Diesel, filtro anti-particolato: che cos'è e perché funziona davvero

I motori termici, in particolare i diesel, negli ultimi dieci anni hanno fatto passi da gigante. Fino a diventare finalmente non solo efficientissimi ma anche molto “puliti” dal punto di vista delle emissioni inquinanti. Il merito è stato di diverse tecnologie, che si sono susseguite negli anni. Dalla marmitta catalitica, al filtro anti-particolato fino ai complessi sistemi per abbattere gli NOx. Eppure si sente dire ancora che tutti questi dispositivi, in particolare il FAP, siano tutto sommato inutili. Insomma dei semplici espedienti per aggirare il ciclo di omologazione, ma che poi, nella realtà dei fatti, non aiutano veramente l'ambiente. Le cose però non stanno esattamente così, come ci ha spiegato l'Ingegner Francesco Cavallino che ha passato una vita in Fiat Auto, proprio nell'ambito delle omologazioni.

Dopo la laurea in ingegneria meccanica nel 1966 al Politecnico di Torino, l'Ing. Cavallino entra in Fiat Auto, divisione progettazione motori, dove lavora dal 1968 al 1998. Qui si occupa fin dall’inizio dei sistemi di controllo delle emissioni e assume la responsabilità delle omologazioni per l’area emissioni, prestazioni motore e consumi. Poi rappresenta Fiat Auto presso ACEA (Associazione dei Costruttori Europei) e presso la Comunità Europea. Collabora allo sviluppo dei sistemi di alimentazione, di combustione ed alla definizione dei sistemi di controllo delle emissioni. Lasciata l’attività in Fiat per limiti di età, attiva la società ZET (Zero Emission Target) per proseguire l’attività come docente al Politecnico di Torino e come consulente nelle aree di competenza.

Si dice spesso che le auto di oggi (Euro 6) siano diventate finalmente "pulite". In che misura possiamo affermare tutto questo? Facciamo un esempio concreto. Rispetto all'Euro 4 di quanto si è riusciti a contenere i peggiori inquinanti (CO, HC ed NOx)?
«I limiti Euro 4 delle vetture benzina erano considerati già «prossimi a zero» tanto è vero che Euro 5 e 6 chiedono una riduzione limitata (Fig. 1). La riduzione significativa da Euro 4 in poi in ogni caso si applica principalmente ai diesel come evidenziato sempre in fig. 1. Si cerca di definire così limiti «fuel neutral» indipendenti cioè dal tipo di alimentazione del motore»..»

Fig. 1: i motori diesel hanno fatto passi da gigante nella riduzione degli inquinanti

«Tuttavia la normativa Euro 6 introduce la misura del Numero di Particelle PN anche sulle benzina ritenendo che questo sia importante per migliorare ulteriormente la qualità dell’aria. Il limite diventa possibile poiché, nella prima decade del 2000, è stata definita la tecnica di misura che fino ad allora non esisteva, fig. 2».

Fig. 2: il complesso sistema messo a punto per determinare il numero di nano particelle nel ciclo di omologazione

Quali sono le principali tecnologie attraverso cui si sono raggiunti questi traguardi eccezionali?
«Come evidenzia la fig. 3, per i benzina, la tecnologia vincente è stata introdotta in Europa con Euro 1, 1993, quando si è deciso di imporre limiti che, per essere soddisfatti, hanno richiesto di abbandonare i carburatori ed adottare: iniezione elettronica, sonda lambda e catalizzatore a tre vie. E’ stato necessario eliminare il Piombo dalle benzine riducendo il numero di Ottano da 98 a 95. Così facendo diventa possibile mantenere la dosatura al valore stechiometrico. Il catalizzatore ha quindi la possibilità di abbattere contemporaneamente CO, HC ed NOx, cosa assolutamente unica. Con questa evoluzione tecnologica l’abbattimento delle emissioni, partendo dai valori iniziali, ha superato il 95 % (il dato si riferisce al ciclo di omologazione. Nella guida in condizioni reali però sappiamo, grazie all'inchiesta del nostro Enrico De Vita, che moltissimi costruttori escludono l'intervento della sonda lambda non appena possibile, migliorando la risposta del motore ma peggiorando la qualità della combustione, nda). I successivi interventi, fino ad Euro 6, hanno fortemente raffinato questa tecnologia iniziale rendendola anche molto affidabile. Sui benzina, da Euro 1, è stato anche introdotto il controllo delle emissioni per evaporazione e, da Euro 3, è stato aggiunto il controllo di CO ed HC con avviamento a freddo (– 7 °C). Sempre da Euro 3, sia per i benzina che per i diesel, è stata introdotta la diagnosi di bordo EOBD».

