Tecnica

pubblicato il 20 marzo 2006

Catalizzatori e Filtri Anti Particolato

Catalizzatori e Filtri Anti Particolato

Il problema dell'inquinamento è sempre più sentito, sia dai cittadini che dalle autorità politiche. Ormai, gli italiani, soprattutto durante i mesi invernali, devono prestare attenzione al calendario per essere sicuri di poter utilizzare la propria autovettura in quei giorni in cui sempre più comuni pongono limiti stringenti, parziali o totali, alla libertà di circolazione.
E le automobili (private), con le loro emissioni, vengono prese come capro espiatorio del "mal d'aria" sebbene vari studi dimostrano come siano più inquinanti altri sorgenti, come gli stabilimenti industriali, le centrali termoelettriche, i vecchi impianti di riscaldamento, i veicoli commerciali e i vetusti mezzi pubblici delle nostre città. E questo nonostante i significativi e inconfutabili passi avanti fatti dalle Case automobilistiche, spronate sia dalle legislazioni ogni giorno più restrittive, sia dal ritorno di immagine garantito dall'attenzione verso l'ambiente, nel dotare le autovetture di sistemi di abbattimento delle emissioni inquinanti sempre più efficaci. Che poi molte di queste autovetture vengano comunque costrette a restare parcheggiate alcuni giorni della settimana, è un altro problema. Politico. Noi di OmniAuto.it, vogliamo spiegarvi, invece, dal punto di vista tecnico, in che modo e con quali accorgimenti si sia riusciti ad abbattere significativamente le emissioni inquinanti delle automobili.

La stragrande maggioranza dei veicoli terrestri è alimentata da combustibili liquidi o gassosi derivati dal petrolio (benzina, gasolio e GPL) e, in proporzioni sempre più crescenti, dal metano. Ciò che accomuna tutte queste fonti di energia, eccezion fatta per il metano, è la loro antipatica tendenza a produrre, a seguito delle reazioni chimiche che avvengono nella fase di combustione nel cilindro, alcune sostanze inquinanti dannose per la salute degli esseri viventi. In teoria, a seguito di una combustione idealmente perfetta di un combustibile fossile puro, si producono solo vapore acqueo (di formula chimica H2O) ed anidride carbonica (CO2), quest'ultima, benché responsabile dell'effetto serra, assolutamente non tossica (come noto, viene anche prodotta di notte dai vegetali). In realtà, la combustione che si verifica nei motori è ben lungi dall'essere perfetta e completa, e i combustibili, dal canto loro, contengono molte impurità (ad esempio lo zolfo) ed additivi, anche se in quantità minore rispetto al passato. Pertanto, vengono emessi nell'atmosfera degli inquinanti che possono essere raggruppati, dal punto di vista della loro regolamentazione, in quattro famiglie: il monossido di carbonio (CO), gli idrocarburi incombusti (HC), gli ossidi di azoto (NOx) e, tipico dei motori Diesel, il particolato. Sinteticamente, il CO nasce da una combustione incompleta, gli HC ed il particolato invece sono frutto di una mancata combustione, infine gli NOx si formano a causa delle alte temperature raggiunte nel cilindro.
La produzione di questi inquinanti si può ridurre agendo sui combustibili e adottando opportuni accorgimenti tecnici nelle fasi di alimentazione e combustione nel motore, ma con l'inasprimento delle norme anti-inquinamento la più efficace e rapida strada percorribile è stata quella di adottare le marmitte catalitiche e, più di recente, i filtri anti-particolato per i motori Diesel.
Cominciamo, quindi, ad entrare nel vivo della discussione e cerchiamo di comprendere il funzionamento di questi dispositivi.

