, una valvola capace di modificare in base alla sua posizione il moto detto di Swirl all interno della camera di combustione. La sua posizione viene controllata mediante una centralina elettronica in funzione delle condizioni del motore, così da ridurre al massimo i valori di particolato e NO x. Nei motori sovralimentati, un accorgimento per contenere la produzione degli ossidi d azoto è rappresentato dall interrefrigerazione (aria-aria, aria-acqua) che, raffreddando l aria in entrata, riduce pure le temperature massime di combustione. L eventuale nebulizzazione di una certa quantità di miscela acquaglicoletilenico nel condotto di aspirazione, che giunge nella camera di combustione formando una miscela omogenea con il gasolio e prendendo parte attiva alla combustione, consente una notevole riduzione della fumosità e degli NO x. Ciò signifi ca una migliore combustione e un migliore rendimento del motore che si mantiene pulito e più effi - ciente. Funzionamento del ricircolo esterno (Egr) Aspirazione Valvola di non ritorno Egr Cooler Catalizzatore ossidante Il catalizzatore ossidante permette di ridurre monossido di carbonio e idrocarburi incombusti ed è costituito da un involucro metallico contenente una matrice ceramica, generalmente a nido d ape, su cui sono depositati i metalli nobili (platino, palladio, rodio) che rappresentano il materiale catalitico utilizzato per far avvenire le reazioni desiderate in tempi adeguati. L impiego del catalizzatore ossidante è reso diffi cile a causa della presenza di zolfo che può essere ulteriormente ossidato e quindi diventare ancora più pericoloso per l ambiente. Filtro antiparticolato (Fap) Il filtro o trappola antiparticolato (Fap, Dpf, ecc.) è in pratica un setaccio di materiale refrattario in grado di bloccare le particelle soli- Valvola Egr Turbocompressore Scarico di pressione Centralina di controllo de, portate in sospensione dai gas di scarico, di diametro superiore a quello delle celle di cui è composto il filtro. Il filtro è costituito da un corpo ceramico con canali assiali delimitati da pareti porose e chiusi alle estremità per costringere i gas ad attraversare le pareti medesime prima di essere espulsi. Intasandosi progressivamente, il fi ltro riduce la sua effi cienza ma, per evitarne il ricambio, innalzando la temperatura dei gas di scarico si bruciano le particelle carboniose intrappolate nel fi ltro, che si rigenera di conseguenza (rigenerazione termica). L intasamento del fi ltro, inoltre, provoca una differenza di pressione tra l ingresso e l uscita dello stesso, che è misurata tramite sensori di MAD Supplemento al numero 6 Giugno 2009 11
MAD Supplemento al numero 6 Giugno 2009 12 Filtro Modulo di invio dell additivo Agli attuatori Iniettore additivo Una volta ossidati, i gas di scarico reagiscono con l ammoniaca presente nell additivo. Avviene una reazione chimica che trasforma gli ossidi di azoto in ossigeno, acqua e azoto. Funzionamento del sistema Scr (riduzione selettiva catalitica) Catalizzatore Scr pressione. Quando la centralina legge una differenza di pressione superiore al valore impostato (fi ltro intasato) comanda all iniettore del sistema Common rail di eseguire una post-iniezione, cioè un iniezione aggiuntiva di gasolio la quale aumenta la temperatura e rigenera pertanto il fi ltro. Egr (Exaust gas recirculation) Il sistema Egr ha la funzione di rimuovere gli inquinanti NO x direttamente in camera di combustione, Centralina di controllo del dosaggio Dai sensori Il catalizzatore Scr Punto ingresso dell additivo di livello dei gas esausti Serbatoio dell additivo diminuendone la temperatura tramite l inserimento di parte dei gas di scarico, che diluiscono la miscela aspirata. La soluzione più semplice consiste nell aprire momentaneamente la valvola di scarico durante la fase di aspirazione, oppure quella di aspirazione durante la fase di scarico. Entrambi i metodi sono ottenuti mediante una modifi ca dell albero a camme, ma hanno lo svantaggio di non poter essere regolati, in quanto sono indipendenti dal carico e dal regime di rotazione del motore, e penalizzano leggermente la coppia. Una seconda alternativa è rappresentata