C ATALIZZATORI PER PARTICOLATO

I catalizzatori idonei per le emissioni dei motori a combustione magra possono essere utilizzati anche per i motori diesel. Come accennato precedentemente, il trattamento delle emissioni dei motori diesel comporta problemi ancora più critici rispetto a quelli delle emissioni dei motori a combustione magra [95-97]:

o temperature delle emissioni più basse (attorno a 120°C con temperature di picco che non superano i 600°C),

o presenza di particolato (necessaria presenza di filtri per la sua rimozione, anche di tipo autorigenerante).

Un possibile catalizzatore per il controllo delle emissioni dei motori diesel, dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:

• elevata attività catalitica per temperature comprese tra 200 e 400°C • elevata capacità di convertire l’NO in condizioni ossidanti

• elevata resistenza all’avvelenamento da SO2

• compatibilità con i sistemi di abbattimento del particolato

In figura 2.43 viene riportato uno schema di un sistema dotato sia di un filtro per il particolato che di un catalizzatore prima del filtro.

Fig. 2.43 Schema motore-filtro-marmitta per un veicolo dotato di common rail.

Al momento infatti le case automobilistiche e le normative si sono concentrate principalmente sulla più “semplice” eliminazione del particolato (rimandando il problema NOx), per questo sono state prodotte una serie di filtri anti-particolato (FAP), il cui compito è quello di trattenere le polveri presenti nei gas di scarico.

Ovviamente il filtro deve essere rigenerato bruciando periodicamente (ogni 600-1000 km) le polveri intrappolate in modo del tutto automatico e in pochi

minuti (Fig. 2.44). La difficoltà del processo non risiede nel trattenere il particolato all’interno del filtro, bensì nel rigenerare la trappola: in questo, possono venire in aiuto i moderni sistemi ad iniezione diretta (come il Common Rail) e la loro flessibilità nell’effettuare iniezioni di combustibile al momento opportuno e della quantità desiderata.

T > 550°C

T < 300°C

T > 550°C

T < 300°C

Fig. 2.44 Schema del funzionamento di un filtro anti-particolato.

Infatti, il particolato brucia naturalmente ad una temperatura di 550-600°C, ma nella guida in città i gas di scarico arrivano al filtro solo a 150-200°C: a questo punto esistono differenti vie per ottenere un innalzamento della temperatura all’interno del filtro (come già visto nel paragrafo 2.6.1):

micro post-iniezione di gasolio, nella fase di espansione, che comincia a bruciare nel cilindro, procedendo poi fino in un pre-catalizzatore di ossidazione totale che ossidando a CO2 e H2O produce una grande quantità di calore che arriva al filtro innalzandone la temperatura (T≈550-600°C) (Fig. 2.45),

introduzione di uno speciale additivo (di solito un composto organico di Ce o di Fe, contenuto in un piccolo serbatoio a parte) che nella camera di combustione accumula O2 e, una volta nel filtro (Fig. 2.46), abbassa la temperatura di inizio combustione delle polveri a 450 °C, rendendola più veloce e proteggendo il filtro stesso da eccessivi stress termici, che a lungo andare potrebbero portarlo alla rottura. Ovviamente, bisogna provvedere periodicamente al rifornimento dell’additivo ogni 80-120 mila km,

Fig. 2.45 Posizionamento del sistema pre-catalizzatore/filtro rispetto ai collettori

Arricchimento della superficie del filtro con un metallo nobile (di solito Pt) che permette di abbassare ulteriormente la temperatura di combustione del particolato a circa 300-350°C,

Fig. 2.46 Rappresentazione del filtro, contenente sia il particolato che

l’additivo (in questo caso CeOx).

Ovviamente il costruttore dovrà effettuare un bilancio tra i costi degli additivi o del Pt e quelli che invece possono essere i costi per il cliente e per l’ambiente.

Anche per questo dispositivo, un ridotto contenuto di zolfo nel gasolio consente di migliorarne le prestazioni, abbassando ulteriormente la temperatura alla quale si può iniziare a bruciare le polveri accumulate e prolungandone il ciclo di vita.

Un altro sistema che riesce ad eliminare particolato e NO chiamato CRT (Continuosly Regenerating Trap, cioè Trappola Continuamente Rigenerata), viene attualmente utilizzato in veicoli diesel pesanti (camion, autobus, ecc.). Questo sistema per il trattamento dei gas di scarico è stato brevettato dalla Johnson Matthey già nel 1989, ma ha visto la sua applicazione solo recentemente.

Nel sistema CRT (Fig. 2.47) i gas di scarico fluiscono sopra un catalizzatore ossidante che abbatte quasi completamente il CO e gli HC, lo stesso catalizzatore poi ossida l’NO a NO2. L’NO2 così prodotto riesce ad eliminare la fuliggine

450°C. Il vantaggio rispetto alla tecnica SCR è che la combustione avviene senza dosaggio di additivi già a temperature molto basse, con un rendimento superiore al 95 %. Le reazioni che avvengono sono:

Nel pre-catalizzatore ossidante

HC/CO + O2 → CO2 + H2O NOx + O2 → NO2 Nel filtro per il particolato

NO2 + Particolato → CO2 + N2 + H2O

Fig. 2.47 Filtro CRT e schema di funzionamento.

Un altro vantaggio di questo sistema è che può essere applicato anche ai veicoli molto vecchi, privi di qualunque recente dispositivo di abbattimento, perché al

Fig. 2.48 Sistemi di abbattimento delle emissioni da motori diesel (DPF Diesel

Particulate Filter, DOC Diesel Oxidation Converter, CSF Catalyzed Soot Filters, contrario di quelli descritti in precedenza non necessita di serbatoio per additivi, di centraline che comandino il riscaldamento, ecc. Il presupposto tecnico più importante per un impiego efficace del filtro CRT nei vecchi veicoli è che questi utilizzino carburante diesel il più possibile esente da zolfo. Inoltre con l’impiego di un olio per motori di alta qualità a basso tenore di zolfo, i filtri CRT devono essere lavati dopo circa 200.000 Km per togliere le ceneri residue non calcinate.

Il principale difetto del filtro CRT è che questo tende ad emettere una maggiore quantità di NO2 (cinque volte più tossico dell’NO) specialmente quando il filtro è perfettamente pulito. Nonostante questo al momento questa tecnica viene molto utilizzata perché è efficace non solo per la riduzione del particolato, ma anche per il contenimento delle emissioni di CO e HC compensando così lo svantaggio di un aumento della produzione di NO2.

Per sopperire a questo problema è in fase di studio un altro sistema di abbattimento (SCRT), che prevede l’unione del catalizzatore SCR per la riduzione dell’NO2 e del CRT per l’ossidazione del particolato.

Attualmente infatti sono in fase di progettazione (Fig. 2.48) numerosi sistemi che oltre ad ossidare il particolato riducono gli NOx, con un unico sistema catalitico (Diesel Particulate-NOx Reduction, DPNR, ecc. [98]).