Puntualizziamo subito un concetto: la marmitta catalitica (o catalizzatore) non è un filtro (tipo quello delle sigarette...) che trattiene gli inquinanti, bensì è uno strumento in cui, a seguito di reazioni chimiche, le sostanze nocive vengono trasformate in sostanze meno pericolose. Essa si presenta esternamente come una scatola di acciaio posizionata tra il motore ed il silenziatore, mentre la sua struttura interna può essere realizzata in due modi: o con un blocco di ceramica solcato da innumerevoli canaletti dalla caratteristica forma a "nido d'ape" oppure con tanti sottilissimi fogli metallici corrugati e arrotolati l'uno sull'altro per formare dei microcanali. La superficie di queste canalizzazioni è poi impregnata di tre metalli molto rari e costosi: il platino, il palladio ed il rodio.
Ora, facciamo un piccolo ripasso di chimica: si definisce catalizzatore una sostanza che permette di accelerare una reazione chimica senza prenderne parte, cioè senza trasformarsi, e a temperature più basse di quelle che servirebbero normalmente. Da qui a capire da dove derivi il nome "marmitta catalizzatrice" il passo è breve: infatti, i tre elementi menzionati sono proprio dei catalizzatori, il cui compito è trasformare gli inquinanti regolamentati in sostanze meno nocive. Molto schematicamente, nella marmitta catalitica hanno luogo due reazioni chimiche contemporanee: la reazione di riduzione, che è favorita dal rodio, "strappa" gli atomi di ossigeno (O) agli NOx, che così diventano innocuo azoto (N2), i quali sono poi ceduti tramite la reazione di ossidazione, alla quale partecipano platino e palladio, al CO e agli HC per trasformarli in H2O e CO2. Un ambiente povero di ossigeno favorisce la prima reazione e inibisce la seconda; l'esatto contrario accado in un ambiente ricco di ossigeno e, come vedremo, la marmitta dovrà riuscire a soddisfare queste opposte esigenze. Per questa capacità di trasformare contemporaneamente tre sostanze, la marmitta catalitica è detta ad azione trivalente.
Affinché questi processi avvengano in maniera completa e corretta, è necessario che la marmitta catalitica ed il motore che emette i gas di scarico rispondano a determinati criteri funzionali. La superficie dei canalini presenti all'interno del catalizzatore deve essere molto elevata per favorire un ampio e prolungato contatto tra inquinanti e sostanze catalizzatrici: per avere un'idea, se immaginiamo di srotolare tutti questi minuscoli canali, otterremo una superficie più estesa di quella di un campo di calcio! Molto importante è la capacità della marmitta di riscaldarsi velocemente: essa comincia a convertire il 50% delle sostanze inquinanti a partire da una temperatura di 250-300 °C, per poi raggiungere un funzionamento ottimale attorno ai 500 °C. Questo aspetto è divenuto particolarmente sentito dal momento in cui i cicli di omologazione anti-inquinamento (che sono specifiche prove standardizzate per misurare consumi ed emissioni) hanno cominciato a dare sempre più peso ai primi minuti di funzionamento del motore dopo un avviamento a freddo. Per favorire, quindi, un rapido riscaldamento, vengono adottati alcuni accorgimenti come impiegare resistenze elettriche che preriscaldano i gas di scarico o collocare il catalizzatore più vicino al motore dove i gas sono più caldi.
Ma il più importante contributo al corretto funzionamento della marmitta catalitica deve essere dato dal motore stesso. Per comprendere questo fondamentale concetto, ripassiamo cos'è il rapporto stechiometrico: esso è il rapporto in peso fra la massa d'aria e la massa di combustibile con cui il motore è alimentato, il cui valore ottimale per la combustione vale 14,7 per i motori a benzina (cioè servono 14,7 kg di aria per bruciare un kg di benzina) e 14,5 per il gasolio. Sfortunatamente, il catalizzatore può svolgere correttamente la sua funzione trivalente solo in un campo di rapporti aria/benzina molto prossimo al valore stechiometrico (con scostamenti non superiori all'1%). La motivazione di ciò è illustrata nel grafico, che rappresenta la cosiddetta efficienza di conversione di una marmitta catalitica: sull'asse orizzontale troviamo il rapporto aria/combustibile, spostandoci verso sinistra abbiamo una miscela ricca (cioè con eccesso di combustibile) mentre verso destra una miscela povera (con eccesso d'aria); sull'asse verticale è invece rappresentata l'efficacia di trasformazione delle tre sostanze inquinanti. La banda verticale evidenziata rappresenta la zona in cui il rapporto aria/benzina è prossimo al valore stechiometrico di 14,7: si osserva che in tale fascia la marmitta catalitica converte efficacemente e, notiamo bene, contemporaneamente, oltre l'80% delle sostanze inquinanti, mentre se lavorasse sulla sinistra del grafico (cioè con miscele povere di ossigeno) riuscirebbe a trasformare solo gli NOx, verso destra (cioè con eccesso di ossigeno) convertirebbe solo CO e HC.

L'esigenza di avere una miscela con rapporto stechiometrico o quasi, ha portato alla repentina scomparsa dei carburatori quando divenne obbligatoria la marmitta catalitica, poiché con essi il rapporto aria/benzina poteva oscillare tra 13 e 16, ben lontano dal valore richiesto. Si è quindi assistito alla definitiva affermazione dei sistemi ad iniezione elettronica con sonda lambda, ossia con un sensore posto prima del catalizzatore che "assaggia" i gas combusti per verificare che il motore stia funzionando con una corretta miscela stechiometrica e informa la centralina elettronica qualora ciò non si verifichi per attuare le correzioni opportune. Contemporaneamente ai carburatori, è scomparsa anche la benzina col piombo, perché questo elemento "avvelena" rapidamente e in maniera irreversibile le sostanze catalizzanti depositate all'interno della marmitta.
Molti lettori sapranno che i motori Diesel, per loro natura, aspirano una quantità d'aria superiore a quella necessaria (il rapporto aria/combustibile vale 18 e anche più) e hanno i gas di scarico ricchi di ossigeno, ragion per cui il catalizzatore lavorerà nella parte destra del grafico precedente. In effetti, su tali motori si adottano catalizzatori bivalenti, cioè che trasformano solo CO e HC; per gli NOx si usano altri accorgimenti tecnici quali l'EGR (Exhaust Gas Recirculation), che consiste nell'immettere nel cilindro, assieme alla carica fresca, una piccola quantità di gas combusti, al fine di abbassare la temperatura massima raggiunta in fase di combustione, causa principale della formazione degli NOx. Anche questa tipologia di catalizzatori, seppur più semplice, è piuttosto esigente riguardo la qualità del combustibile utilizzato: con un gasolio privo di zolfo, infatti, si riduce della metà il tempo necessario per cominciare ad eliminare CO e HC dopo una partenza a freddo.

