FATTORI INFLUENZANTI LA FORMAZIONE DI PARTICOLATO

sono di molteplici tipi e sono tenuti da conto in fase di progettazione del motore:

• VARIAZIONE RAPPORTO ARIA/COMBUSTIBILE IN FUNZIONE DELLA VELOCITA’ E DEL CARICO

L’eccesso di aria disponibile per la combustione diminuisce all’aumentare del carico; le emissioni sono funzione del rapporto aria/combustibile e tendono a crescere quanto quest’ultimo tende a raggiungere il valore stechiometrico.

• TECNOLOGIA MOTORISTICA

La tecnologia motoristica influenza più di tutti la formazione di particolato; agendo proprio sulla tecnologia motoristica è stato possibile raggiungere gli attuali livelli di emissione EURO IV e i precedenti EURO III, senza penalizzare il consumo e le prestazioni del motore.

Come già detto in precedenza si può affermare che, in termini di emissioni, esiste un preciso trade-off tra emissioni di particolato e NOx, per cui la riduzione dell’uno implica necessariamente l’aumento dell’altro. Le attuali tecnologie motoristiche

devono trovare un compromesso per non eccedere in una direzione o l’altra. Un grande aiuto è stato fornito dall’elettronica, che garantisce istante per istante un ideale funzionamento del motore e permette di raggiungere un compromesso nelle emissioni di particolato e NOx.

a) Sistema di iniezione

Il livello di emissione di particolato è sensibile al tipo e alla regolazione del sistema di iniezione, in quanto questi sistemi influiscono sul grado di atomizzazione del combustibile e quindi della sua interazione con il comburente nella camera di combustione.

La riduzione dell’anticipo del sistema di iniezione provoca un incremento dell’emissione di particolato, dovuto alla cattiva miscelazione del gasolio con l’aria. La quantità di particolato emesso dipende fortemente dal carico e dalla velocità di rotazione del motore.

In generale, ad aumenti di pressione dell’iniettore corrisponde una minore formazione di particolato, dovuta al fatto che l’atomizzazione è più spinta e quindi la miscelazione è migliore; parallelamente, alla diminuzione di particolato segue un aumento dell’emissione di NOx.

b) Geometria della camera di combustione

L’ottimizzazione della camera di combustione favorisce il movimento rotazionale della massa di aria aspirata e, quindi, promuove la ricombustione della fuliggine formata nel cilindro, nelle zone in cui la miscela risulta più ricca.

c) EGR

L’EGR consiste nella ricircolazione dei gas di combustione all’interno del cilindro, al fine di ridurre la formazione di Nox: la riduzione avviene per mezzo di molteplici fattori:

- Diluizione: la portata di gas di scarico ricircolata in camera di combustione diminuisce la concentrazione di ossigeno e pertanto si assiste ad una riduzione della temperatura massima raggiunta (la combustione è rallentata).

- Effetto termico: i gas di scarico, con la loro elevata capacità termica, permettono un abbassamento della temperatura in camera di combustione.

- Effetto chimico: la CO2 è sottoposta a dissociazione termica con conseguente influenza positiva sulla combustione

La qualità del gasolio influenza significativamente i meccanismi di formazione del particolato, sebbene in misura minore della tecnologia motoristica; negli ultimi anni la ricerca ha cercato di definire correlazioni tra le caratteristiche del combustibile e l’emissione di particolato, anche se in realtà, la sua formazione dipende da molti altri fattori. Inoltre sono state evidenziate le maggiori caratteristiche del combustibili importanti al fine di limitare la formazione di soot.

- Correlazioni PM-caratteristiche gasolio(Programma EPEFE)

La correlazione tra caratteristiche del gasolio e PM formato permette ai produttori di carburanti di creare miscele opportune che rispettino i limiti in termini di formazione di particolato. Le formule usate sono di tipo lineare e ciascuna formula è valida in un ben preciso campo di validità e per differenti tipi di motorizzazioni.

