A brief history of “Gas combusti nei motori a propulsione endotermica”

A seguito delle recenti normative di omologazione richieste, il gruppo Volkswagen corre ai ripari sviluppando nuovi sistemi di after treatment dei gas combusti. Come ben sappiamo il gruppo tedesco è stato letteralmente sotterrato dagli scandali inerenti il DieselGate. Un po’ per pubblicità, un po’ per mettersi in un’ottima luce nei riguardi europei, il gruppo VW è promotore di una campagna rivoluzionaria a sostengo del puro elettrico. Tuttavia, pur non avendo rispettato alcune promesse come gli 80 veicoli del parco auto full electric entro il 2025 (non credendo nei miracoli) lo stesso gruppo dichiara e investe concretamente nel Diesel 4.0.

Il Diesel sarà un po’ il fulcro del discorso che porteremo avanti, in quanto è evidente la controtendenza positiva di questi ultimi mesi nei confronti del motore a combustione, che per quanto gli interessi politici e pubblicitari (a volte) vogliano nascondere, è ancora fonte di ricerca e sviluppo. Basti guardare le novità presentate recentemente. Lasciando fuori tematiche affrontate in precedenza, concentriamo l’attenzione sul Diesel.

Inquadriamo il problema:

Il problema riguarda i consumi e le emissioni degli agenti inquinanti come CO2 e NOx, vale a dire anidride carbonica e ossidi di azoto; non per ultime le polveri sottili PM (anche se ci sarebbe da discutere a riguardo). Cerchiamo di capire come mai nei motori Diesel sentiamo maggiormente parlare di NOx, piuttosto della CO2.

Per la natura chimica dell’idrocarburo ad alta reattività (gasolio) e la fase di combustione efficiente per le modalità in cui essa avviene, la quantità di CO2 è inferiore. Tuttavia, tali motori lavorando con un eccesso sullo stechiometrico di aria, lavoreranno con maggiori portate di azoto, il quale legandosi all’ossigeno alle alte temperature forma i monossidi di azoto. Con una miscela più ricca, in un motore Diesel e il suo sistema after-treatment, si avrebbe un eccesso di idrocarburi esausti e non: Ciò può produrre eccessiva fumosità dallo scarico. Oggigiorno opportuni sistemi a valle del motore, come il filtro anti-particolato, sono dotati di numerosi sensori di pressione, temperatura e sonde; come la sonda lambda che fornisce con maggiore o minore accuratezza il valore di ossigeno nei gas di scarico e mediante un elaborato algoritmo, risalire ai vari prodotti della combustione reale.

Ma perché l’azoto?

L’aria reale non è costituita puramente da ossigeno, non potrebbe esserlo. Ecco le percentuali che definiscono l’aria reale che fa respirare un motore: 78% N2, azoto, 21% Ossigeno O2 ed infine in percentuale minima altri gas (Argon, Elio, CO2) inerti dal punto di vista della combustione.

La fase di combustione per quanto rapida, avviene in fasi intermedie e in tali passaggi si ottengono ulteriori legami tra le molecole in fase aeriforme: NO2.

N2 + O2 > 2NO

2NO +O2> 2NO2

La reazione e l’abbassamento di temperatura (dal picco che ha formato i NOx) invece è così lenta da non riuscire a garantire la decomposizione dei NOx che si legano ulteriormente con l’ossigeno.  Ecco i cosiddetti ossidi di azoto. Essi sono dannosi per vari aspetti legati alla salute (ne parleremo a breve) e vanno limitati con dispositivi come valvola EGR, sistemi SCR di post trattamento dei gas di scarico. Certe volte questo basta, altre invece no. Come risolve il gruppo tedesco?

Attuali limitazioni:

Nella normativa europea si è passati dai 250 mg/km delle diesel Euro4 ai 180 mg/km delle euro5. Attualmente viaggiamo sui 80 mg/km per i Diesel approvati dal WLTP (Worldwide Harmonized Lightvehicles Test Procedures). 60 mg/km per i benzina per le motivazioni fornite prima.

I veri problemi degli ossidi di azoto?

Analizziamo i problemi mettendoci nel caso aeronautico. A quei bassi valore di densità d’aria (alta quota), la maggior quantità d’aria in gioco per un motore aeronautico e le maggiori temperature d’esercizio, producono i Thermal NOx. Parliamo precisamente di triossido e pentossido di azoto. Questi ultimi, reagendo con l’aria producono l’acido nitrico, presente nelle piogge acide che investono la superficie terrestre. Queste piogge consistono nella condensazione di acidi in forma di gas o precipitati di ossidi di zolfo (SOx) e azoto (NOx).

L’eccesso di NOx è dannoso anche per noi e il nostro organismo. In quanto, se inalato a grandi porzioni, può legarsi all’emoglobina del sangue e provocare embolie polmonari acute. Inoltre l’azione dei raggi solari sugli idrocarburi non saturi e gli ossidi in aria, possono favorire la formazione di smog fotochimico, dannoso per la vista e per la respirazione.

Riporto qualche dato dal sito Arpa-Puglia in merito agli inquinanti e la protezione ambientale.

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.

Nel prossimo approfondimento tratteremo le principali soluzioni per l’abbattimento di tali sostanze. Le vie sono molteplici, additivi chimici, sistemi in serie di trattamento, valvole per il ricircolo. Tra le varie soluzioni presenteremo una reazione chimica alla base di un nuovo additivo proposto dal gruppo VW.