Come funziona il sistema SCR per abbattere gli NOx?

I limiti di NOx Euro 5-6 si sono rivelati irraggiungibili nella guida reale e ora le Case corrono ai ripari con il sistema SCR. Vediamo come funziona

Come funziona il sistema SCR per abbattere gli NOx?
Lo scandalo VW sulle emissioni truccate e i successivi casi di sforamento che coinvolgono anche altri costruttori,  hanno reso noto all'opinione pubblica il grosso equivoco che si celava dietro i test di omologazione europei eccessivamente "benevoli" sui consumi di carburante e sulle  emissioni degli elementi inquinanti. Inoltre, il grande pubblico ha fatto la conoscenza con gli NOx , gli ossidi di azoto, un prodotto inquinante facente parte del pacchetto di emissioni sottoposto a limitazioni dalle normative europee ed americane, ma  fin'ora poco considerato dai Paesi UE molto orientati, anche per opportunismo politico- ambientale, sulla riduzione della CO2 (anidride carbonica o biossido di carbonio, gas serra non inquinante) e sulle polveri sottili PM. Per abbattere gli NOx sui motori diesel sono necessari dispositivi  specifici come le valvole di ricircolo EGR e soprattutto il sistema SCR di post-trattamento dei gas di scarico che molti costruttori stanno adottando. Vediamo come funziona e a quali rischi si va incontro con i famigerati NOx se fuori controllo.

LA BATOSTA E

' ARRIVATA DAGLI USA E' stata necessaria la denuncia degli enti di controllo americani, pragmatici e poco avvezzi ai compromessi, per scoperchiare il pentolone delle irregolarità.  In buona sostanza, in Europa, nessun ente competente, pur avendone tutti i requisiti di legge, controllava la veridicità dei valori di emissioni (e di consumo) dichiarati dalle Case. Come è noto, le irregolarità riscontrate negli USA su certi motori diesel del gruppo VW, vertono soprattutto sullo sforamento dei limiti di emissioni di NOx stabiliti dalla legge. Tali limiti sono sempre più stringenti e nella normativa europea si è passati dai 250 mg/km delle diesel Euro 4 ai 180 mg/km delle Euro 5 per passare infine agli 80 mg/km delle Euro 6 (l'ultima direttiva obbligatoria dal settembre 2015). Quest'ultimo valore si è rivelato pressoché inarrivabile nell'uso stradale ma in certi casi anche difficilmente ottenibile nel test di omologazione al banco, nonostante la presenza dell'EGR e del sistema SCR (vedi come funziona la centralina VW coinvolta nel dieselgate). Prima di addentrarci nella descrizione dell'SCR è utile illustrare, a grandi linee, i fenomeni che provocano gli NOx e gli altri metodi di riduzione di tali inquinanti.

ARIA ATMOSFERICA

Per spiegare la presenza degli ossidi di azoto nei prodotti della combustione, occorre partire dall'aria che respiriamo.  L'aria atmosferica è l'elemento necessario per l'alimentazione dei motori endotermici. Essa contiene ossigeno (O2), gas comburente indispensabile per qualsiasi tipo di combustione. Tuttavia prevale di gran lunga la quantità di azoto (N2), gas inerte presente nell'aria nella percentuale del 78% contro il 21% dell'ossigeno. Nell'aria vi sono inoltre piccole quantità di altri gas (tra cui Argon, Elio, CO2,ecc.) che insieme costituiscono circa l'1% del totale e si comportano come gas inerti al pari dell'azoto, inattivi dal punto di vista motoristico.

ALTA TEMPERATURA

I motori diesel funzionano con eccesso di aria e sono caratterizzati da rapporti di compressione molto elevati (attualmente da 14:1 a 17:1 circa). Questi valori sono possibili in quanto nel ciclo diesel si comprime solo aria che deve raggiungere temperature elevate per innescare la combustione spontanea del gasolio. Il rapporto aria- carburante può arrivare a 25:1, quindi si può affermare che il motore diesel funziona regolarmente con miscele povere. Tuttavia, la massima potenza si ottiene in corrispondenza del rapporto stechiometrico ideale ( miscela più ricca), ma in tali condizioni si avrebbe eccessiva fumosità allo scarico (aumento di HC e di particolato). Tale problema obbliga a limitare la potenza del motore adottando un rapporto di miscela povero.

