L’anatomia di un motore diesel moderno

Più leggeri, più puliti e tecnologicamente più avanzati, i diesel moderni sono completamente diversi dai loro predecessori.

 

L’Europa è all’avanguardia nella modernizzazione del diesel, con l’obiettivo di raggiungere i massimi requisiti in termini di prestazioni, con il minimo impatto ambientale.

Attraverso un investimento inarrestabile nella tecnologia dei motori diesel, le case automobilistiche e i fornitori europei hanno rivoluzionato i motori diesel con innovazioni tecnologiche, incluso il dispositivo senza precedenti per il controllo delle emissioni di scarico, il convertitore catalitico e “AdBlue®”, una sostanza chimica efficace che aiuta a ridurre le emissioni pericolose.

 

Tecnologia di post-trattamento

I dispositivi di scarico post-trattamento del diesel sono di importanza critica, perché consentono un controllo più rigido sulle emissioni e una migliorata qualità dell’aria.

Introdotto inizialmente a metà degli anni ‘70 sulle automobili a benzina, il catalizzatore originale era noto come un “catalizzatore di ossidazione”, fino al momento della sua sostituzione con il “catalizzatore a tre vie”. Il Catalizzatore di ossidazione diesel (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) rimane un componente chiave della tecnologia dei motori diesel, dal momento che converte il monossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi (HC) in anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O). Il DOC riduce inoltre la massa di emissioni di particolato diesel attraverso l’ossidazione degli idrocarburi, che vengono assorbiti sulle particelle di carbonio.

In seguito allo sviluppo di nuove tecnologie e nuovi sistemi per la riduzione delle emissioni e per il miglioramento dell’efficienza del carburante, il Filtro antiparticolato diesel (Diesel Particulate Filter, DPF) è stato creato per ridurre ulteriormente le emissioni, intrappolando le particelle solide di fuliggine che il DOC non era in grado di ossidare.

I DPF sono stati introdotti sulle automobili diesel nel 2000 e dal 2011 tutte le nuove automobili diesel in UE sono state dotate di questa tecnologia, che previene l’emissione di particelle di scarico pericolose.

Rispetto a 10 anni fa, i motori diesel di oggi sono più puliti ed efficienti, dotati di sistemi per il controllo delle emissioni per eliminare le emissioni pericolose dallo scarico dei veicoli.

L’ultimo miglioramento ai sistemi di scarico è la Riduzione catalitica selettiva (Selective Catalytic Reduction, SCR). Grazie a un catalizzatore, il sistema SCR converte gli ossidi di azoto (NOx) in azoto biatomico (N2) e H2O. Quando le condizioni non sono ottimali per i catalizzatori SCR, gli adsorbitori di NOx sono utili perché raccolgono i NOx dal motore per conservarli e trattarli in seguito quando le condizioni sono idonee.

Infine, la combinazione di diverse tecnologie per il controllo delle emissioni garantisce un maggiore controllo sulle emissioni pericolose.

Diesel particulate substrate filter - diesel engine anatomy

Un filtro antiparticolato diesel (Diesel Particulate Filter, DPF), intrappola oltre il 99,9% delle particelle della combustione

 

Come l’innovazione del diesel sta riducendo l’inquinamento dell’aria

La nuova generazione di motori diesel è costituita da un sistema integrato a tre componenti: un motore altamente efficiente, carburante diesel a basso tenore di zolfo e un sistema avanzato per il controllo delle emissioni.

Il sistema avanzato di gestione del motore elettronico è il “cervello” del motore moderno che controlla, tra le altre cose, i livelli delle emissioni, raccogliendo e processando segnali e dati dai sensori a bordo e coordinando poi i sistemi DPF e SCR per il post-trattamento dei gas di scarico.

Il livello ultra basso (inferiore a dieci parti per milione) di zolfo nel carburante permette di utilizzare dispositivi migliorati per il controllo delle emissioni. Ciò permette al motore di impiegare il filtro antiparticolato per intrappolare le particelle di fuliggine, ridurre le proprie emissioni e, di conseguenza, migliorare la qualità dell’aria.

