Edizioni L`Informatore Agrario

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APPROFONDIMENTI
Ora i trattori parlano
solo in Euro III
di Romano Demaldè
Le principali tappe
da rispettare
I primi standard per motori diesel
fuori strada, con potenza superiore
ai 37 kW (50 CV), sono stati introdotti negli Stati Uniti, tra il 1996 e il
1999, dall’Environment Protection
Agency, o Epa, con il limite di emissione Tier I, mentre in Europa sono
I motori devono
inquinare meno.
Ma come?
Tra filtri
antiparticolato
e sistemi Egr e Scr,
tutte le strategie
per ridurre
le emissioni nocive
arrivati con lo Stage I nel 1999.
In seguito i vari enti hanno fi ssato
standard progressivamente più severi, entrati in vigore tra il 2001 e il
2008, prima con il Tier II/Stage II fino al recente Tier III/Stage III A.
Questi standard dovranno attraversare un periodo transitorio, nel
2011-2012, in cui si seguiranno le
norme Tier III transitorie/Stage
IIIB, dopo le quali si passerà all’applicazione delle normative Tier
IV/Stage IV, che dovranno essere
attuate entro il 2015.
Le principali tappe per la riduzione
delle emissioni non-road in Ue (>130 kW)
Come limitare
le emissioni nei diesel
Il contenimento delle emissioni può
essere ottenuto mediante interventi a monte e a valle del processo di
combustione. Nel primo caso si lavora all’origine agendo sulla più
spinta raffi nazione del combustibile e utilizzando additivi, limitando
la temperatura massima di combustione e ottimizzando l’iniezione.
Circa gli interventi a valle della
combustione (post-trattamento)
sono utilizzabili i catalizzatori ossidanti, i fi ltri antiparticolato, i sistemi di ricircolo dei gas di scarico e la
riduzione selettiva catalitica.
Gasolio
e lubrificanti puliti
Un primo accorgimento è dato dall’utilizzo di combustibili e oli lubrificanti il più possibile privi di zolfo e
idrocarburi aromatici policiclici,
oppure aggiungendo degli additivi
a ogni pieno. Riducendo il tenore di
zolfo possono essere ridotte le emissioni dei composti di zolfo (SOx).
Ora l’utilizzo di combustibili più
raffi nati dei tradizionali gasoli è già
una realtà nel settore automobilisti-
Euro IV
NOx = 0,4 g/kWh
PM = 0,025 g/kWh
1999
Euro I
NOx = 9,2 g/kWh
PM = 0,54 g/kWh
2006
2002
Euro II
NOx = 6 g/kWh
PM = 0,2 g/kWh
Euro IIIA
NOx = 4 g/kWh
PM = 0,2 g/kWh
2014
2011
Euro IIIB
NOx = 2 g/kWh
PM = 0,025 g/kWh
Nei fumetti vengono riportati i valori ammessi per ogni standard di emissione degli ossidi
di azoto (NOx) e del particolato (PM), con indicato entro quando devono essere rispettati.
Da notare come dall’attuale standard Euro IIIA al prossimo Euro IIIB, gli NOx dovranno
scendere del 50%, mentre le particelle solide di quasi il 90%
MAD • Supplemento al numero 6 • Giugno 2009
A
ridurre l’inquinamento dell’aria sono chiamati tutti a
rapporto, trattori inclusi. Il
rispetto dell’ambiente e
della salubrità dell’aria sono tematiche che rientrano ormai nel linguaggio comune delle macchine agricole, le quali devono rispondere alle
sempre più esigenti misure anti-inquinamento. Arrivati con non poca
fatica allo standard di emissione
Eu ro I I I, det to a nche T ier I I I,
i motori utilizzati nel settore “nonroad”, quindi fuori strada, devono
cominciare a fare i conti con i prossimi limiti di emissione, ancora più
severi, e che di certo metteranno a
dura prova tecnici e ingegneri delle
varie case costruttrici.
