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Tecnica

pubblicato il 12 aprile 2010

Catalizzatore low cost, il sogno dei costruttori

GM studia un metodo per tagliare i NOx senza metalli preziosi o additivi

Catalizzatore low cost, il sogno dei costruttori

Un catalizzatore capace di pulire dagli ossidi di azoto i moderni motori a iniezione diretta, in particolare i Diesel, privo di metalli preziosi e che faccia a meno di additivi a base di urea. È il sogno di tutti i motoristi impegnati nel trovare la quadratura del cerchio tra consumi, emissioni nocive e costi in vista delle normative anti inquinamento.

Il problema principale è rappresentato dai NOx (ossidi di azoto) e va affrontato prima di tutto attraverso i sistemi di alimentazione (pressioni e tempi numero di iniezioni per ciclo), poi migliorando la combustione agendo sulla forma della camera, sull'abbassamento della temperatura di combustione e sulla fluidodinamica, infine occorre vedere cosa fare dei gas di scarico in un duplice modo: recuperandoli e raffreddandoli con sistemi EGR sempre più efficienti prima di rimetterli nella camera di scoppio da un lato, pulendoli prima della loro espulsione con sistemi di post trattamento ovvero con i già citati catalizzatori.

MENO CONSUMI E CO2 UGUALE PIU' NOx
Il problema è che la ricerca dell'aumento dell'efficienza attraverso smagrimento della miscela aria/carburante, l'uso dell'iniezione diretta e l'innalzamento della temperatura di combustione portano a un innalzamento dei NOx.
La cosa riguarda in particolare il Diesel perché solitamente lavora in eccesso di ossigeno (situazione migliore per limitare il particolato e i consumi) e con rapporti di compressione elevati che, per quanto diminuiti negli ultimi tempi anche sotto il 16:1, non possono scendere sotto una certa soglia altrimenti non si innesca l'autoaccensione della miscela aria/gasolio. Il problema però riguarda sempre di più anche i motori a benzina, in particolare quelli ad iniezione diretta a carica stratificata, il cui rapporto di compressione è giunto per alcune unità a 12,5:1. Si può dire che, in un certo senso, se si diminuiscono consumi e CO2, aumentano gli ossidi di azoto e dunque la necessità di avere un sistema di post trattamento più efficace, complesso e costoso. Per ottemperare alle normative Euro 6 e le americane ULEV II Bin 5 nonché le giapponesi, i catalizzatori trivalenti sono sufficienti per i motori a benzina, ma non per i Diesel che hanno bisogno di sistemi aggiuntivi.

LA DUPLICE VIA VERSO L'EURO 6 PER I DIESEL
Ce ne sono due al momento. Uno è detto ad accumulo o LNT (Lean NOx Trap), che intrappola l'eccesso di ossidi nitrici dando allo stato di catalizzazione alcalino ricco di metalli nobili (prevalentemente Platino) di lavorarseli a dovere alternando fasi di funzionamento a miscela magra ad altri con miscela grassa. L'altro funziona con un additivo a base di urea, è denominato SCR (Selective Catalytic Reduction) ed è capace di rompere i NOx in azoto e in ossigeno e quest'ultimo, legandosi all'idrogeno dell'urea, si trasforma in acqua che con il calore esce dal terminale in forma di vapore acqueo.
Tutte e due i sistemi però costano e, per giunta, aumentano i consumi e le emissioni di CO2 penalizzando anche le prestazioni, ancora di più se ci si affida in modo intenso al ricircolo dei gas di scarico. Gli LNT vanno incontro al decadimento dello stato catalizzante, gli SCR hanno bisogno di un serbatoio a parte per l'additivo, solitamente di circa 20 litri, e di un sistema di dosaggio, munito di pompa e iniettore, controllato dall'elettronica del motore.

L'UOVO DI COLOMBO
Quale è la soluzione ideale? Un catalizzatore privo di metalli preziosi che faccia il lavoro di uno ad additivo in modo che sia più semplice e drasticamente più economico. Ci stanno lavorando varie case, tra le quali la General Motors che sembra più vicina delle altre a raggiungere questo importantissimo obiettivo attraverso un innovativo catalizzatore a base di ossidi di perovskite e lantanio "drogati" con stronzio al 10% e con tracce di Palladio.
Il principio di funzionamento è stato illustrato anche sulla prestigiosa rivista "Science" da Wei Li, il responsabile del General Motors Global R&D's Chemical Sciences and Materials Systems Lab che si trova a Warren, nello stato del Michigan. Questo catalizzatore funziona ad accumulo, il suo costo è però inferiore del 70% rispetto a quello attuale che si affida al Platino con un vantaggio anche nella durata poiché questa particolare lega scovata da GM resiste meglio al calore e al degrado conservando il suo potere riducente anche in presenza di zolfo nel gasolio. Secondo gli specialisti che lavorano a Warren dal 2007 a questo catalizzatore, la strada intrapresa è quella giusta, ma ci vorranno almeno tre anni per determinare con esattezza la composizione finale del materiale, la sua configurazione spaziale per massimizzare la superficie di contatto con i gas di scarico e infine i processi attraverso i quali realizzare tutto questo su base industriale. Non è poco, ma neppure così tanto.

Autore: Nicola Desiderio

Tag: Tecnica , inquinamento


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