Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica A.A. 2009/2010 II Periodo di lezione Corso di: Macchine B Docente: Prof. Stefano Fontanesi Inquinanti nei motori AC
Principali inquinanti Come nei motori AS, anche nei motori AC avrò allo scarico presenza di CO, HC e NOx, ma in questo caso si aggiunge anche tra gli inquinanti i il Particolato o Soot. CO I meccanismi alla base della formazione del CO sono gli stessi visti per i motori AS, anche se l utilizzo di miscele magre o fortemente magre fa sì che i livelli di CO emessi da un motore a ciclo Diesel siano generalmente molto inferiori i i a quelli allo scarico di un motore a ciclo Otto. La disomogeneità delle condizioni di miscela in camera può in ogni caso promuovere la formazione locale di quantitativi non trascurabili di CO nelle zone ricche del getto.
Principali inquinanti HC Ai meccanismi già visti per i motori AS (crevices filling, adsorbimento olio, flame quenching, misfire) si aggiungono anche in questo caso le condizioni fortemente disomogenee in camera: tenderanno a formarsi HC sia nelle zone più periferiche del getto (miscele eccessivamente magre e combustioni molto lente) sia nelle zone centrali (miscele eccessivamente ricche e mancanza di ossigeno in quantità sufficienti a completare le reazioni di ossidazione).
Principali inquinanti NOx Gli elevati carichi termici tipici dei motori Diesel, unitamente all abbondanza di aria in camera, fanno sì che i livelli di NOx allo scarico di un motore Diesel siano o possano essere decisamente elevati. Gli NOx si formano nelle zone termicamente più caricate, quindi in quelle lievemente magre nelle quali si hanno i primi nuclei di accensione e nelle zone immediatamente confinanti verso il nucleo del getto (per via della compressione esercitata dai gas in combustione).
Principali inquinanti Soot Il particolato, o soot, è costituito da particelle solide di dimesioni estremamente variabili (fino a 6-10 micron), e non va confuso con il cosiddetto fumo nero (particelle di dimensioni maggiori). Si tratta di nuclei carboniosi sui quali si vanno a depositare residui organici, composti metallici, particelle di varia natura (chetoni, aldeidi, esteri), che via via aumentano le dimensioni del nucleo di origine. Si forma soprattutto nei nuclei centrali dei getti (zone fortemente ricche) alle altissime temperature (cracking degli idrocarburi a formare acetilene e poliacetilene)
Principali inquinanti Soot Ai primi nuclei di acetilene e poliacetilene aderiscono altri composti poveri in idrogeno e ricche in carbonio. Il successivo mescolamento con l aria circostante contribuisce ad una parziale ossidazione dei nuclei carboniosi (a formare CO e CO2), cosicché i livelli di soot sono molto inferiori ai massimi riscontrati durante il ciclo ma superiori alle condizioni termodinamiche all equilibrio all apertura delle valvole di scarico.
Sistemi di abbattimento: EGR EGR Il ricircolo dei gas esausti (nell'ambito dei motori a combustione interna alternativi) ti i) consiste nel mettere in ricircolo un "piccola" parte (5-15 %) dei gas di scarico facendoli passare dal collettore di scarico al collettore di aspirazione. Questo è permesso da una apposita elettrovalvola EGR (Exhaust gas recirculation) che viene comandata dalla centralina del motore tramite un segnale consentendo la regolazione della quantità di gas che vengono messi in ricircolo.
Sistemi di abbattimento: FAP o DPF Filtri anti particolato Sono costituiti da setacci di materiale ceramico con matrice a nido d ape o con micro-canali che trattengono le particelle carboniose aventi diametro maggiore dei passaggi. La loro efficienza aumenta all aumentare dell intasamento intasamento, ma a un certo punto, per evitare l intasamento, occorre rigenerare il filtro per ossidare il materiale trattenuto. Tramite un segnale all ECU (aumento di delta p allo scarico) si aumenta artificialmente la temperatura dei gasi di scarico (post- iniezione) per ossidare le particelle intrappolate.
Sistemi di abbattimento: FAP o DPF Filtri anti particolato La rigenerazione consiste nel bruciare periodicamente il particolato accumulato che, in presenza di ossigeno, brucia ad una temperatura di circa 550 C. La rigenerazione viene fatta con due strategie diverse. Proprio per questo i filtri antiparticolato si dividono in due tipologie: quelli che necessitano di un additivo aggiunto al gasolio e quelli che non ne necessitano. Filtri antiparticolato con additivo Il sistema d iniezione, durante la fase rigenerativa, attiva un iniezione supplementare per portare la temperatura iniziale dei gas di scarico da circa 150 C (temperatura normale nella circolazione in città) a 450 C all entrata nel catalizzatore. Questo aumento di temperatura si effettua con una postiniezione dopo il PMS (Punto Morto Superiore) che crea una postcombustione nel cilindro e determina un aumento della temperatura dei gas di scarico di 200 C e con una postcombustione complementare generata da un catalizzatore ossidante posto a monte del filtro FAP che innalza la temperatura di altri 100 C: ciò permette di raggiungere complessivamente i 450 C.