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COS’È
LE EMISSIONI DEI MOTORI DIESEL
al gas di scarico di un motore diesel a combustione interna, vengono scaricati in atmosfera: monossido di carbonio, idrocarburi incombusti,
ossidi di azoto, particolato, anidride carbonica, anidride solforosa e solforica. È
utile ricordare che l’aria contiene azoto
(N2), ossigeno (O2), anidride carbonica
(CO2) e altri elementi in piccole quantità,
mentre il gasolio contiene carbonio (C),
idrogeno (H) e tracce di zolfo (S).
Questi cinque elementi si combinano
chimicamente tra loro durante la combustione che, non essendo quasi mai completa, produce gas dannosi per l’ambiente e per l’uomo.
D
Monossido di carbonio (CO)
Il carbonio contenuto negli idrocarburi è uno degli elementi che si combina
con l’ossigeno durante la combustione,
che se completa porta alla formazione
di anidride carbonica. Durante la discesa del pistone, la temperatura e la pressione nella camera di combustione diminuiscono e la reazione si arresta prima del suo completamento in una fase
intermedia.
Se l’ossigeno è insufficiente, come tipicamente avviene nelle miscele ricche dei
motori a ciclo Otto (benzina), la reazione
produce monossido di carbonio, pericoloso per l’ambiente e letale per l’uomo.
Nei diesel, essendo sempre la presenza
di ossigeno molto elevata anche a pieno
carico, la produzione di CO è trascurabile e pari a circa 1/10 di quella prodotta
dal motore a benzina.
MAD • Supplemento al numero 6 • Giugno 2009
Idrocarburi incombusti (HC)
Gli idrocarburi incombusti derivano essenzialmente dal combustibile che non
prende parte alla combustione. Tra le
cause che concorrono a tale fenomeno si annoverano il riempimento di gasolio in cavità interne alla camera di combustione, solitamente nello spazio tra cilindro e pistone, l’assorbimento del combustibile da parte dell’olio, lo spegnimento
della fiamma in prossimità delle pareti della camera più fredde e della zona centrale del getto di iniezione, dove le goccioline iniettate non trovano ossigeno sufficiente per completare la combustione.
Ossidi di azoto (NOx)
Gli NOx, che rappresentano assieme al particolato il principale inquinante emesso dai motori diesel, sono una miscela costituita da
ossido di azoto NO (circa il 98%) e biossido di azoto NO2 (circa il 2%).
L’azoto è un elemento naturale dell’aria;
quando la temperatura in camera di
combustione è troppo elevata, l’azoto si
combina con l’ossigeno e forma gli ossidi di azoto, che da soli non sono nocivi
ma quando sono esposti ai raggi solari si
combinano con gli idrocarburi incombusti formando lo smog e concorrono alla
formazione di ozono a basse altitudini.
Nel caso di impiego di combustibili a elevato contenuto di zolfo, gli NOx influiscono inoltre, in modo notevole, alla formazione delle piogge acide. Per limitarne la
formazione occorre diminuire la temperatura del processo di combustione.
Particolato (PM)
Il particolato (la cosiddetta fuliggine o
soot) è costituito da particelle solide (carbonio e idrocarburi derivati dal combu-
co, dove le maggiori compagnie petrolifere propongono gasoli a bassissimo contenuto di zolfo, ma a
prezzo più elevato.
La qualità della combustione può
essere migliorata limitando la variazione della densità del gasolio.
L’impiego di scambiatori di calore
dedicati al raffreddamento o al riscaldamento del combustibile, secondo le condizioni ambientali,
consente un più preciso dosaggio.