Inoltre, i sistemi di iniezione diesel ad alta pressione common rail contribuiscono all’elevata efficienza dei motori diesel. Questi sistemi aumentano la pressione degli iniettori e forniscono una migliore atomizzazione del carburante che, a sua volta, migliora i processi di accensione e combustione. Ciò garantisce la fornitura della sola quantità di carburante richiesta dagli iniettori. Permette inoltre al filtro di “rigenerarsi” regolarmente, bruciando la fuliggine raccolta.

L’ultima generazione di motori diesel utilizza convertitori catalitici, adsorbitori e filtri antiparticolato che convertono il 99% degli inquinanti di scarico dei motori a combustione (HC, CO, NOx e particolati). Il convertitore catalitico gioca un ruolo importante nel controllo delle emissioni: il monossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi incombusti (HC) vengono ossidati in CO2 e H2O, mentre i NOx, ad es., NO e NO2 vengono ridotti in N2 inerte, eliminando dunque virtualmente i gas tossici e riducendo l’inquinamento dell’aria.

Il settore ha dimostrato il proprio impegno al miglioramento della qualità dell’aria, sviluppando e combinando tecnologie che possono affrontare in modo diretto le problematiche dell’inquinamento dell’aria.

Quando ancora mancavano gli indizi epidemiologici riguardo agli effetti sulla salute delle particelle, si invocò il “principio di precauzione”, con la richiesta di eliminazione delle particelle di carbonio con l’uso di DPF su tutte le nuove automobili diesel venute in Europa dal 2011 in avanti. Ciò fu confermato dalla Review of Evidence on Health Aspects of Air Pollution (Revisione dell’evidenza sugli aspetti dell’inquinamento dell’aria sulla salute, REVIHAAP) della World Health Organization (WHO) del 2013, che indicò che le particelle ultra-fine hanno effetti tossici sul corpo umano.

Il DPF con “flusso attraverso le pareti” ha la funzione di intrappolare e conservare il particolato nell’intero intervallo dimensionale delle particelle. Il gas di scarico passa attraverso una parete ceramica porosa a nido d’ape, dove il particolato si deposita come uno strato di fuliggine. Questo “pannello di fuliggine” non conserva solo la fuliggine, ma filtra anche le particelle ultra-fini.

Di conseguenza, le emissioni in termini di massa e numero di particelle dai veicoli diesel vengono controllate in modo efficiente in base alle condizioni di guida del mondo reale, dal momento che il numero di particelle viene ridotto di parecchi ordini di grandezza. Le elevate temperature di scarico bruciano periodicamente la fuliggine raccolta nel DPF, rigenerando il filtro e preparandolo per il turno successivo di raccolta di fuliggine.

Il settore ha dimostrato il proprio impegno al miglioramento della qualità dell’aria, sviluppando e combinando tecnologie che possono affrontare in modo diretto le problematiche dell’inquinamento dell’aria.

 

Motori diesel efficienti e ad alte prestazioni

I miglioramenti delle prestazioni dei motori diesel significano che, negli ultimi 15 anni, i limiti delle emissioni di NOx e particolato (PM) sono stati ridotti drasticamente.

In pratica, i DPF rimuovono il 99,9% delle particelle, incluse le particelle ultra-fini. La riduzione delle emissioni di NOx nel mondo reale non è sempre andata di pari passo con le norme da Euro 3 a Euro 5, ma si è sempre osservato una tendenza generale al ribasso dai database dell’AECC (Associazione per il Controllo delle Emissioni per mezzo dei Catalizzatori) sulle misure veicolari.

L’AECC si è occupata della misurazione delle emissioni dei veicoli al di fuori delle procedure normative, per più di un decennio. Prima è stato condotto il ciclo di verifica Artemis, un test di laboratorio più rappresentativo della guida nel mondo reale rispetto al precedente ciclo di verifica normativo NEDC.

Dal 2012, si sono condotti invece i test su strada, in cui il veicolo viene dotato di Sistema portatile di misura delle emissioni (Portable Emissions Measurement System, PEMS). La figura seguente indica la riduzione di NOx nel mondo reale dai veicoli diesel verificati dall’AECC negli anni.