Di seguito si riportano le correlazioni fornite dal programma EPEFE25 (European Programme on Emissions, Fuels, Engine tecnologies) per i motori LD e HD. Light Duty: -4 -4 -4 -4 -4 PM (g/km) = [-0.38799+4.4677 10 4.488 10 4.098 10 +7.88 10 95] [1 1.6 10 ] Den Poly NC T S ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ + Heavy Duty: -2 -5 -4 -5 -5 PM (g/km) = [6.959 10 +6 10 6.5 10 1 10 ] [1 8.6 10 (450 )] Den Poly NC S ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ − ⋅ Campo di validità:

Tabella 2.4 campo di validità per l’applicazione delle formule del programma EPEFE

Densità Den = 827 Æ 857 kg/m3 Poliaromatici Poly = 0.9 Æ 8 % vol Numero di Cetano NC = 49.5Æ57.1

T95 T95= 326 Æ 371°C

Zolfo S = 400 Æ 470 mg/kg

- Densità

La densità influenza la combustione in quanto da essa dipende la quantità di gasolio iniettato in camera di combustione (il sistema di pompa/inettore eroga quantità volumetriche di carburante). A parità di volume, un gasolio con

densità maggiore provoca un aumento del rapporto aria/combustibile; in queste condizioni la formazione di particolato è maggiore.

La formazione di particolato è influenzata notevolmente dalla densità del carburante per i LD, mentre è poco significativo per gli HD.

- Contenuto di zolfo

Lo zolfo presente nel gasolio è ossidato a a ; in taluni casi (1-3%), l’anidride solforica può combinarsi con vapor d’acqua per dare acido solforico che si adsorbe sulle particelle carboniose, incrementando la quantità di particolato formatosi.

2

SO SO₃

L’abbassamento del tenore di zolfo nei combustibili per motori diesel riduce sensibilmente la formazione di particolato.

- Numero di cetano

Il numero di Cetano (NC) indica la capacità da parte del gasolio di accendersi con più o meno difficoltà. Secondo gli studi del Concawe, incrementi del NC provocano riduzione delle emissioni di particolato sia in motori diesel a inezione diretta che a precamera.

- Idrocarburi policiclici aromatici(IPA)

Gli IPA sono presenti nella frazione organica del particolato e nella fase gassosa dei gas esausti; l’interesse rivolto a questi composti nasce dal fatto che sono stati ritenuti dannosi per la salute umana (probabili cancerogeni). Secondo il Concawe, gli IPA con 4 o più anelli sono adsorbiti sulla superficie delle particelle, mentre gli altri sono presenti in fase gassosa.

- Volatilità

Il termine che indica la volatilità del gasolio è la T95 o la T90, ovvero la temperatura alla quale distilla il 95% o il 90% in volume del combustibile. Un decremento della T90 implica una riduzione dell’emissione di particolato; lo stesso comportamento si assiste con la T95, ovviamente con risultati variabili da caso a caso.

• LUBRIFICANTE

La qualità del lubrificante gioca un ruolo importante nelle emissioni di particolato; l’entità del suo ruolo in termini di emissioni dipende da numerosi fattori come il tipo di motore, lo stato di invecchiamento dell’olio, il suo

• ADDITIVI PER LA RIDUZIONE DI PARTICOLATO

Gli additivi per la riduzione del particolato sono di vario tipo e con diversa funzione:

a) Cetane improver

Questi additivi hanno lo scopo di aumentare il numero di Cetano del gasolio, agendo sull’ignition delay e modificando quindi la quantità di gasolio che brucia in fase premiscelata e diffusiva.

b) Combustion improver

Gli additivi combustion improver, a base di metalli come Bario, Calcio, Manganese, Ferro, hanno una funzione catalitica nella fase di combustione del gasolio che risulta più completa e provoca minori emissioni di incombusti.

c) Additivi detergenti

Contribuiscono a tenere puliti ed efficienti gli organi che compongono il motore. In questo modo si limitano problemi come l’intasamento degli iniettori e la formazione di depositi in camera di combustione

d) Additivi per la rigenerazione delle trappole

Come gli additivi detergenti, questi composti non agiscono direttamente sulla formazione del particolato, ma contribuiscono ad abbassare le temperature di rigenerazione nelle trappole del particolato.

• SISTEMI DI POST-TRATTAMENTO

Ai sistemi di post-trattamento dei gas di scarico e ai sistemi di rimozione e riduzione di particolato sarà dedicato il successivo capitolo (3)