Motori più efficienti
Egr Cooler esterno (AGRex inside Fendt)
Un contributo importante nella riduzione della quantità di sostanze
inquinanti derivanti dalla combustione arriva proprio dai moderni
sistemi di iniezione a elevatissima
pressione (common rail, pompa-
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stibile e dall’olio lubrificante) di diametro compreso tra 10 e 100 μ (1 micron
= 1 millesimo di millimetro) e sono molto dannose poiché possono penetrare negli alveoli polmonari (sono cancerogene).
Si formano alla presenza di elevate pressioni e temperature, il massimo valore si ha durante il picco
di pressione iniziale della fase di
espansione.
Alcune sperimentazioni hanno evidenziato che nei motori diesel a iniezione indiretta la produzione di particolato può essere inferiore rispetto a quelli a iniezione diretta perché
la miscelazione aria-combustibile
avviene più rapidamente.
La quantità emessa è relativamente
ridotta a bassi e medi carichi mentre a
pieno carico (accelerazione), riducendosi il rapporto aria/combustibile, l’emissione diventa consistente.
Anidride carbonica (CO2)
L’anidride carbonica è un inevitabile prodotto della combustione e dipende direttamente dal consumo di combustibile.
L’unico modo per ridurla è quello di diminuire i consumi del motore.
Si discute di ridurne l’emissione a livello mondiale perché ritenuta responsabile dell’effetto serra (riscaldamento globale).
Composti dello zolfo
I composti dello zolfo (SOx) presenti sottoforma di anidride solforosa e solforica
(SO2 e SO3) si formano a causa del contenuto di zolfo presente nei gasoli.
La loro presenza nello smog porta alla
formazione delle piogge acide.
R.D.
iniettore), a controllo elettronico e
con l’ottimizzazione della geometria della camera di combustione.
Modificando il disegno della camera di combustione, assolutamente
necessaria con i nuovi sistemi ad
alta pressione, si ottiene una penetrazione del getto più elevata, riducendo i contatti con la parete e
quindi la conseguente formazione
di particolato. I pistoni presentano
una camera di maggior diametro,
ma in grado di mantenere invariato
il rapporto di compressione.
Anche i condotti di aspirazione
possono subire delle modifiche, atte a favorire un maggiore swirl (turbolenza a spirale) all’interno della
camera di combustione.
Per favorire questa turbolenza, nel
L’impiego dei nuovi sistemi ad alta pressione nei motori diesel ha comportato la modifica
della geometria della camera di combustione come evidenziato nella figura di destra
condotto di aspirazione può essere
installato lo Swirl Flap, una valvola
capace di modificare in base alla
sua posizione i l moto detto d i
“Swirl” all’interno della camera di
combustione. La sua posizione viene controllata mediante una centralina elettronica in funzione delle
condizioni del motore, così da ridurre al massimo i valori di particolato e NOx.
Nei motori sovralimentati, un accorgimento per contenere la produzione degli ossidi d’azoto è rappresentato dal l’interrefr igerazione
(aria-aria, aria-acqua) che, raffreddando l’aria in entrata, riduce pure
le temperature massime di combustione.
L’eventuale nebulizzazione di una
certa quantità di miscela acquaglicoletilenico nel condotto di aspirazione, che giunge nella camera di
combustione formando una miscela omogenea con il gasolio e prendendo parte attiva alla combustione, consente una notevole riduzione della fumosità e degli NOx. Ciò
significa una migliore combustione
e un migliore rendimento del motore che si mantiene pulito e più efficiente.
Funzionamento del ricircolo esterno (Egr)
Sensore
di temperatura
Sensore
di pressione
Valvola
di non
ritorno
Valvola
Egr
Egr Cooler
Centralina
di controllo
Turbocompressore
Aspirazione
tenente una matrice ceramica, generalmente a nido d’ape, su cui sono depositati i metalli nobili (platino, palladio, rodio) che rappresentano il materiale catalitico utilizzato per far avvenire le reazioni desiderate in tempi adeguati.
L’impiego del catalizzatore ossidante è reso difficile a causa della
presenza di zolfo che può essere ulteriormente ossidato e quindi diventare ancora più pericoloso per
l’ambiente.
