TECNOLOGIE DI CONTROLLO DELLE EMISSION

Come è stato visto in precedenza le fonti mobili emettono NO_x, idrocarburi (HC) e CO; ed i motori diesel producono inoltre particolato e zolfo e dato che la sostituzione dei motori a combustione interna con sistemi alternativi appare ancora lontana nel tempo, lo sviluppo di sistemi in grado di limitare al massimo le emissioni di questi mezzi di trasporto riveste un’importanza fondamentale.

Precedentemente sono stati riportati i limiti delle emissioni permessi per i veicoli di trasporto leggero (Tab. 2.15). Le quantità di NO_x, CO e HC prodotte dipendono dalla composizione del combustibile, dal tipo di motore, dallo stato del veicolo e da condizioni operative come il rapporto aria/fuel (A/F). I motori diesel, lavorando in eccesso di ossigeno, presentano emissioni minori di CO e HC, ma superiori di NOx, particolato e SOx.

Non esiste comunque un valore di A/F per il quale le emissioni di NO_x, CO e HC siano contemporaneamente ai valori minimi (Fig. 2.29), mentre la massima potenza ottenibile corrisponde alle condizioni di elevata formazione di NOx (Fig. 2.29).

La scelta di utilizzare una alimentazione ricca (A/F < 1) provoca ovviamente un consumo maggiore di combustibile. In alimentazione magra (A/F > 1) le temperature di combustione sono più basse e la produzione di NOx diminuisce, tuttavia, con un rapporto molto alto di A/F si torna ad avere alte emissioni di HC. La tecnologia destinata all’abbattimento degli inquinanti ha sempre dovuto equilibrare potenza – consumo – abbattimento.

Motore ad iniezione combustione magra Componenti e Condizionia Diesel Motore ad iniezione (4 tempi) (4 tempi) Motore ad iniezione (2 tempi) NOx 350/1000 ppm 100/4000 ppm 1200 ppm 100–200 ppm HC (C) 50/330 ppm 500/5000 ppm 1300 ppm 2-3% CO 300/1200 ppm 0.1–6% 1300 ppm 1–3% O2 10–15% 0.2–2% 4–12% 0.2–2% H2O 1.4–7% 10–12% 12% 10–12% CO2 7% 10–13.5% 11% 10–13% 10–100 ppmb SOx 15–60 ppm 20 ppm 20 ppm PM 65 mg/m3 Temperatura (ciclo test) r.t.–650°C (r.t.–420°C) r.t.–1100°C r.t.–850°C r.t.–1000°C GHSV [Migliaia h−1] 30/100 30/100 30/100 30/100 λ (A/F)c 1.8 (26.0) 1 (14.7) 1.16 (17.0) 1 (14.7)d

Tab. 2.16 Esempio dei gas di scarico provenienti da motori a 2 e 4 tempi

(tradizionali e a combustione magra) e per i motori diesel a) N2 a bilanciamento,

b) Per il confronto: combustibile diesel con 500 ppm di S produce un gas con 20

pppm di SO2, c) λ è definita come rapporto A/F (A/F = 1 rapporto stechiometrico

ovvero Air/Fuel = 14.7 rapporto in peso), d) non è semplice definire il rapporto A/F [35-39].

La tabella 2.16 riassume la tipologia di emissioni dei motori a combustione interna in relazione alla loro tipologia: motore diesel (a gasolio); motore convenzionale a benzina (Motore ad iniezione (4 tempi)); motore a benzina a combustione magra; motore a due tempi (utilizzato tipicamente sugli scooter).

Se la “somiglianza chimica” dei carburanti rende simili le molecole emesse dagli scarichi, le condizioni operative dei motori alterano decisamente la composizione percentuale delle emissioni. Analizzando i valori riportati possiamo vedere che il motore diesel sembrerebbe essere il motore con le migliori emissioni e prestazioni. Ovviamente il confronto deve essere fatto con il motore a combustione magra in modo che le condizioni siano le più simili.