Veniamo ora all'ultimo inquinante regolamentato, che da un po' di tempo sta, ahinoi, acquisendo popolarità e mettendo in difficoltà i motori Diesel: il particolato. Esso è il residuo della combustione non completa del gasolio ed è costituito da un nucleo centrale di carbone su cui sono depositati idrocarburi, metalli, acqua, composti dello zolfo...insomma, un bel cocktail tossico! Un tempo si manifestava sui vecchi motori Diesel con una bella fumata nera quando si schiacciava a fondo il pedale del gas; oggi, con i sistemi ad iniezione diretta Common Rail, tali particelle sono diventate pressoché invisibili dal momento che hanno dimensioni inferiori a 10 millesimi di millimetro (rientrando nella ben nota categoria del PM10).
Per eliminare il particolato delle automobili, le Case automobilistiche (le prime sono state Peugeot e Citroen nel 2000) hanno introdotto il F.A.P. (Filtro Anti Particolato). Esso, come dice il nome, è un vero e proprio filtro che assomiglia per aspetto e realizzazione ai catalizzatori (quindi disseminato internamente da minuscoli canalini), e posto subito dopo il catalizzatore bivalente, il cui compito è trattenere le polveri presenti nei gas di scarico. Ma, ci si potrebbe chiedere, così facendo non si rischia, a lungo andare, di intasare il filtro e "attappare" il motore? La risposta è no, e il motivo risiede nel fatto che il filtro viene rigenerato bruciando periodicamente (circa ogni 600-1000 km) le polveri intrappolate in modo del tutto automatico e in pochi minuti. La difficoltà del processo (a ben vedere meno complesso e delicato rispetto a quello che ha luogo in una marmitta catalitica) non risiede nel trattenere il particolato all'interno del filtro, bensì nel rigenerare la trappola: in questo, vengono in aiuto i moderni sistemi ad iniezione diretta (come il Common Rail) e la loro flessibilità nell'effettuare iniezioni di combustibile al momento opportuno e della quantità desiderata. Infatti, il particolato brucia naturalmente ad una temperatura di 550 °C, ma nella guida in città i gas di scarico arrivano al filtro solo a 150-200 °C: qui interviene la centralina che comanda una micro post-iniezione di gasolio nella fase di espansione che comincia a bruciare nel cilindro, procedendo poi fino al filtro innalzandone la temperatura; a questo punto viene introdotto uno speciale additivo (l'ossido di cerio, contenuto in un piccolo serbatoio a parte) che abbassa la temperatura di inizio combustione delle polveri a 450 °C, rendendola più veloce e proteggendo il filtro stesso da eccessivi stress termici, che a lungo andare potrebbero portarlo alla rottura. Ovviamente, si presume che con una completa combustione del particolato, si emettano allo scarico la minor quantità possibile di inquinanti!
Tutte le fasi appena descritte avvengono senza che il conducente si accorga di nulla e con un irrisorio aumento dei consumi dovuto alle post-iniezioni. Ovviamente, bisogna provvedere periodicamente al rifornimento di ossido di cerio (circa ogni 80-120 mila km) che, oltretutto, è una sostanza non tossica, nonchè alla pulizia del filtro dai depositi che vi si accumulano. Molti costruttori, comunque, cominciano ad offrire dei sistemi che fanno a meno degli additivi, esenti pertanto da manutenzione e dalla vita più lunga.
Anche per questo dispositivo, un ridotto contenuto di zolfo nel gasolio consente di migliorarne le prestazioni, abbassando ulteriormente la temperatura alla quale si può iniziare a bruciare le polveri accumulate e prolungandone il ciclo di vita.

Marmitte catalitiche e filtri anti-particolato hanno senza dubbio reso le nostre automobili più rispettose dell'ambiente, ma tutto sommato altro non sono che sofisticati e costosi sistemi ideati per porre rimedio all'intrinseca caratteristica degli attuali motori a combustione interna di inquinare. Ciò che auspichiamo, è che la Case con i loro Centri di Ricerca si ingegnino per abbattere il fenomeno alla sorgente, cioè migliorando in maniera sensibile tutto il ciclo di funzionamento dei propulsori.

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