GLI NOx

L'alta temperatura nella camera di combustione favorisce l'associazione dell'azoto (N) con l'ossigeno (O) formando monossido di azoto NO  e quindi l'emissione di ossidi di azoto NOx. Durante l'espansione la temperatura dei prodotti della combustione diminuisce e gli NOx, la cui formazione raggiunge l'equilibrio chimico in prossimità del picco di temperatura, dovrebbero decomporsi in ossigeno e azoto. Tuttavia tale reazione è così lenta da non avere in pratica il tempo di verificarsi durante il ciclo e il monossido di azoto si combina con l'ossigeno dell'ambiente formando biossido di azoto NO2, molto più tossico del monossido di azoto NO. Per limitare le emissioni di NOx è fondamentale che la combustione avvenga nel modo più uniforme possibile, evitando picchi di temperatura. Invece, i motori diesel moderni, tutti a iniezione diretta ad alta pressione e turbocompressi, sono caratterizzati da elevate potenze specifiche e da processi di combustione molto efficienti dal punto di vista termodinamico ma non favorevoli ai fini della riduzione degli NOx. A titolo di confronto, vale la pena ricordare che i motori a reazione  aeronautici, emettono in grandi quantità il Thermal NOx, poiché si è in presenza di elevate temperature e di una grossa quantità di ossigeno. Il triossido ed il pentossido di azoto possono reagire con l'umidità atmosferica e produrre acido nitrico (corrosivo e tossico), presente nelle cosiddette piogge acide che cadono sulla superficie terrestre. Con il termine piogge acide si intende generalmente il processo di ricaduta dall'atmosfera di particelle, gas e precipitazioni acide, causate essenzialmente dagli ossidi di zolfo (SOx) e, in parte minore, dall'acido nitrico sia per cause naturali che per effetto di qualsiasi attività umane ed animale.
Gli ossidi di azoto NOx in alta concentrazione hanno un effetto tossico poichè combinandosi con l'emoglobina del sangue, può provocare  paralisi. Inoltre ha effetti irritanti per occhi e polmoni e, combinandosi con gli idrocarburi non saturi, favorisce la formazione di smog fotochimico in atmosfera sotto l'effetto dei raggi solari.
N2 + O2 > 2NO
2NO +O2> 2NO2
La concentrazione di monossido di azoto in atmosfera varia da 0,2 a 10 µg/m3, mentre nell'aria inquinata la concentrazione di NO è in genere di  62-930 µg/m3. La concentrazione ambientale del biossido di azoto oscilla tra 1 e 9 µg/m3; nei Paesi Occidentali la media annuale è compresa fra 20 e 90 µg/m3, mentre nelle città in genere non supera i 40 µg/m3. Entro tali valori, gli effetti dannosi per la salute e l'ambiente sono comunque trascurabili.

LE VALVOLE EGR

Da qui l'esigenza di abbassare la temperatura in camera di combustione con il parziale ricircolo dei gas di scarico che, in quanto gas ormai inerti relativamente più freddi, sottraggono calore nella camera di combustione e  riducono gli NOx. La valvola EGR (Exhaust Gas Recirculation) è preposta a tale scopo e provvede a deviare una parte dei gas di scarico immettendoli nuovamente in camera di combustione tramite il collettore di aspirazione. Una percentuale del 30% di gas ricircolato può ridurre fino al 60% le emissioni di NOx, provocando però un aumento consistente degli HC (idrocarburi incombusti) e del particolato PM, eliminabili ambedue con opportuni catalizzatori e filtri antiparticolato montati a valle del collettore di scarico. Solitamente si dosa il ricircolo sul 10-15% in modo tale da evitare un aumento eccessivo degli HC.  Le valvole EGR a gestione elettronica migliorano notevolmente il controllo ma resta l'inconveniente che le valvole e le relative tubazioni si intasano progressivamente con i depositi di combustione, limitando fortemente il passaggio dei gas o bloccando la valvola con conseguenti malfunzionamenti del motore. Come tutti i dispositivi introdotti per limitare le emissioni di scarico, anche la valvola EGR rappresenta una forzatura tecnica negativa sul piano delle prestazioni motoristiche e dell'affidabilità a lungo termine. Basti ricordare alla perdita di potenza subita da tutti i propulsori con l'adozione obbligatoria dei catalizzatori ( perdita compensata aumentando le cilindrate) e, in tempi più recenti, ai problemi causati dai filtri antiparticolato.

