Vehicle CuEriosity 01×10 – Il Light-off del Catalizzatore e le sue implicazioni

Uno degli argomenti più vivi e complessi negli studi di ricerca di questi ultimi tempi è il Warm-up: Esso consiste nella fase del riscaldamento dell’intera Powerunit. Perché è così critica la fase del riscaldamento? Cosa comporta sull’intero funzionamento?
Ad oggi, circa il 70% delle emissioni di un’unità endotermica è imputabile alla fase di warm-up rispetto al suo intero funzionamento a carichi medio/alti e parzializzati.

Il tutto è strettamente collegato all’efficienza del catalizzatore, elemento che equipaggia la stragrande maggioranza di tutti i veicoli stradali. Esso è necessario per l’abbattimento degli inquinanti di scarto dalla reazione quasi-completa di combustione.

Cos’è il catalizzatore e perché influisce nel Warm-up?

Come ben sappiamo, nella reazione di combustione, quello che avviene è un rilascio inferiore di calore rispetto allo sprigionabile dal combustibile per effetto di incompletezze. Le incompletezze definiscono fasi e stadi intermedi del processo di reazione, creando CO (monossido di carbonio), H (in eccesso), HC (idrocarburi vari) e ossidi di azoto NOx (specialmente Diesel).

Tutto ciò comporta una perdita energetica. In realtà se la combustione durasse di più (parliamo nell’ordine di frazioni di millesimi di secondo), avrei la possibilità di tirare fuori ancora energia dalla CO2 emessa (essendo ancora molto energica).

Il catalizzatore dev’essere posizionato il più vicino possibile al collettore di scarico. Per questo motivo il più delle volte è integrato nella struttura di scarico a valle del collettore e posizionato come un rigonfiamento. Oppure internamente al silenziatore con DB-killer per l’emissione di onde sonore acute. L’ultimo layout specialmente per monocilindro o per terminale motociclistico.

Quanto può aiutarci la fasatura?

Chiaramente la combustione deve essere rapida per fare in modo che l’intera fase motore duri il necessario e, in buona accordatura con la fase di espansione, si passi allo scarico. Rendere la combustione molto rapida, vuol dire giungere ad uno stato entalpico non così tanto alto quanto si potrebbe. Ecco, per non entrare nell’ambito pratico della combustione, argomento dei prossimi approfondimenti, possiamo intenderla in modo molto semplificato così.

Rapida, implica temperature massime a ciclo inferiori rispetto ad una combustione lenta. Come la si velocizza? Dipende chiaramente dall’affinità all’accensione del combustibile, quanta reattività, ovvero, possiede. Dipende da ciò il processo di combustione, tuttavia possiamo agire su di essa con la fasatura dell’accensione.

Vale a dire regolare l’accensione in anticipo rispetto al punto morto superiore. Di quanto? Generalmente l’anticipo è di 20° di angolo di manovella rispetto al punto morto, quando il pistone è in fine fase di compressione. Più ritardiamo lo scocco della scintilla (motore accensione comandata), o l’intera iniezione di combustibile (tenendo conto di un piccolissimo ritardo all’accensione del carburante, dovuto alle non-idealità della chimica) nel motore ad accensione spontanea e più faremo combustione accavallandoci alla fase di espansione.

Quando la combustione calca la fase di discesa del pistone si crea una combustione molto ritardata e lenta nel suo corso, ciò aumenta il residuo di calore in camera e aumenta la temperatura massime.

Chiaramente tutto ciò è da evitare in quanto crea forti problemi su sollecitazioni meccaniche e vibrazioni (Diesel) e detonazione (Acc. comandata). Quindi il problema dov’è? basta fare in modo di abbassare il più possibile la temperatura in gioco e siamo in regola. Ed è qui che interviene il nostro catalizzatore.

Com’è fatto?

Nel catalizzatore si cerca di far avvenire una reazione d’equilibrio che crea vapore acqueo e CO2 dai monossidi di carbonio (CO). Il nome prende proprio dalla sua funzione, cioè catalizzare, velocizzare tali reazioni intermedie, convertire tali inquinanti e abbassare le temperature (effetto conseguente).

E’ composto da paratie in rodio o palladio, vari elementi ceramici e trasduttori di portata dei gas per il controllo in retroazione (regolazione). Una sonda, la famosa sonda lambda che fornisce il rapporto Air/fuel ratio reale rispetto a ciò che renderebbe stechiometricamente completa la reazione di combustione. Vari elementi di regolazione per l’abbattimento delle emissioni.

Purtroppo esso risulta efficiente solo dopo aver superato i 230°, prima di quella temperatura, le reazioni sono praticamente impossibili e il catalizzatore risulta praticamente spento. Questa fase di riscaldamento e inizio di funzionamento del catalizzatore è chiamato Light off.

Il tutto si collega al Warm up. In quanto, prima avviene il riscaldamento del motore, prima l’olio aumenta la temperatura, nel carter olio dei vari organi meccanici rotanti, albero motore, etc.
Come sappiamo bene, per i liquidi, la viscosità si riduce all’aumentare della temperatura. La viscosità dell’olio a freddo è 5 volte quella dell’olio a caldo: Certo, si sta cercando l’ottimizzazione anche da quel punto di vista, sicuramente.
Ma ciò non basta per trascurare il problema. A freddo il motore fa più fatica, cioè il lavoro perso per il funzionamento degli ausiliari è maggiore, perché è maggiore la resistenza alla rotazione degli organi rotanti.

Si cerca di mandare in pressione l’olio aumentandone la temperatura con apposite pompe e circuiti idraulici posizionati in modo da avere massima resa termica, ma ciò non basta. Più l’unità termica fa fatica, è sotto sforzo e più (anche da fermo) il rendimento crolla. Con esso aumentano i consumi specifici.

Concludendo…

Sono istanti critici e quello che faremo, sarà far funzionare l’intero gruppo termico nell’ottica del riscaldamento, mediante fasatura accensione, valvole, pressioni di sovralimentazione (se prevista), ricircolo dei gas etc.

Essenzialmente, le vie sono tante e le analizzeremo nel prossimo articolo. Occorre ricordare che l’efficienza del catalizzatore, composto da monolite ceramico, va col tempo calando. Tuttavia, i metalli estraibili sono una fonte molto preziosa, pertanto, vengono tipicamente riciclati.
Nel prossimo appuntamento tratteremo le tecniche di miglioramento della fase di warm-up, spaziando attraverso vari strade del powerunit. Ecco l’articolo: clicca qui.

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Consigliata la lettura anche dell’optimizing dell’impianto di scarico: clicca qui.