Search the Community

EMISSIONI INQUINANTI NEI MOTORI DIESEL Lo scopo di questo intervento è quello di riepilogare alcuni tra i principali elementi inquinanti che i motori diesel emettono in atmosfera, per permettere la comprensione delle misure adottate dai costruttori per limitarne l’emissione e poter omologare i motori rispettando quindi le normative vigenti. Cercherò di introdurre quindi i dispositivi utilizzati per il controllo e la riduzione delle emissioni e di fare alcune considerazioni a riguardo. Ovviamente questa sarà solamente una panoramica visto che le emissioni inquinanti sono il principale oggetto di studio per quanto riguarda i motori Diesel odierni e i metodi per abbatterle sono in continuo sviluppo e spesso complessi. Spero che l’articolo si riveli utile e vi prego di segnalare eventuali inesattezze o errori. Matt __________________________________________ SOMMARIO: . Principali sostanze emesse dai motori -Monossidi di Carbonio (CO) -Idrocarburi incombusti (HC) -Ossidi di Azoto (NOx) -Particolato (PM) -Anidride Carbonica (CO2) . Problematiche di inquinamento nei motori Diesel . Dispositivi utilizzati per l’abbattimento degli inquinanti -Catalizzatore ossidante -Filtro Antiparticolato -EGR -SCR -Swirl Flap . Normative di riferimento per i mezzi agricoli . Considerazioni _______________________________________________ PRINCIPALI SOSTANZE EMESSE DAI MOTORI: . MONOSSIDI DI CARBONIO (CO) Se all’interno della camera di combustione del motore si avesse una combustione completa si otterrebbe la formazione di andride carbonica CO2 ; la presenza di CO è indice di una combustione incompleta. Durante la discesa del pistone, la temperatura e la pressione nella camera di combustione diminuiscono e la reazione si arresta prima del suo completamento, in una fase intermedia in cui si origina CO. La formazione del monossido di carbonio CO dipende molto dal rapporto di miscela Aria/Combustibile. Se il rapporto A/C è uguale a quello che chimicamente consentirebbe l’intera reazione di tutto il combustibile con l’aria, viene detto rapporto stechiometrico. Una miscela di rapporto A/C minore di quello stechiometrico viene detta “grassa”, mentre se è superiore viene detta “magra”. Vediamo in figura l’andamento (puramente qualitativo) delle emissioni di CO in base al rapporto A/C della miscela, nel quale si può vedere come utilizzando miscele magre si emettano minori quantità di CO. In corrispondenza del rapporto stechiometrico i valori di CO non sono considerati trascurabili. Nel motore a benzina il monossido CO costituisce un problema in quanto il rapporto di miscela utilizzato viene mantenuto costante e il più possibile uguale a quello stechiometrico, mentre il Diesel, che utilizza miscele magre, emette circa 1/10 del CO emesso da un motore a benzina. . IDROCARBURI INCOMBUSTI (HC) Gli idrocarburi incombusti sono essenzialmente dovuti a combustibile che non prende parte alla combustione. Ciò si verifica ad esempio a causa del riempimento del combustibile di cavità interne alla camera di combustione (come il gioco cilindro-pistone), all’assorbimento del combustibile da parte dell’olio, allo spegnimento della fiamma in vicinanza delle pareti della camera (più fredde), a combustioni non avvenute o incomplete in alcuni cicli. Anche gli HC dipendono dal rapporto di miscela A/C e nel grafico (qualitativo) di figura possiamo vedere l’andamento degli inquinanti finora visti in funzione del rapporto A/C: Si vede dal grafico che il valore minimo di HC si ha per miscele leggermente grasse, con rapporto di miscela appena inferiore a quello stechiometrico, valore per il quale si ha la massima velocità di combustione che permette prima dell’apertura della valvola di scarico la combustione delle particelle “intrappolate” che vengono rigettate in camera. L’aumento del rapporto di compressione del motore porta ad una diminuzione dell’emissione di HC in quanto aumenta la velocità di combustione, come accade anche anticipando l’accensione della miscela (permette maggior tempo e temperature maggiori per bruciare il combustibile “intrappolato” negli interstizi). Un raffreddamento più efficiente del motore (che provoca pareti della camera di combustione più fredde) aumenta la quantità di HC. Un aumento della turbolenza (moti del fluido) nella camera favorisce il rimescolamento della miscela quindi la diminuzione degli HC. . OSSIDI DI AZOTO (NOX) Gli NOx sono una miscela costituita da NO (circa il 98%) e NO2 (circa il 2%). Si originano prevalentemente nella zona retrostante il fronte di fiamma (dove è appena passato), in quanto la temperatura e la pressione sono molto elevate. Per limitarne la presenza occorre quindi