Catalizzatore ossidante
Filtro antiparticolato
(Fap)
Il catalizzatore ossidante permette
di ridurre monossido di carbonio e
idrocarburi incombusti ed è costituito da un involucro metallico con-
Il filtro o trappola antiparticolato
(Fap, Dpf, ecc.) è in pratica un setaccio di materiale refrattario in
grado di bloccare le particelle soli-
Scarico
de, portate in sospensione dai gas
di scarico, di diametro superiore a
quello delle celle di cui è composto
il filtro. Il filtro è costituito da un
corpo ceramico con canali assiali
delimitati da pareti porose e chiusi
alle estremità per costringere i gas
ad attraversare le pareti medesime
prima di essere espulsi. Intasandosi progressivamente, il fi ltro riduce
la sua efficienza ma, per evitarne il
ricambio, innalzando la temperatura dei gas di scarico si bruciano le
particelle carboniose intrappolate
nel fi ltro, che si rigenera di conseguenza (rigenerazione termica).
L’intasamento del fi ltro, inoltre, provoca una differenza di pressione tra
l’ingresso e l’uscita dello stesso,
che è misurata tramite sensori di
MAD • Supplemento al numero 6 • Giugno 2009
Il miglioramento fluodinamico nel condotto
di aspirazione ha permesso ai costruttori
di motori di superare il primo step
della normativa sulle emissioni
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Funzionamento del sistema Scr
(riduzione selettiva catalitica)
Serbatoio
dell’additivo
Sensore
di temperatura
Modulo di invio
dell’additivo
Filtro
Sensore
di livello
Centralina
di controllo
del dosaggio
Agli
attuatori
Sensore
di temperatura
Dai sensori
Iniettore
additivo
Sensore
di temperatura
Sensore
dei gas esausti
Catalizzatore Scr
Il catalizzatore Scr
MAD • Supplemento al numero 6 • Giugno 2009
Una volta ossidati, i gas di scarico
reagiscono con l’ammoniaca
presente nell’additivo.
Avviene una reazione chimica
che trasforma gli ossidi di azoto
in ossigeno, acqua e azoto.
Punto
ingresso
dell’additivo
pressione. Quando la centralina
legge una differenza di pressione
superiore al valore impostato (fi ltro
intasato) comanda all’iniettore del
sistema Common rail di eseguire
una post-iniezione, cioè un’iniezione aggiuntiva di gasolio la quale
aumenta la temperatura e rigenera
pertanto il fi ltro.
Egr (Exaust gas
recirculation)
Il sistema Egr ha la funzione di rimuovere gli inquinanti NOx direttamente in camera di combustione,
tore, e penalizzano leggermente la
coppia. Una seconda alternativa è
rappresentata dal comando elettronico della valvola di scarico che,
una volta aperta, consente all’olio
motore di azionare idraulicamente
un pistoncino avente il compito di
abbassarla.
Il sistema di gestione elettronica del
motore evita pertanto la produzione
di elementi corrosivi associati al ricircolo esterno dei gas di scarico.
Nell’Egr esterno, i gas dal collettore di scarico sono rimandati in quello di aspirazione sfruttando la differenza di pressione tra i due creata
mediante una valvola o una strozzatura.
A seconda delle varie condizioni di
funzionamento del motore, sono
necessarie quantità differenti di ricircolo, pertanto si inserisce una
valvola di regolazione che è comandata dalla centralina. Il problema
dato dall’Egr è il conseguente aumento del particolato poiché si rimettono in camera di combustione
delle particelle che possono facilmente fungere da centri di agglomerazione per altri residui.
L’Egr Cooler
Sensore
di temperatura
diminuendone la temperatura tramite l’inserimento di parte dei gas
di scarico, che diluiscono la miscela aspirata.
