Motori ed Inquinamento: come siamo messi?

Un post di WM



Con l'arrivo della stagione invernale i ricorrenti anticicloni favoriscono il ristagno degli inquinanti a livello del suolo, soprattutto in Pianura Padana Attualmente la variabile che determina la sospensione della circolazione automobilistica parte da un parametro: PM10. I PM2,5 non sono al momento considerati, seppur rilevati, e sarebbero anche più pericolosi entrando in circolo dagli alveoli. Quindi abbiamo il particolato prodotto dalla combustione nei motori diesel ma anche da altre fonti quali inceneritori, camini a legna di vecchia concezione, industria ecc. inoltre esistono anche altri inquinanti, tra gli altri gli ossidi di azoto, NOx.

Vorrei entrare nel dettaglio degli inquinanti provenienti da motori a combustione interna.

Come tutti sanno i motori sono principalmente di due tipi, Ciclo Otto (motori a benzina) e Ciclo Diesel (motori a gasolio), i motori due tempi (a miscela di benzina e olio) molto inquinanti sono ormai marginali, posso però ricordare che quasi 30 anni fa collaborai con un progetto per lo sviluppo del motore 2 tempi in campo automobilistico, il concetto era interessante in quanto il 2 tempi ha un rendimento molto alto, avendo aspirazione e scarico contemporanei, minor peso e facilità costruttiva. La questione irrisolvibile erano gli inquinanti allo scarico dovuti alla lubrificazione a perdere, si provava con luci scarico particolarmente studiate ma l'imminenza dell'entrata in vigore delle norme antinquinamento (Euro1) fecero abbandonare il progetto. Rimane il Ciclo Wankel anch'esso molto delicato e il Ciclo Atkinson (motori a benzina con differente manovellismo, meno potenza ma maggior efficienza) usato in prevalenza su modelli ibridi, per curiosità molti anni fa esistevano in Nord America dei motori Diesel a 2 tempi.

Il principale imputato come capacità inquinante è il motore Diesel, la sua caratteristica principale è di funzionare con rapporti di compressione molto alti e di avere dunque una maggior efficienza. I vecchi Diesel erano solo aspirati ad iniezione indiretta ma con rapporti di compressione fino a 22:1, erano lenti con bassa potenza specifica in rapporto alla cilindrata ma molta coppia a bassi regimi. Infatti nella loro evoluzione si iniziò ad usare la sovralimentazione che aumentava la potenza ai regimi più alti col vantaggio della curva di coppia elevata in basso. Per fare questo però era necessario diminuire i rapporti di compressione perché si producevano molti NOx e meccanicamente le sollecitazioni erano molto forti, infatti motori moderni hanno valori di 15/16:1, a volte meno, e pressione di sovralimentazione fino ad 1 bar.

La sovralimentazione aiuta in particolare con la turbina a passo variabile ma la differenza principale è stata l'applicazione dell'iniezione diretta sequenziale del carburante (multijet) dove 7/8 getti o più ad altissima pressione e le mappature delle gestioni elettroniche risolvono parzialmente i problemi dell' accensione istantanea del carburante, la propagazione di fiamma, che è uno dei principali limiti del Ciclo Diesel. La ragione è intrinseca, non avendo un valore stechiometrico fisso, il motore può funzionare con rapporti comburente/combustibile molto ampi, da 5 a 1 fino a 20 a 1 e oltre, nel primo caso avremo una nuvola di fumo e incombusti che il FAP farà fatica a bloccare. Nell'iniezione sequenziale un paio di getti vengono inviati dopo lo scoppio per ridurre la rumorosità tipica del diesel e in parte per bruciare gli incombusti. Della riduzione rumore si potrebbe anche fare a meno riducendo il consumo.

Una via per la riduzione del particolato inoltre è l'impiego di apposita trappola, il FAP, che però deve essere periodicamente “svuotato”, ciò avviene con un ciclo apposito a regime controllato in cui viene iniettato carburante in eccesso che aumenta la temperatura per bruciare il particolato che non dimentichiamo è costituito principalmente da Carbonio, con la gestione elettronica dell'iniezione non difficile, ma una scocciatura per il guidatore e inquinante per l'aumento delle emissioni.

Il gasolio è una frazione relativamente pesante nella raffinazione del petrolio, da molti anni subisce un trattamento di desolforazione ma contiene Aromatici Policiclici (PCA) che in caso di combustione ottimale bruciano quasi completamente ma nei transitori (accelerazione) vanno a far parte degli incombusti e si generano allo scarico sostanze molto tossiche, ad esempio Benzo(a)pirene.

Per ovviare si utilizzano da molti anni catalizzatori ossidanti che riescono parzialmente ad eliminare questi inquinanti ma non del tutto. Un altro strumento è il riciclo dei gas di scarico tramite una valvola che li reimmette in parte in camera di scoppio. Si chiama EGR. Ma attenzione, in caso di forte richiesta di potenza viene disinserita.

