Motori e inquinamento: gli ossidi di azoto

In questi ultimi, con riferimento a quelli a iniezione diretta, a pari regime di rotazione il tempo disponibile per la formazione della miscela è notevolmente maggiore; durante il funzionamento normale essa ha infatti una durata che generalmente è dell’ordine di 180° e fondamentalmente si svolge durante la fase di aspirazione. Le cose cambiano solo quando il funzionamento avviene con modalità “lean burn”, nella quale l’iniezione ha una durata molto ridotta e si svolge all’inizio della corsa di compressione (e non certo durante l’ultima parte, come avviene nei diesel!). 

Per quanto riguarda la combustione, nei motori a gasolio non c’è un punto preciso nel quale essa inizia, per poi propagarsi con un fronte di fiamma che attraversa tutta la camera, come avviene nei motori a ciclo Otto. Nei diesel infatti si accendono più o meno contemporaneamente svariati “focolai” in diversi punti della camera e il gasolio che continua ad essere emesso dall’iniettore vaporizza e quindi brucia mano a mano che si mescola con l’aria in movimento turbinoso. 

In questi motori la miscela aria-carburante ha sempre una dosatura magra e anche nel funzionamento a pieno carico, cioè con l’acceleratore premuto a fondo, c’è sempre una notevole quantità di aria (e quindi di ossigeno) in eccesso. La formazione di una considerevole quantità di ossidi di azoto è pertanto inevitabile. L’abbattimento di questi inquinanti è tutt’altro che agevole e richiede soluzioni particolarmente sofisticate, a differenza di quanto accade nei motori a ciclo Otto, nei quali in genere è sufficiente l’impiego di un efficace catalizzatore riducente. 

Le particolari modalità con le quali il carburante si miscela con l’aria e ha luogo la combustione fan sì che localmente ci siano svariate piccole zone nelle quali l’ossigeno, che come detto è complessivamente molto abbondante, sia in realtà in difetto, ossia risulti insufficiente per una combustione completa; ciò determina la formazione di nerofumo. Ha così origine l’altro inquinante tipico dei diesel, cioè il particolato, costituito da particelle solide impregnate o circondate da idrocarburi o da prodotti intermedi della combustione. 

Gli ossidi di azoto si formano in presenza di temperature molto elevate, quando c’è ossigeno a disposizione; nei diesel quest’ultima condizione è sempre soddisfatta perché come già detto la miscela aria-carburante è magra in qualunque situazione. Per ridurre la quantità che viene emessa, si cerca di ostacolarne la formazione.

A questo fine, siccome non si può intervenire sulla dosatura della miscela, si agisce in modo da abbassare la temperatura di combustione mediante ricircolazione dei gas di scarico (EGR, ovvero "exhaust gas recirculation"). Facendo entrare nei cilindri assieme all’aria una certa quantità di gas combusti si diminuisce la quantità di ossigeno disponibile ma soprattutto si abbassa la velocità di combustione e si riduce la temperatura che viene raggiunta nella camera.

Da diversi anni a questa parte il ricorso all’EGR sui motori diesel è generalizzato. I sistemi impiegati talvolta prevedono un radiatore per ridurre la temperatura dei gas combusti che vengono inviati nei cilindri per diluire la carica; ciò consente di ottenere risultati ancora migliori, in termini di riduzione degli ossidi di azoto. Più di tanto lungo questa strada però non è possibile spingersi perché l’EGR determina un aumento del particolato…

Abbattere gli ossidi di azoto a valle, cioè dopo che sono usciti dai cilindri, nel caso dei diesel non è affatto facile. Non basta infatti una semplice marmitta catalitica riducente e anche le trivalenti sono OK solo per convertire gli idrocarburi e l’ossido di carbonio (che reagiscono con l’ossigeno presente nei gas di scarico in congrua quantità dato che la miscela aria-carburante è sempre magra). Sono pertanto stati messi a punto due sistemi differenti. Il primo, contraddistinto dalla sigla NSC, che sta per NOx Storage Catalyst, prevede l’immagazzinamento dell’ossido e il successivo rilascio con riduzione finale ad azoto gassoso. Il processo non è semplice da gestire, dato che occorre controllare con grande accuratezza i vari parametri in gioco, a cominciare dalla temperatura.

L’immagazzinamento avviene facendo reagire l’ossido di azoto con apposite sostanze disperse sotto forma di minuscole particelle nel supporto poroso, in modo da ottenere composti che si accumulano fino al momento del rilascio. Quest’ultimo avviene in maniera fortemente discontinua, in presenza di alcuni agenti riducenti e di un adatto catalizzatore, in tempi dell’ordine di alcuni secondi soltanto e con ossigeno in difetto (cioè con miscela aria-carburante momentaneamente a titolo ricco).

Il secondo sistema, noto come SCR (Selective Catalytic Reduction, ovvero riduzione catalitica selettiva), prevede l’impiego di particolari sostanze riducenti che agiscono reagendo prevalentemente con l’ossigeno presente nelle molecole di ossido di azoto e non con quello “libero”, che esce dal motore assieme ai gas combusti. L’ammoniaca (NH3) è un eccellente agente per la riduzione degli ossidi di azoto, ma è tossica. 

Nei sistemi SCR dei veicoli (largamente impiegati sugli autocarri e da qualche tempo discretamente diffusi anche in campo auto) viene pertanto utilizzata l’urea; questa sostanza è solubile in acqua e se portata a una certa temperatura si scompone, rilasciando ammoniaca. La soluzione acquosa di urea viene iniettata lungo il sistema di scarico, a monte del convertitore catalitico riducente. La riduzione degli ossidi di azoto dà luogo alla formazione di acqua e azoto gassoso.

Per avere la migliore efficienza di conversione è fondamentale ottimizzare i diversi parametri e controllare con precisione la quantità di agente riducente che viene immessa nello scarico (va dosata in funzione della percentuale di NOx presenti nei gas). Il sistema è completato da un convertitore catalitico finale la cui funzione è quella di ossidare, trasformandola in acqua e azoto, l’ammoniaca che esce dal convertitore riducente se l’urea è in eccesso rispetto a quanto necessario. Il sistema prevede una centralina di gestione, due sensori di NOx (a monte e a valle), un sensore di NH3 e almeno un sensore di temperatura. Abbattere gli ossidi di azoto, dunque, non è tanto semplice…