Il cammino per la massima efficienza: Come si realizza un Diesel Euro 6d?

Nello scorso approfondimento abbiamo chiarito come mai anche i gruppi notoriamente legati all’elettrico e alla campagna promozionale e-mobility stanno investendo parecchie risorse (più di quanto vogliano ammettere) sul Diesel 4.0. Un Diesel nuovo, pulito, efficiente. L’attenzione si è soffermata sulla natura dei NOx e sui limiti del Diesel passato e attuale. Ecco oggi che introdurremo alcune particolari idee, se così possiamo chiamarle, riguardo questo lungo cammino nella direzione della massima efficienza. Tempo fa parlai già del sistema con valvola EGR (Exhaust Gas Recirculation).

Adesso lo riprenderemo in breve, intanto ecco gli approfondimenti interessati:
– NOx, chimica dei gas di scarico.
– Ricircolazione dei gas di scarico (egr).

EGR, perché?

Essa, sia singola, sia doppia è essenzialmente caratterizzata da un circuito ad alta pressione che preleva pressione dalla valvola di scarico. La si collega all’aspirazione, mediante un gruppo valvola con attuatore elettrico o pneumatico gestito dalla centralina. Tale attuatore regola il grado di apertura dell’otturatore e la portata di riflusso quindi. Portando mediante tale canale, gas sporchi ricchi di inquinanti, essenzialmente posso ottenere depositi che si accumulano sull’intera linea di aspirazione e di valvola. I depositi, fungono da colesterolo fluidodinamico, specialmente se un veicolo è spesso utilizzato su tratte brevi e mantenuto sempre ai carichi bassi. Ecco perché il Diesel che ricorre molto all’EGR per l’abbassamento dei NOx prodotti (azoto si lega all’ossigeno alle alte temperature), ha la necessità di essere stappato regolarmente, se fatto camminare per poco tempo e per tratte a bassa percorrenza.

Il ricircolo dei gas è di circa il 10/15 % per evitare eccessivi aumenti in camera di HC presenti, sregolarizzando la combustione. Inoltre come anche per i sistemi di catalizzazione del processo di conversione e smaltimento degli inquinanti, anche il FAP, EGR rappresentano tutti un aumento della contrappressione allo scarico, aumentando le perdite di pompaggio (fasi passive ciclo funzionamento) con conseguente calo del rendimento.

Passando a un sistema più intelligente: SCR

Il sistema SCR (Selective Catalyst Reduction) è nato per far fronte all’esigenza delle normative Euro 5 e 6. Il sistema intrappola i NOx emessi (ecco perché è chiamato anche catalizzatore ad accumulo o trappole NOx). Essi possono o meno lavorare in simbiosi con le valvole. Alcuni sistemi efficienti utilizzano le valvole EGR sia a monte catalizzatore (subito a valle del collettore scarico), sia a valle dello stesso come una valvola di bassa pressione: chiaramente con una parziale espansione dei gas di scarico).

Il sistema SCR lavora grazie ad un additivo liquido (chiamata urea generalmente) Ad Blue o DEF (Diesel Exhaust Fluid). Questo liquido funziona come un riducente per la reazione chimica che avviene nel catalizzatore SCR. Scopriamo di cosa e composta e poi da semplici reazioni notiamo come si è riusciti a convertire i NOx in entità meno dannose.

Composto da una soluzione di Urea diluita in acqua, cioè 32,5% urea [CO(NH2)2] e 67,5% di acqua deionizzata, Ad Blue propone il diesel del futuro.
Tale liquido viene iniettato a monte del catalizzatore, direttamente come un iniezione ad alta pressione in condotto alto, questa volta nel condotto di scarico per l’esattezza. Questo additivo, studiando con la CFD il processo di mixing, va a miscelarsi con i gas di scarico e l’alta temperatura, facendo evaporare la soluzione acquosa, forma l’ammoniaca (NH3). Quest’ultima con gli ossidi NOx produce due sostanze innocue come azoto e vapore acqueo.

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

Il catalizzatore SCR lavora a 265-425 °C e mantiene un rendimento dell’80%. Chiaramente ciò aumenta all’aumentare delle temperature e dell’efficienza di catalizzazione del processo garantita dalla presenza di una grata di supporto ceramica porosa con rivestimento in Vanadio. Ciò accelera (catalizza) la reazione e migliora l’abbattimento dei gas.
E’ fondamentale che l’Ad Blue, che approfondiremo in seguito, sia completamente puro e iniettato ad alta pressione. C’è pompa, iniettore, sistema di filtraggio etc. E’ un vero e proprio secondo carburante.

L’ Ad Blue ci vien descritto come incolore, sicuro da maneggiare, non tossico. Ha il suo punto di congelamento a 1atm a -11°C. Macchia i metalli e talvolta li corrode. E’ importante la fase dello stoccaggio.

Meccanica del sistema:

L’additivo deve essere iniettato ad alta potenza e in accordatura di fase con i giri dell’albero, per far ciò dispone di una centralina secondaria con un sensore ECM (engine control modul) che ne modula l’iniezione. Il comando in retroazione governato dal sensore, gestisce la differenza di pressione tra iniettore e pompa e modula l’apertura. Quando arriviamo a temperature maggiori ai 160°C, automaticamente viene iniettato dell’altro fluido. La maggior portata riduce (dagli equilibri di potenza dei fluidi in gioco) la potenza termica scambiata tra aria/gas con il fluido. Si va a ridurre il coefficiente di scambio termico convettivo in un certo modo.

(Approfondendo L’Ad Blue).

Perché tutto ciò?

Mi spiego meglio, per quale motivo tutta questa cura nei dettagli, e come poter mettere più alla dura prova i powerunit odierni nei vari cicli di omologazione? Sapendo che la fase più dannosa per le emissioni sono i primi 45 s dall’avviamento, vale a dire il periodo di Light-off / Warm up del veicolo.

Nel 2017 è entrato il vigore il nuovo ciclo omologativo dei motori. I test al banco sono differenti, le velocità di punta testate arrivano fino al loro limite (vigente sulle strade 130 km/h extraurbane veloci). Maggiori accelerazioni per simulare i transitori (per i consumi e gli organi meccanici in funzione del rendimento energetico, vedi precedenti approfondimento Vehicle CuEriosity). La prova durerà 1800 secondi, particolareggiando maggiormente il test dei nocivi NOx.

L’euro 6d è un Diesel pulito, nuovo, pieno di risorse. I sistemi migliorano sensibilmente. Certamente nulla mai come l’elettrico, ma le emissioni locali valgono tanto quanto quelle delocalizzate, ricordiamocelo bene. La questione ambientale non è solo roba politica, scioperi e sfoghi sui social. La soluzione deve esserci, immediatamente, ma deve essere una soluzione, non una continua lotta politica agli investimenti e fondi europei. Ne va del futuro del nostro pianeta, dei nostri veicoli e dei nostri amati propulsori (di qualsiasi natura essi siano).

Il tema è molto delicato e come dicono in molti “la confusione intanto dilaga“.
Nei prossimi approfondimenti vedremo la soluzione di Volkswagen.