Dallo scandalo Volkswagen in poi è venuto fuori un altro inconveniente difficile da risolvere, la formazione degli ossidi di azoto, i famigerati NOx. Si formano nella fase di compressione e nella rapida espansione dopo lo scoppio, l'Azoto e l'Ossigeno rimangono legati, la loro eliminazione deve essere affrontata con mezzi costosi e complessi, infatti reagendo con l'acqua producono Acidi (Nitrico e/o Nitroso)

Il catalizzatore convenzionale è per definizione ossidante e bisogna utilizzare un riducente, il più diffuso è l'Urea che combinandosi con gli NOx, li trasforma in Azoto gassoso e Acqua, la reazione deve essere catalizzata e i costi sono elevati per la gestione del sistema oltre che critica, difficile da controllare.

Come abbiamo visto la riduzione degli inquinanti è difficoltosa e nel corso degli anni le norme sono diventate sempre più restrittive da Euro 1 a Euro 6 con aumento dei costi per gli adeguamenti che ha causato il desiderio di prendere scorciatoie. Trucchi e software appositi per aggirarle. In realtà un modo ci sarebbe per rimanere in ambiti normali, ridurre le prestazioni, drasticamente. Le potenze specifiche sono arrivate a livelli impressionanti inutilmente ai fini di un uso normale.

Veniamo al Ciclo Otto, in condizioni normali (regime costante) non emette molto particolato e tecnicamente ha una combustione più controllata, la ragione principale nella gestione del rapporto stechiometrico tramite Sonda Lambda (14,7:1), in passato si erano tentate soluzioni alternative come la combustione magra, ossia poca benzina, molto inferiore al rapporto stechiometrico canonico ma con altre problematiche dovute alle temperature di esercizio molto alte. Il motore Ciclo Otto è meno inquinante utilizzando una combustibile che brucia meglio e più in fretta, cosa che presenta anche degli svantaggi, ad esempio devono essere utilizzati rapporti di compressione più bassi pena l'autoaccensione o detonazione (il ben noto battere in testa) normalmente intorno 10:1 e inferiore sui motori sovralimentati.

Rapporto di compressione più basso determina rendimenti termodinamici inferiori, il motore a benzina consuma di più a pari potenza sviluppata e se con l'elettronica si sono fatti passi avanti notevoli nell'impiego a regime costante, rimane un consumo maggiore rispetto al diesel nei transitori, uso cittadino ad esempio.

Anche nel Ciclo Otto si formano gli incombusti e il particolato, una causa è l'attivazione e disattivazione della Sonda Lambda che in rilascio e forte richiesta di potenza viene disinserita, in questo caso l'azione del catalizzatore avviene solo per la sua capacità ossidante che trovandosi ad gestire molti incombusti fatica, dunque emette inquinanti.

Per finire alcuni dati sul rendimento dei due principali motori da cui si potrebbe dedurre anche l'emissione netta. Partiamo da un dato, i rendimenti variano molto in funzione del regime di rotazione, dalla richiesta di potenza, il tipo di guida. I produttori con le gestioni elettroniche cercano di ovviare e parzialmente ci riescono ma in genere c'è un regime al quale il rendimento raggiunge il massimo, le case statisticamente si adeguano all'uso a velocità costante intorno alla coppia massima.

Un Diesel sovralimentato arriva intorno al 30/32 % e in certi casi 35% addirittura motori ben rodati, vecchi, anche oltre. Ricordo una prova su strada di una vecchissima Passat con oltre 200000 km che a 60 Km/h faceva 60 km con 1 litro! A maggior ragione si consideri che i generatori diesel elettrici essendo progettati per funzionare a regime costante arrivano anche oltre il 40%. Il motore a Benzina rende molto meno, 20/25% nelle migliori condizioni, ma in città può scendere anche sotto il 10% .

Un accenno ai combustibili gassosi, GPL (Propano e Butano liquefatti) e Metano gassoso. Hanno un potere calorifico nettamente inferiore e dunque consumi più elevati rispetto ai combustibili liquidi, per contro hanno un vantaggio in termini di combustione più pulita.

Ho trascurato tutte le valutazioni sul recupero di efficienza mediante migliorie nella riduzione degli attriti, nella ricerca di fasature variabili, fluidodinamica per i riempimenti dei cilindri, pneumatici più stretti, aerodinamica, peso del veicolo e modalità di guida.

Considerando che ancora per qualche anno i motori endotermici saranno in circolazione l'idea di sviluppare meno potenza specifica sarebbe una bel proposito, inoltre per gli ibridi un piccolo motore endotermico che fornisce energia per la ricarica delle batterie e il motore elettrico, che funzioni a regime costante avrebbe rendimenti molto più alti. Il motore elettrico sarebbe la fonte primaria di potenza per il movimento, l'esperienza dei locomotori diesel-elettrici è li a dimostrarlo.


wm