La soluzione più semplice consiste
nell’aprire momentaneamente la
valvola di scarico durante la fase di
aspirazione, oppure quella di aspirazione durante la fase di scarico.
Entrambi i metodi sono ottenuti
mediante una modifica dell’albero
a camme, ma hanno lo svantaggio
di non poter essere regolati, in
quanto sono indipendenti dal carico e dal regime di rotazione del mo-
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L’Egr determina non soltanto un
aumento del consumo di combustibile e problemi di imbrattamento
delle pareti della camera, ma fa aumentare la temperatura dell’aria in
ingresso.
Infatti, nei moderni sistemi si ha un
raffreddamento con uno scambiatore Egr Cooler oppure i gas di scarico sono prelevati in una zona dell’impianto di scarico più vicina all’uscita e quindi a temperatura minore. In quest’ultimo caso si parla
di “long route Egr”.
Gli svantaggi dell’Egr Cooler sono
riconducibili alla conversione dello
zolfo del combustibile in acido solforico corrosivo.
Riduzione selettiva
catalitica Scr
Il sistema Scr (Selective Catalityc
Reduction), di recente introduzione, permette l’abbattimento degli
NOx mediante l’iniezione nel cilindro di un additivo a base di ammoniaca, contenente il 32,5% di urea.
Questo additivo è inserito mediante un iniettore simile a quello usato
nei Common rail, su comando della
centralina all’interno del catalizzatore Scr. Quando l’ammoniaca si
mescola con i gas di scarico avviene una reazione chimica, che trasforma gli ossidi di azoto in ossigeno, acqua e azoto.
Deve essere presente un serbatoio
contenente urea, che alimenta il sistema e il catalizzatore adeguatamente coibentato per evitare il congelamento dell’additivo (che avviene a – 12 °C).
La quantità di composto necessaria è stimata pari al 3-5% di consumo di gasolio del motore.
Considerazioni
Non è facile coniugare la riduzione
dei consumi (e conseguentemente
della CO2) con quella dei vari tipi di
inquinanti.
Modificare alcuni parametri può
consentire l’abbattimento di un inquinante ma allo stesso tempo aumentare l’emissione di un altro.
Un elevato ricircolo dei gas (Egr),
ad esempio, riduce notevolmente
la quantità di NO x , ma aumenta
l’emissione di particolato. Diminuire il rapporto di compressione
significa diminuire le temperature
di combustione e quindi gli NO x,
tuttavia cala anche il rendimento
termodinamico del motore e quindi aumentano i consumi di combustibile.
Occorre perciò realizzare un mix di
soluzioni che utilizzino i sistemi visti regolandoli opportunamente
tramite la centralina elettronica in
funzione di tutte le condizioni del
motore.
La centralina ha un ruolo assolutamente primario perché riceve segnali dai sensori e in funzione della mappatura (la cui defi nizione è
una procedura complicata e costosa) regola l’iniezione (quantità di
gasolio, durata e sequenza delle
iniezioni, eventuali post-iniezioni)
e parametri dei dispositivi anti-inquinamento (quantità di Egr, quantità di urea da iniettare nell’Scr,
eventuale rigenerazione del Fap,
COSA FILTRANO
Tipo
di post-trattamento
Effetti
Catalizzatore ossidante
–CO –HC
Filtro antiparticolato
Ricircolo gas di scarico
Riduzione selettiva catalitica
–PM
–NOx +PM
–NOx
posizione degli Swirl Flap, ecc.)
Sarà una bella scommessa riuscire
a mantenere bassi i consumi viste
le modifiche da apportare ai motori
per rientrare entro i limiti di emiss io n e s e m p r e p iù r e s t r i t t i v i .
Le nuove normative richiedono ai
costruttori consistenti variazioni
progettuali relative ad esempio alla
geometria del pistone, al rapporto
di compressione, alla turbolenza
nel cilindro e nei condotti di aspirazione e scarico, ecc.
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