Sistemi di abbattimento: FAP o DPF Filtri anti particolato con additivo La temperatura di 450 C non è però sufficiente ad innescare la combustione del particolato (550 C) e quindi la rigenerazione del filtro. Per abbassare la soglia di rigenerazione, il carburante è additivato con Eolys che riduce la temperatura di combustione del particolato da 550 C a 450 C C. L additivo Eolys aggiunto al gasolio in piccolissima quantità, è un prodotto a base di ossido di Cerio (chiamato comunemente cerina). Filtri antiparticolato senza additivo Questo tipo di filtro antiparticolato non utilizza l additivo perché innalza maggiormente la temperatura dei gas di scarico, che arrivano fino a 600 C. Attraverso, infatti, due post-iniezioni con conseguenti due post-combustioni di cui l ultima avviene nei collettori di scarico, la temperatura raggiunta è più che sufficiente a bruciare completamente il particolato accumulato nel filtro. Sempre per agevolare il processo di combustione del particolato accumulato, sulle pareti del filtro sono inseriti dei materiali nobili che operano da catalizzatori.
Sistemi di abbattimento: FAP o DPF Filtri antiparticolato senza additivo Il sistema senza additivo ha il vantaggio di non richiedere il rifornimento della cerina che, oltre ad essere un prodotto pericoloso per la salute umana, è anche piuttosto costoso. Per contro il FAP senza additivo lavora a temperature più elevate, in particolare il filtro può raggiungere anche i 1000 C C, e quindi è termomeccanicamente più sollecitato. Inoltre, sempre il FAP senza additivo, a causa della seconda post-iniezione soffre di una certa contaminazione dell olio motore.
Sistemi di abbattimento: sistema SCR SCR La SCR (Selective Catalytic Reduction), o Riduzione Catalitica Selettiva, è una tecnologia di controllo delle emissioni impiegata in precedenza nelle centrali elettriche alimentate a carbone per l abbattimento degli ossidi di azoto (NOx). Nel 2006, questa tecnologia fu introdotta tt con successo ss nel mercato europeo dei mezzi pesanti alimentati a gasolio, nell'ambito del quale consentì agli autocarri di conformarsi ai limiti Euro IV e V. A differenza della tecnologia alternativa EGR - di cui si sono fatti promotori MAN e Scania - la SCR agisce sul problema all'esterno del motore ed ha la potenzialità di raggiungere una percentuale superiore all'80% delle riduzioni di NOx, consentendo al motore la massima efficienza. Il catalizzatore è costituito da celle monolitiche di V2O5 / WO3-TiO2 all interno delle quali avviene la riduzione degli ossidi d azoto, in modo da avere allo scarico azoto e acqua. Alle basse temperature la riduzione degli ossidi d azoto è notevolmente accelerata dalla presenza di diossido di azoto (NO2). Quest ultimo si forma dall ossidazione del monossido d azoto (NO) che avviene in un pre-catalizzatore.
Sistemi di abbattimento: sistema SCR SCR Le temperature alla quale avvengono le reazioni di riduzione all interno dell SCR variano tra i 300 e 400 C. Per ottenere l ammoniaca viene utilizzata l urea che è immagazzinata in un apposito serbatoio. Attualmente, viene utilizzata una soluzione acquosa nella quale la concentrazione di urea è del 32,5%: questo additivo viene indicato con la sigla AdBlue.
Sistemi di abbattimento: sistema SCR Il calore presente nel sistema di scarico converte l'urea in ammoniaca (NH3) e anidride carbonica (CO2). L'ammoniaca rappresenta la sostanza attiva e il principale componente del processo che si svolge all'interno del convertitore catalitico SCR. Durante il processo chimico-cataliticocatalitico successivo, gli ossidi d'azoto (NOx) vengono trasformati in gas d'azoto (N2) e vapore acqueo (H2O). Il gas d'azoto è un elemento naturale presente nell'aria che respiriamo. Eventuali residui di ammoniaca vengono eliminati nel convertitore catalitico Clean-Up integrato. Il dosaggio dell AdBlue viene gestito da un apposita centralina dedicata, in una percentuale che varia dal 5% al 9% rispetto al gasolio consumato. Il sistema necessita di temperature dei gas di scarico relativamente elevate (oltre +250 C) per entrare in funzione e quindi ridurre le emissioni condizione che di norma viene soddisfatta sulle strade aperte ma è più difficile da ottenere nelle aree urbane.
Sistemi di abbattimento: sistema SCR Un sistema SCR efficace necessita di diversi supporti catalitici per preossidazione, idrolisi, riduzione ed impedimento di fuoriuscite di ammoniaca, che grazie alla scelta di diverse strutture dei supporti sono stati perfettamente adattati alle rispettive funzioni. Per abbattere le emissioni di NOx si ricorre al processo della riduzione catalitica selettiva con l ausilio l di carbammide. Le fasi importanti di questo processo implicano l uso di catalizzatori speciali