IL SISTEMA SCR

Per rientrare nei limiti delle emissioni di NOx previste dalle normative Euro 5 ed Euro 6 (rispettivamente di 180 mg/km e 80 mg/km),  in molti casi le valvole EGR non sono  più sufficienti ed è necessario ricorrere al post-trattamento dei gas di scarico tramite il sistema SCR (Selective Catalyst Reduction), o in alternativa per mezzo di catalizzatori ad accumulo di NOx (NSC). Questi ultimi sono definiti anche trappole NOx , DeNOx o LNT (Lean NOx Trap). In linea teorica questi dispositivi dovrebbero rendere superflue le valvole EGR ma in gran parte dei motori ciò non avviene, anzi in alcuni propulsori Euro 6 è presente una seconda valvola EGR a bassa pressione che preleva i gas di scarico a valle del filtro antiparticolato. Il sistema SCR necessita di un elemento che svolga la funzione di riducente chimico, quindi si utilizza  un additivo liquido denominato "Ad Blue" o DEF (Diesel Exhaust Fluid) costituito da 32,5% urea [CO(NH2)2] e 67,5% di acqua deionizzata). Il liquido viene iniettato nello scarico a monte del catalizzatore SCR e si mischia con i gas di scarico per formare ammoniaca. La reazione chimica dell'ammoniaca (NH3) con gli ossidi di azoto (NOx) produce due sostanze innocue, vapore acqueo (H2O) e azoto (N). L'additivo è contenuto in un apposito serbatoio provvisto di pompa. La reazione chimica all'interno del catalizzatore avviene a temperatura elevata (265-425 °C) con un rendimento di circa l'80%. L'elemento catalizzatore è formato da un supporto ceramico poroso ricoperto in Vanadio.  I componenti del sistema SCR sono molto sensibili ad eventuali impurità chimiche nel fluido, quindi il circuito è provvisto di filtro. L'AdBlue è incolore, non tossico, sicuro da maneggiare, congela a -11°C, è corrosivo per alcuni metalli, macchia i materiali e ha un odore sgradevole. Lo stoccaggio deve avvenire in un luogo fresco, asciutto e ben ventilato a una temperatura inferiore a 25 ºC

NO + NO2 + 2NH3 > 2 N2 + 3H2O

L'elettroiniettore dell'AdBlue (immagine sopra), simile a quelli impiegati per i sistemi d'iniezione common rail, eroga una quantità dosata di fluido nel tubo di scarico, ed è attivato da un segnale dall'ECM (Engine Control Modul). E' dotato di alette per il raffreddamento; se la temperatura supera i 160°C viene raffreddato iniettando una maggiore quantità di additivo. La temperatura dell'iniettore viene definita dall'ECM, in base alla temperatura dei gas di scarico misurata e alla resistenza della bobina dell'iniettore.  L'iniettore viene attivato se la temperatura dell'SCR è superiore a 100°C e la velocità del veicolo è superiore a circa 8-10 km/h. Il consumo medio del fluido  è circa il 3-5% del consumo di gasolio.  La normativa europea prescrive che il motore non possa avviarsi nel caso di esaurimento del fluido, quindi sul display messaggi della strumentazione appare in anticipo un segnale di basso livello di additivo. Nell'impossibilità di raggiungere un'officina è possibile rabboccare il serbatoio utilizzando i flaconi in commercio (vedi immagine in basso).
Dal 2017 dovrebbe entrare in vigore il nuovo ciclo di omologazione europeo che prevede un test al banco con modalità più realistiche rispetto all'attuale normativa. Sarà incrementata la punta di velocità max. fino a 130 Km/h, il numero di accelerazioni e la durata del test portata a 1800 sec. (attualmente è di 1200 sec). Inoltre verrà effettuato anche un test su strada con tolleranze degli NOx del 110% . Tale concessione è solo in apparenza molto ampia, in realtà non sarà facile per i costruttori rientrare in questi valori limite.

Pubblicato in L'esperto di SicurAUTO il 16 Febbraio 2016 | Autore: Bruno Pellegrini


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