Fig. 3: i principali inquinanti dei benzina (CO, HC e NOx) sono stati eliminati drasticamente con la normativa Euro 6

E per i diesel?
«La combustione, intrinsecamente magra del diesel, fa sì che l’applicazione del catalizzatore a tre vie sia inefficace per gli NOx e quindi il suo effetto si limita alla riduzione del CO e degli HC. Il controllo degli NOx viene così affidato al miglioramento della combustione ed all’applicazione della ricircolazione dei gas di scarico (EGR). Quest’ultima è certo efficace ai bassi carichi ma non altrettanto a carichi motore più elevati».
 

Ad un certo punto, infatti, l'EGR non bastava più...
«Esattamente. A questo punto, sempre per i diesel, è diventato necessario sviluppare catalizzatori specializzati che possono essere le trappole di NOx (NOx Storage Catalyst NSC) od i Selective Reduction Catalysts (SCR) con iniezione di Urea».
 

E poi c’è il particolato…
«Oltre agli NOx il secondo problema intrinseco del diesel è rappresentato dalla iniezione diretta nella camera di combustione che, nei decenni passati, ha determinato il fumo nero misurato come opacità. Alla fine degli anni ’80, 1988 – fig. 4, è stato possibile misurare il Particolato in forma gravimetrica come PM determinando la progressione dei limiti indicata nella stessa figura».

Fig. 4: anche i diesel sono diventati estremamente "puliti"

«Come già accennato, durante il primo decennio del 2000, è stata definita, e si è resa quindi disponibile per Euro 5, una tecnica di misura molto più raffinata, fig. 2, capace di misurare il numero di particelle PN emesse al kilometro introducendo così un nuovo limite per Euro 5 ed Euro 6. Questo limite viene esteso ai benzina iniezione diretta poiché, anche in questo caso, l’iniezione avviene direttamente in camera di combustione e determina particolato».

«La figura successiva, fig. 5 classifica le particelle nelle tre famiglie fondamentali in funzione dei possibili rischi sanitari».

Fig. 5: nano particelle, ecco quanto sono pericolose per l'uomo

11. Sull'efficacia del filtro anti-particolato c'è ancora oggi molta confusione. In molti credono infatti che durante la rigenerazione del filtro le particelle intrappolate vengano rilasciate nuovamente nell'ambiente. Ma le cose stanno veramente così? Il filtro è davvero utile? O quello che viene emesso durante la rigenerazione è ben diverso da ciò che è stato originariamente intrappolato?
«La fig. 6 evidenzia come la trappola di particolato (DPF Diesel Particulate Filter) sia assolutamente efficace nella riduzione del particolato qualunque sia la sua dimensione. Si osservi che la scala delle ordinate è logaritmica. E’ quindi del tutto errato pensare che il DPF determini un maggior rilascio di nano-particelle; queste sono già presenti all’origine, senza DPF. Ciò è ormai ampiamente dimostrato da tutte le indagini sperimentali sia negli USA che in Europa. In fase di rigenerazione il DPF si comporta come se non ci fosse ma la fase di rigenerazione impegna una durata percentualmente molto limitata sulla percorrenza della vettura. La rigenerazione dura infatti non più di 10 – 15 minuti ed avviene ogni 300 – 400 km. Il DPF determina quindi un effetto realmente positivo come dimostrano ormai i costanti miglioramenti della qualità dell’aria per questo inquinante».

Fig. 6: l'efficacia inconfutabile del FAP