diminuire la temperatura del processo di combustione. Anche gli NOx dipendono dal rapporto di miscela A/C e nel grafico (qualitativo) di figura possiamo vedere l’andamento degli inquinanti finora visti in funzione del rapporto A/C: Possiamo notare che la massima presenza di NOx si ha per miscele leggermente magre, di valore appena superiore a quello di miscela stechiometrica. L’aumento del rapporto di compressione del motore porta ad un aumento dell’emissione di NOx in quanto aumentano le temperature nella camera di combustione, come accade anche anticipando l’accensione della miscela. La turbolenza all’interno della camera fa aumentare gli NOx. Nei motori Diesel il problema dovuto agli NOx è maggiore in quanto temperature e pressioni in camera sono più alte (si deve provocare l’autoaccensione), come infatti maggiore è anche il rapporto di compressione. . PARTICOLATO (PM) La composizione e la formazione del particolato sono ancora in fase di studio, è costituito da particelle solide con diametro da 10 a 100 micron (1 micron = 1 millesimo di mm) e sono molto dannose in quanto possono penetrare negli alveoli polmonari (sono quindi cancerogene). Si formano in presenza di elevate temperature e pressioni; il massimo valore si ha durante il picco di pressione iniziale della fase di espansione, dopodichè durante la discesa del pistone nella quale le temperature e pressioni diminuiscono e la loro quantità cala, ma al momento dell’apertura della valvola di scarico sono presenti PM ancora in valore elevato. La quantità emessa è relativamente ridotta a bassi e medi carichi mentre a pieno carico (accelerazione) il rapporto A/C si riduce e l’emissione è consistente. Il particolato si forma solamente nei motori Diesel e nei benzina a iniezione diretta (è il responsabile del “fumo nero” che usciva dai motori Diesel più vecchi, specie in accelerazione o sotto sforzo). Nei motori a iniezione diretta infatti nella zona centrale del getto di combustibile si ha miscela particolarmente ricca con grande produzione di particolato. La formazione di PM è favorita perciò da zone di miscela ricche a temperature relativamente basse e da basso miscelamento tra aria e combustibile (la turbolenza in camera di combustione è quindi benefica per la riduzione di PM, perché aumenta il miscelamento). . ANIDRIDE CARBONICA (CO2) L’Anidride Carbonica è un inevitabile prodotto della combustione e dipende direttamente dal consumo di combustibile. L’unico modo per ridurla è quindi diminuire i consumi del motore. Si discute di ridurne l’emissione a livello mondiale in quanto ritenuta responsabile dell’effetto serra (riscaldamento globale).

Waterloo, Iowa (22 aprile 2009) - E' stato annunciato il John Deere Power System (JDPS), tecnologia che verrà usata per andare in contro alle rigorose normative del livello Tier 4 / Stage III B per le emissioni dei mezzi agricoli. Nuovo Power Tech Plus PVX 6.8L: Queste regolamentazioni esigono un calo di almeno il 90 % del particolato e del 50 % degli ossidi di azoto NOx rispetto il precedente Tier 3 / Stage III A. JDPS continua le classiche cilindrate dei motori PowerTech di 2,4 L, 4,5 L, 6,8 L, 9,0 L e 13,5 L. I livelli di potenza saranno del tutto simili a quelli offerti in precedenza. Per tutti i motori superiori ai 56 kW (75 hp), John Deere comincierà con la già collaudata piattaforma Tier 3 / Stage III A PowerTech Plus, che include EGR (ricircolo dei gas di scarico) per il controllo dei NOx, ed aggiunge un filtro DPF per il controllo del particolato. Saranno inclusi in questo range di potenza i motori 4,5 L, 6,8 L, 9,0 L e i 13,5 L, sia 4 che 6 cilindri con testata a 4 valvole per cilindro, sistema di iniezione ad alta pressione, turbo e aftercooler aria-aria. Come i precedenti stage di emissione, John Deere continua ad offrire un'appropriato livello tecnologico per andare in contro alla vasta varietà d'utilizzo. John Deere è stata la prima azienda ad introdurre su larga scala nel mercato sia l'ERG sia il turbo a giometria variabile (VGT) su applicazioni non stradali, introducendo queste tecnologie nel 2005 con l'inizio della normativa Tier 3 / Stage III A. Durante questo periodo John Deere ha accumulato molte ore di prove che hanno provato l'affidabilità di queste tecnologie. Gli altri costruttori di motori stanno soltanto in tempi molto recenti, considerando l'introduzione di questi componenti. " I nostri positivi test di affidabilità con l'EGR sono stati i maggiori artefici della nostra decisione di continuare ad usare gli stessi nel Tier 4/Stage III B", afferma John Piasecki, direttore marketing mondiale, ed assistenza per il JDPS. "I motori John Deere hanno una forte reputazione di