Come funziona il sistema SCR per abbattere gli NOx?

Lo scandalo sulle emissioni truccate e i successivi casi di sforamento che coinvolgono vari 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 ed emissioni. Inoltre, il grande pubblico ha fatto la conoscenza con gli NOx, gli ossidi di azoto. Un prodotto inquinante tra le emissioni sottoposte 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.

IL SISTEMA SCR E LE NORME EURO 6

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 vedere come funziona il sistema SCR è utile illustrare, a grandi linee, i fenomeni che provocano gli NOx e gli altri metodi di riduzione di tali inquinanti.

IL SISTEMA SCR E I GAS NELL’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.

L’ALTA TEMPERATURA NEI MOTORI DIESEL

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 E IL SISTEMA SCR

L’alta temperatura nella camera di combustione favorisce l’associazione dell’azoto (N) con l’ossigeno (O) formando monossido di azoto NO e quindi ossidi di azoto NOx. Durante l’espansione la temperatura dei prodotti della combustione diminuisce. Gli NOx che raggiungono l’equilibrio chimico al picco di temperatura, dovrebbero decomporsi in ossigeno e azoto. Tuttavia tale reazione è così lenta da non verificarsi durante il ciclo. 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.

Gli ossidi di azoto NOx in alta concentrazione hanno un effetto tossico poiché combinandosi con l’emoglobina del sangue, possono provocare  paralisi. Inoltre hanno effetti irritanti per occhi e polmoni e, combinandosi con gli idrocarburi non saturi, favoriscono 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 PRIMA DEL SISTEMA SCR

La valvola EGR (Exhaust Gas Recirculation) serve ad abbassare la temperatura di combustione immettendo una parte dei gas di scarico nuovamente in camera di combustione. Il 30% di gas ricircolato può ridurre fino al 60% le emissioni di NOx, provocando però un aumento di HC (idrocarburi incombusti) e particolato, eliminabili con opportuni catalizzatori e filtri antiparticolato. Solitamente si dosa il ricircolo sul 10-15% per 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 con i depositi di combustione. Come tutti i dispositivi introdotti per limitare le emissioni di scarico, anche la valvola EGR rappresenta una forzatura tecnica negativa sul piano delle prestazioni e dell’affidabilità a lungo termine. Basti ricordare alla perdita di potenza con l’adozione obbligatoria dei catalizzatori e, in tempi più recenti, ai problemi causati dai filtri antiparticolato.

IL SISTEMA SCR: COME FUNZIONA

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 teoria questi dispositivi dovrebbero rendere superflue le valvole EGR ma in molti motori ciò non avviene. Anzi in alcuni propulsori Euro 6 è presente una seconda valvola EGR a bassa pressione che preleva i gas 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).

LA REAZIONE CON L’UREA NEL SISTEMA SCR

Il liquido AdBlue 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 di 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

IL SISTEMA SCR E L’ADDITIVO ADBLUE

L’elettroiniettore dell’AdBlue (sopra) è simile a quelli impiegati per i common rail ed eroga una quantità dosata di fluido nello scarico. E’ attivato da un segnale dell’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 in base alla temperatura dei gas di scarico e alla resistenza della bobina dell’iniettore.  L’iniettore viene attivato se la temperatura dell’SCR è superiore a 100°C e la velocità dell’auto è superiore a 8-10 km/h. Il consumo medio di AdBlue  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 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 diffusi in commercio.