Dalle emissioni di NOx da motori diesel rappresentative a quelle effettive del mondo reale nel database dell’AECC

Anche se i miglioramenti ai motori tendono a ridurre le emissioni di NOx, tendono inoltre ad aumentare le emissioni di PM. In altre parole, la riduzione di NOx attraverso l’abbassamento della temperatura massima di combustione aumenta le emissioni di PM dal motore, e inibisce la completa ossidazione della fuliggine. Questo prende il nome di “trade-off NOx-PM”.

La maggior parte delle case automobilistiche in Europa ha scelto di utilizzare questo trade-off per minimizzare le emissioni di particolato in uscita dal motore, utilizzando però il post-trattamento SCR per controllare le emissioni di NOx dal motore. Questo metodo consente di migliorare l’economia in termini di carburante rispetto alla precedente generazione di motori.

In pratica, i DPF rimuovono il 99,9% delle particelle, incluse le particelle ultra-fini.

 

Quali innovazioni possiamo aspettarci in seguito?

Dall’inizio degli anni ‘90, l’Unione Europea ha introdotto limiti sempre più rigidi sulle emissioni dei veicoli, noti come “serie di norme Euro”. Le norme da Euro 1 a Euro 4 non erano tanto rigide quanto le Euro 5 e 6, dal momento che non richiedevano la dotazione obbligatoria alle automobili di dispositivi post-trattamento di particolato o NOx. Queste automobili diesel più vecchie e “più sporche” stanno contribuendo alle sfide relative alla qualità dell’aria che le città europee si trovano a fronteggiare.

Per seguire le nuove e più rigide norme europee sulle emissioni, l’industria dei veicoli diesel ha innovato e migliorato considerevolmente l’efficienza dei motori.

La norma Euro 6, aggiornata nel 2017, ora conta sulle Emissioni di guida reale (Real-Driving Emissions, RDE). Ciò garantisce l’impiego al loro pieno potenziale di tecnologie di post-trattamento per il controllo dei NOx, riducendo le emissioni di NOx dei veicoli. Oggi, il Fattore di conformità (Conformity Factor, CF) permette un margine per le emissioni di NOx su strada.

Dal 1° settembre 2017 è stato stabilito un limite sulle emissioni Da non superarsi (Not-To-Exceed, NTE) per l’RDE delle nuove automobili, con un CF provvisorio di 2,1 per le emissioni di NOx. Ciò significa che le emissioni del mondo reale possono essere 2,1 volte superiori al valore limite del regolamento. Questa nuova norma su strada, più rigorosa, è nota come Euro 6d-TEMP e si applicherà a tutte le nuove automobili registrate a partire da settembre 2019.

La Commissione europea e gli Stati Membri dell’UE hanno considerato essenziale il CF da un punto di vista tecnico, per riflettere l’insicurezza della misurazione dell’RDE, dal momento che viene condotto su strada e non in un laboratorio. Senza il CF, i veicoli conformi avrebbero potuto non superare il test RDE dal momento che quest’ultimo non avrebbe rappresentato in modo accurato le emissioni effettive di un’automobile.

Tuttavia, a partire da gennaio 2020 per tutti i nuovi modelli di veicoli e dal 2021 per tutti i nuovi veicoli, la discrepanza verrà ridotta ulteriormente attraverso l’abbassamento del CF a 1,0 più un’incertezza di misurazione.

L’insicurezza di misurazione era stata originariamente impostata a 0,5, ma sarà condotta una revisione annuale del CF per tenere conto dei miglioramenti tecnici alle attrezzature di verifica su strada. A marzo 2018, la Commissione Europea propose l’abbassamento dell’insicurezza di misurazione da 0,5 a 0,43. Questo CF più rigido costituirà la norma Euro 6d.

La tecnologia dei motori diesel ha fatto molta strada in un lasso temporale incredibilmente breve. Rispetto a 10 anni fa, i motori diesel di oggi sono più puliti ed efficienti, dotati di sistemi per il controllo delle emissioni per eliminare le emissioni pericolose dallo scarico dei veicoli.

Obiettivi sempre più rigidi significano che l’industria del diesel continuerà a raggiungere norme sempre superiori in termini di efficienza.