performance, affidabilità e durata. Stiamo progettando i nuovi motori per superare queste aspettative" "Dopo numerosi test di affidabilità, abbiamo trovato che l'uso del filtro di scarico e dell' EGR assieme alla già collaudato piattaforma Tier 3/Stage III A PowerTech Plus, è la migliore soluzione per soddisfare gli standard Tier 4/Stage III B e per mantenere performance, affidabilità, durata e bassi costi operativi che i nostri clienti si aspettano" Continua Piasecki. John Deere ha sviluppato un doppio filtro posto dopo il collettore di scarico costituito da un catalizzatore diesel-ossidante (DOC) e un filtro antiparticolato (DPF). Il DOC riduce il monossido di carbonio, idrocarburi ed alcuni componenti del particolato. Il successivo DPF trattiene il particolato rimanente. Le particelle intrappolate possono venire eventualmente ossidate mediante processi di rigenerazione del filtro. In condizioni normali la rigenerazione non ha effetto sull'attività della macchina e non è avvertibile dall'operatore. Il regolamento Tier 4/Stage III B entrerà in vigore per i motori si potenza superiore ai 130 kW (174 hp) a partire dal 1 gennaio 2011. Per questo la testata, il sistema di iniezione, l'EGR, il VGT, l'aftercooler aria-aria verrà aggiornato, ma rimarrà simile alla configurazione Tier 3/Stage III A. L'unità di controllo del motore (ECU) è stata sviluppata dalla Phoenix International, unità del gruppo John Deere. Verrà raddoppiata la RAM, la velocità di calcolo e quadruplicata la capacità di memoria, per gestire al meglio il motore. John Deere è uno dei pochi costruttori che sviluppa in proprio i sistemi di controllo per una migliore gestione delle emissioni. Per i motori da 56 kW (75 hp) fino a 130 kW (174 hp) lo stage Interim Tier 4/Stage III B sarà in vigore dal 1 gennaio 2012. Per questi motori, disponibili da 4,5 l e 6,8 L, saranno utilizzati l'EGR raffreddato e il filtro DOC e DPF, controllo completamente elettronico del motore, 4 valvole per cilindro, afrercooler aria-aria, common-rail, valvola wastegate e turbo a giometria variabile. Le tre lettere (ad esempio PVX) definiscono la tecnologia del motore, del turbo e del filtro applicato. Tutti i motori John Deere Tier 4/Stage III B con potenze di 130 kW (174 hp) e superiori sono contraddistinte dalla lettera " P " che indica la tecnologia Tier 3/Stage III A PowerTech Plus, con 4 valvole per cilindro, EGR, controllo elettronico del motore, sistema d'iniezione dal alta pressione e aftercooler aria-aria. Questi motori utilizzano inoltre turbo a geometria variabile, lettera " V " o turbo normale, lettera " S ". Se sono inoltre forniti di filtro DOC-DPF sono designati dalla lettera " X " I modelli con potenza di 130 kW (174 hp) e superiore includono: ♣ PowerTech PVX 6.8L: 130 kW – 187 kW (174 hp – 250 hp) ♣ PowerTech PSX 6.8L: 168 kW – 187 kW (225 hp – 250 hp) ♣ PowerTech PVX 9.0L: 187 kW – 224 kW (250 hp – 300 hp) ♣ PowerTech PSX 9.0L: 224 kW – 317 kW (300 hp – 425 hp) ♣ PowerTech PSX 13.5L: 261 kW – 448 kW (350 hp – 600 hp) La differenza principale tra il PowerTech PVX ed il PSX è il VGT. Il 13,5 L è disponibile solo con turbo normale. Il PowerTech PVX ha potenza, coppia massima e consumi del tutto simili a quelli del rispettivo Tier 3/Stage III A che va a sostituire. John Deere ha ottimizzato i nuovi motori senza compromettere le dimensioni. L'applicazione di componenti aggiuntivi non richiede spazi molto superiori ai motori precedenti. Nello scegliere la soluzione per i motori Tier 4/Stage III B John Deere ha scelto di non usare l'SCR. Un sistema SCR inietta urea liquida nel flusso dei gas di scarico per ridurre i NOx. Nonostante sia efficace, richiede però che la macchina sia equipaggiata con un serbatoio separato, un sofisticato sistema d'iniezione e di un sistema non violabile di diagnostica e regolazione. Quando l'urea ghiaccia è necessario anche un sistema di riscaldamento. Inoltre, attualmente, l'urea non è convenientemente reperibile in molte parti del mondo, specialmente per le applicazioni agricole, il ciò implica problemi di stoccaggio e disponibilità. In aggiunta il sistema EGR John Deere non richiede operazioni da parte dell'operatore. Allo stesso non viene fatto carico della scomodità e del costo di una secondo rifornimento, non chè di un'adeguata preparazione in merito. L'SCR può essere un'appropriata tecnologia per il futuro, quando le stesse saranno maggiormente sviluppate per le applicazioni agricole. Tuttavia per lo stage Interim Tier 4/Stage III B, l'EGR e il filtro di scarico fornisce ad ora una soluzione testata e funzionale per gli utilizzatori finali. Fonte: John Deere Home Page Redirect Ringrazio mapomac per la traduzione.