Particolato (PM)

Viene definito “Particolato” quella sostanza presente allo scarico di un motore a combustione interna che si può raccogliere su un filtro usato per il campionamento e mantenuto ad una temperatura media di 52 °C.

Questa sostanza può essere divisa in tre frazioni principali:

I. frazione solida (SOL): costituita da particelle carboniose e ceneri;

II. frazione organica solubile (SOF): si deposita sulla frazione solida ed è costituita da composti organici derivanti dall’olio lubrificante e dal combustibile;

III. solfati (SO4): derivanti dallo zolfo presente nel combustibile.

Figura 1.14. - Struttura e composizione del particolato. [2]

I. Frazione solida (SOL)

La frazione solida del particolato è formata principalmente da particelle carboniose e dalle ceneri.

In particolare, il carboniose di queste particelle, non legato chimicamente con altri elementi, rappresenta quella sostanza finemente dispersa chiamata “soot” e responsabile del caratteristico fumo nero allo scarico dei motori diesel.

Queste particelle carboniose derivano dal processo di combustione eterogeneo tipico dei motori ad accensione per compressione dove i precursori del particolato si formano specialmente durante la fase diffusiva, ma anche in quella premiscelata.

Infatti, durante la combustione diffusiva si verifica la formazione dei composti policiclici aromatici (PAH) che sono responsabili della nascita dei precursori del soot.

Le ceneri invece, costituiscono il residuo solido incombustibile caratterizzate dalla presenza di alcuni componenti come:

• solfati, ossidi di calcio, zinco, magnesio e di altri metalli formati durante la combustione dagli additivi presenti nell’olio lubrificante;

• impurità metalliche derivanti dall’usura motore;

• composti metallici derivanti dalla corrosione delle pareti del collettore e degli altri componenti del sistema di scarico.

II. Frazione organica solubile (SOF)

Gli idrocarburi assorbiti sulla superficie delle particelle carboniose e presenti sotto forma di aerosol costituiscono la frazione organica solubile del particolato.

La formazione di queste particelle avviene nel collettore di scarico, in quanto sono necessarie temperature inferiori rispetto a quelle nella camera di combustione.

Può succedere che, in certe condizioni di funzionamento, i composti organici presenti nel collettore di scarico possano essere assorbiti dalle particelle carboniose, molto porose, oppure condensare su di esse.

La SOF è tipicamente formata da idrocarburi derivanti dallo strato d’olio lubrificante presente in camera e da quelli a più alto punto di ebollizione del combustibile.

III. Solfati (SO4)

Queste particelle derivano dalla presenza dello zolfo all’interno del combustibile.

Questo zolfo può formare durante il processo di combustione acido solforico (H2SO4), il quale, in presenza di acqua, può dare luogo ad un processo di nucleazione etero-molecolare.

È attraverso questo processo che si formano le particelle di solfati, caratterizzate dalla presenza di H2SO4 e H2O.

Oltre dall’acido solforico, le particelle dei solfati si originano anche a partire dai sali a base di zolfo, come il solfato di calcio (CaSO4).

Altri tipi di solfati possono essere formati dalla reazione con le particelle metalliche presenti nei condotti del sistema di scarico.

Allo scarico, la composizione del particolato dipende dalle condizioni di funzionamento del motore:

• ad alto carico ed alta velocità prevale la frazione solida (SOL);

• ai bassi carichi e bassa velocità prevale la frazione solubile (SOF).

Per quanto riguarda la misura del particolato in laboratorio è necessario tenere conto degli effetti della diluizione con l’aria che subisce allo scarico.

La diluizione non ha alcun effetto sulla frazione solida, ma condiziona notevolmente quella solubile in quanto influenza la temperatura oltre che la condensazione dei composti organici sulle particelle carboniose nel collettore di aspirazione.

In base quindi al rapporto di diluizione e alla temperatura, alcune specie possono condensare sulle particelle carboniose oppure evaporare.

Per quanto riguarda la formazione del particolato si possono distinguere tre fasi:

1. Nuclei mode: durante questa fase si formano le particelle a causa della condensazione dei composti organici soprattutto nei condotti di scarico e a valle del filtro anti-particolato, dove le temperature sono più basse. In particolare, durante questa fase si assiste alla formazione della gran parte delle particelle (circa il 90%⁵) caratterizzate da un piccolo diametro, inferiore a 50 nm (nanoparticelle) che costituiscono circa 0,1÷10% della massa totale di particolato;

2. Accumulation mode: in questa fase il particolato si forma dall’aggregazione di particelle carboniose e di altri composti solidi, insieme all’assorbimento degli idrocarburi più pesanti e dei solfati. Queste particelle si formano durante la fase di combustione e nella prima parte del sistema di scarico, dove le temperature sono più alte, e sono caratterizzate da un diametro compreso tra 0,03 µm e 0,5 µm. Durante l’Accumulation Mode vengono prodotte un numero limitato di particelle, ma che danno un contributo rilevante in termini di massa totale del particolato emesso;

3. Coarse mode: durante questa fase vengono prodotte le particelle con diametro maggiore, superiore a 1 µm, che costituiscono 5÷20% della massa totale di particolato, ma che danno uno scarso contributo in termini di numerosità. Tali particelle non si formano durante la combustione, ma derivano dai prodotti di usura delle pareti del cilindro e del sistema di scarico.

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Figura 1.15. - Concentrazione e diametro delle particelle in base alla modalità di formazione del particolato. [2]

Inizialmente le normative si occupavano di limitare il particolato soltanto in termini di massa:

a partire dall’introduzione dell’Euro VI sono stati introdotti dei vincoli anche in base alla numerosità delle particelle.

In questo modo è possibile avere una maggiore copertura, in termini di vincoli, di tutto lo spettro del particolato, anche per quelle particelle di più piccole dimensioni che possono essere molto pericolose per la salute dell’uomo.