In eccesso di aria si ottiene, ovviamente, un minore consumo di carburante rispetto a quanto si riscontra in un paragonabile veicolo con motore a benzina. Di fatto, un motore diesel ed ancor più per quello ad iniezione diretta (il cosiddetto common rail), permette un aumento della resa energetica del carburante fino a 40% più elevata rispetto ad un motore convenzionale a benzina, mentre un motore a benzina a combustione magra ad iniezione diretta permette un aumento della resa del 20% circa. Ad un minore consumo di combustibile, a parità di prestazioni, corrispondono minori emissioni di CO2 con un evidente beneficio in termini di effetto serra e riscaldamento globale.

Il motore diesel comunque ha avuto una commercializzazione elevata solo al termine degli anni 90 ed è per questo che i sistemi di abbattimento sono stati studiati solo recentemente. Il motore diesel presenta comunque degli svantaggi, come le elevate emissioni di particolato, che hanno un impatto significativo sulla igiene degli ambienti urbani.

I primi sistemi catalitici per il controllo delle emissioni da sorgenti mobili hanno riguardato solo i motori a benzina e sono stati introdotti negli USA nel 1975 (va ricordato che negli USA tutt’ora il motore diesel viene considerato un motore per veicoli agricoli e per i grandi camion). Questi sistemi di abbattimento erano semplicemente in grado di promuovere l’ossidazione catalitica di CO e idrocarburi in condizioni ossidanti (fig. 2.30a).

Dal 1977, l’introduzione di limiti più severi per le emissioni di NO_x ha portato alla diffusione di tecnologie in grado di convertire anche gli ossidi d’azoto. Non disponendo di catalizzatori in grado di ridurre gli NO in condizioni ossidanti,

inizialmente vennero utilizzati sistemi provvisti di un doppio letto catalitico (Dual bed converters).

Nel primo letto catalitico l’NO veniva ridotto ad N₂, mentre nel flusso in uscita dalla prima unità veniva iniettava dell’aria in modo da realizzare le condizioni necessarie all’ossidazione di CO e HC nel secondo letto catalitico (Fig. 2.30b). Questo sistema presentava però degli inconvenienti, in quanto richiedeva che il motore lavorasse a combustione grassa in modo da avere una composizione delle emissioni prevalentemente riducente sul primo letto catalitico e un’entrata addizionale di aria sul secondo letto per favorire i processi ossidativi. In questo modo si aveva però un aumento nel consumo di combustibile con un’efficienza di conversione di NO limitata, a causa della produzione di NH3 nel primo letto catalitico, che veniva successivamente riconvertita a NO nel secondo.

Le reazioni più importanti, sfruttate in tali sistemi erano:

riduzione (nel primo letto catalitico)

2CO + 2NO → 2CO₂ + N₂

CO₂ + N₂ + H2O

HC + NO →

ossidazione (nel secondo letto catalitico)

2CO + O_{2 →} 2CO₂

HC + O_{2 →} CO₂ + H2O

Lo sviluppo della tecnologia catalitica e dei sistemi di controllo delle condizioni operative dei motori ha consentito la sostituzione del dual bed con un sistema a letto singolo. La novità di questo sistema sta nell’introduzione di un sistema catalitico multifunzionale, detto three-way, capace di convertire simultaneamente CO, NO_x e HC.

Il nome “three-way” (Fig 2.30c) nasce proprio dal fatto che questo sistema catalitico promuove la riduzione simultanea dei tre inquinanti. Il massimo di conversione per i tre inquinanti si ha con un rapporto stechiometrico tra specie ossidanti e riducenti nei gas di scarico e ciò si ottiene mediante un sistema di controllo elettronico del rapporto Air/Fuel, che nelle sue forme più moderne utilizza un sensore per l’ossigeno e consente di tenere il rapporto A/F in un intervallo ben determinato (Fig 2.30c).