dal comando elettronico della valvola di scarico che, una volta aperta, consente all olio motore di azionare idraulicamente un pistoncino avente il compito di abbassarla. Il sistema di gestione elettronica del motore evita pertanto la produzione di elementi corrosivi associati al ricircolo esterno dei gas di scarico. Nell Egr esterno, i gas dal collettore di scarico sono rimandati in quello di aspirazione sfruttando la differenza di pressione tra i due creata mediante una valvola o una strozzatura. A seconda delle varie condizioni di funzionamento del motore, sono necessarie quantità differenti di ricircolo, pertanto si inserisce una valvola di regolazione che è comandata dalla centralina. Il problema dato dall Egr è il conseguente aumento del particolato poiché si rimettono in camera di combustione delle particelle che possono facilmente fungere da centri di agglomerazione per altri residui. L Egr Cooler L Egr determina non soltanto un aumento del consumo di combustibile e problemi di imbrattamento delle pareti della camera, ma fa aumentare la temperatura dell aria in ingresso. Infatti, nei moderni sistemi si ha un raffreddamento con uno scambiatore Egr Cooler oppure i gas di scarico sono prelevati in una zona dell impianto di scarico più vicina all uscita e quindi a temperatura minore. In quest ultimo caso si parla di long route Egr. Gli svantaggi dell Egr Cooler sono riconducibili alla conversione dello zolfo del combustibile in acido solforico corrosivo. Riduzione selettiva catalitica Scr Il sistema Scr (Selective Catalityc Reduction), di recente introduzione, permette l abbattimento degli NO x mediante l iniezione nel cilindro di un additivo a base di ammoniaca, contenente il 32,5% di urea. Questo additivo è inserito mediante un iniettore simile a quello usato nei Common rail, su comando della
centralina all interno del catalizzatore Scr. Quando l ammoniaca si mescola con i gas di scarico avviene una reazione chimica, che trasforma gli ossidi di azoto in ossigeno, acqua e azoto. Deve essere presente un serbatoio contenente urea, che alimenta il sistema e il catalizzatore adeguatamente coibentato per evitare il congelamento dell additivo (che avviene a 12 C). La quantità di composto necessaria è stimata pari al 3-5% di consumo di gasolio del motore. Considerazioni Non è facile coniugare la riduzione dei consumi (e conseguentemente della CO 2 ) con quella dei vari tipi di inquinanti. Modificare alcuni parametri può consentire l abbattimento di un inquinante ma allo stesso tempo aumentare l emissione di un altro. Un elevato ricircolo dei gas (Egr), ad esempio, riduce notevolmente la quantità di NO x, ma aumenta l emissione di particolato. Diminuire il rapporto di compressione signifi ca diminuire le temperature di combustione e quindi gli NO x, tuttavia cala anche il rendimento termodinamico del motore e quindi aumentano i consumi di combustibile. Occorre perciò realizzare un mix di soluzioni che utilizzino i sistemi visti regolandoli opportunamente tramite la centralina elettronica in funzione di tutte le condizioni del motore. La centralina ha un ruolo assolutamente primario perché riceve segnali dai sensori e in funzione della mappatura (la cui defi nizione è una procedura complicata e costosa) regola l iniezione (quantità di gasolio, durata e sequenza delle iniezioni, eventuali post-iniezioni) e parametri dei dispositivi anti-inquinamento (quantità di Egr, quantità di urea da iniettare nell Scr, eventuale rigenerazione del Fap, COSA FILTRANO Tipo di post-trattamento Catalizzatore ossidante Filtro antiparticolato Ricircolo gas di scarico Riduzione selettiva catalitica Effetti CO HC PM NO x +PM NO x posizione degli Swirl Flap, ecc.) Sarà una bella scommessa riuscire a mantenere bassi i consumi viste le modifi che da apportare ai motori per rientrare entro i limiti di emissione sempre più restrittivi. Le nuove normative richiedono ai costruttori consistenti variazioni progettuali relative ad esempio alla geometria del pistone, al rapporto di compressione, alla turbolenza nel cilindro e nei condotti di aspirazione e scarico, ecc. Romano Demaldè r.demalde@macchineagricoledomani.it