Corso di: Dinamica e Controllo delle Macchine Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica/Informatica A.A. 2006/2007 – II Periodo di lezione Docente: Prof. Ing. Giuseppe Cantore Emissioni Inquinanti Lucidi esposti a lezione

Parte Prima: Sistemi di Iniezione 1 PRINCIPALI INQUINANTI

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4 SONDA LAMBDA

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8 CATALIZZATORE

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Generalità:  Il particolato o “fumo nero” è costituito da particelle carboniose su cui sono depositati composti organici ad alta massa molecolare.  Dimensioni caratteristiche sono dell’ordine dei 15 – 20 nm.  La concentrazione tipica presente allo scarico può variare da 0,2 – 0,4 g/kWh per le autovetture a 1 g/kWh per autocarri  La quantità di particolato presente allo scarico varia con il rapporto A/F, in particolare aumenta vicino al valore stechiometrico (condizione operativa di pieno carico) e aumenta all’aumentare del regime di rotazione del motore.  E’ presente in questo tipo di motori a causa della non omogeneità della carica. 10 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO

Formazione:  Formazione dei nuclei precursori (soprattutto nel cuore del getto) decomposizione ad alta temperatura (1000 – 3000 K) delle molecole di combustibile in composti intermedi (acetilene e poliacetilene)  Questi nuclei iniziano a crescere per adesione superficiale di sostante povere di idrogeno arricchendo il nucleo in carbonio.  Il 90% delle particelle carboniose formatesi bruciano dando CO 2 e CO.  Al calare della temperatura le particelle carboniose si coagulano e si aggregano in particelle di dimensioni maggiori.  Dopo lo scarico dal cilindro c’è l’aggregazione di altre sostanze a base organica. 11 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO

Le analisi sperimentali dimostrano che la maggior parte di particolato si forma in corrispondenza del cuore del getto dove il rapporto A/F è localmente ricco, raggiunge il massimo 10°-20° dopo il TDC ma il 90% brucia in seguito. Il bilancio tra formazione prima e ossidazione delle particelle carboniose poi determina il contenuto finale di particolato allo sacrico. Appare evidente che il particolato sarà presente, quindi, in misura maggiore in corrispondenza di:  alti carichi (alta concentrazione di combustibile nel cuore del getto)  alti regimi di rotazione, non c’è abbastanza tempo per ossidare una quantità maggiore di particelle carboniose. 12 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO

La formazione di particolato è favorita da:  Alta massa di combustibile non mescolato con l’aria e rapporto di equivalenza ricco: o numero di cetano o Parametri dell’iniezione  portata di iniezione e sua durata.  Scarsa turbolenza  Cattiva distribuzione del combustibile (influenzata dalla geometria dei condotti e dell’iniettore.  Dalla bassa temperatura di combustione e quindi dalle perdite di calore La successiva ossidazione di particolato è favorita da:  Temperatura dei gas combusti  Quantità di O 2 disponibile  Regimi di rotazione contenuti (L’ossidazione del particolato deve avere il tempo di avvenire 13 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO

Controllo del particolato Il particolato può essere contenuto con i seguenti interventi a monte:  Utilizzo di combustibili con alto numero di cetano e buona densità e viscosità (per un migliore controllo del rapporto A/F ottimale)  Ottimizzazione della geometria dei condotti e dell’iniettore.  Adozione di alte pressioni di iniezione  Abbattimento delle crevicies  Controllo dello stato termico del motore per consentire una temperatura adeguata all’evaporazione del combustibile N.B. Gli interventi a monte per la riduzione del particolato sono relativamente semplici ma possono penalizzare le prestazioni (es. regime di rotazione) 14 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO

15 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO Posizione del Filtro antiparticolato sulla linea di scarico

Possono essere di due tipi: Monolitici estrusi a celle Sono caratterizzati da: elevata resistenza meccanica e termica bassa contropressione allo scarico (2 – 20 kPa) 16 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO Filtri antiparticolato

A fibre ceramiche avvolte Sono caratterizzati da: Ancora maggiore resistenza termica perché le fibre ceramiche che avvolgono i tubi forati si possono dilatare. Potere di accumulo leggermente più basso 17 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO Filtri antiparticolato

Con il passare del tempo si verifica un accumulo di particolato sulla superficie dei filtri. Questo determina:  Incremento dell’efficienza della filtrazione delle particelle più fini e, quindi, un decremento della permeabilità  Un incremento della contropressione allo scarico con conseguente calo delle prestazioni del motore e aumento del consumo specifico Oltre al particolato può accumularsi:  Residuo di additivi (esempio cerina per il FAP)  Solfati derivanti dall’eventuale zolfo presente nel combustibile  Ceneri derivanti dall’olio bruciato  Materiali di usura meccanica  Materiali inorganici presenti nell’aria (minerali,metalli) In conclusione, l’accumulo di queste sul filtro determina una perdita di efficienza del filtro per effetto dell’intasamento dei pori e un incremento inaccettabile della contropressione allo scarico. 18 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO Filtri antiparticolato

L’aumento della differenza di pressione rilevata dai sensori ai capi del filtro consente la sua rigenerazione (automatica oppure no). Operazione difficile senza un buon sistema di controllo elettronico. La rigenerazione del filtro può avvenire attraverso la sostituzione fisica del filtro (raro), oppure attraverso l’ossidazione del particolato intrappolato. Operazione, questa, un po’ delicata perché comporta temperature dell’ordine dei 1400 ºC invece degli usuali 400 ºC. L’avvio della rigenerazione avviene su comando della centralina e con l’ausilio di sistemi d’innesco quali bruciatori,resistenze elettriche, strozzamenti del condotto di scarico,arricchimento della miscela A/F etc. 19 MOTORI DIESEL - PARTICOLATO Filtri antiparticolato

Direttiva 98/69/EC Normativa Euro 4 entrata in vigore dal 1 Gennaio 2005  riduce le emissioni della precedente normativa Euro 3 del 2000 di circa il 50% (tranne per il CO). La Direttiva 98/69/EC ha introdotto inoltre l’obbligo di sistemi elettronici di controllo del corretto funzionamento dei sistemi di abbattimento degli inquinanti. Per la Euro 5 e successivi emendamenti si prevedono nuove restrizioni ed altri elementi inquinanti fino ad ora trascurati. NORMATIVE VIGENTI 20

L’omologazione prevede le prove su un banco dinamometrico a rulli e un sistema di misura, durante il ciclo, noto come “Constant Volume Sampling”. Ciclo Urbano (ECE) E’ costituito da 4 prove uguali di cui la prima a freddo. (V max = 50 km/h ), Bassi carichi (parzializzato),basse temperature dei gas di scarico. NORMATIVE VIGENTI – CICLI DI OMOLOGAZIONE 21

Ciclo ExtraUrbano (EUDC) E’ costituito da 1 prova. V max = 120 km/h. Alti carichi e velocità. NORMATIVE VIGENTI – CICLI DI OMOLOGAZIONE 22