Come funzionano i sistemi di depurazione dei motori termici a combustione interna

Le emissioni di gas inquinanti

Le diverse normative applicabili alle emissioni dei motori a combustione interna impongono dei limiti per i gas inquinanti, che variano a seconda delle condizioni di funzionamento del motore e del tipo di carburante utilizzato (diesel, gas, idrogeno…).
Questi sistemi di depurazione hanno bisogno di temperature elevate per funzionare bene e quindi devono essere posizionati il più vicino possibile all’uscita del motore.

Per i motori diesel, le limitazioni si applicano alle seguenti sostanze inquinanti:

• Monossido di carbonio (CO)
• Idrocarburi incombusti (HC)
• Ossidi di azoto (NOx: NO, NO₂, N₂O)
• Particelle fini in massa (PM) e in numero (PN)

Le soluzioni per ridurre le emissioni di gas inquinanti

1. Catalizzatore di ossidazione: Posizionato all’inizio della linea, il più vicino possibile al motore. Tratta HC, CO e COV tramite ossidazione catalitica.
2. Filtro antiparticolato (FAP/DPF): Riduce in modo significativo le emissioni di particolato fine PM e PN tramite filtrazione attraverso pareti porose.
3. SCR: la tecnica più efficace per ridurre le emissioni di NOx. Iniezione di AdBlue a monte del catalizzatore SCR.

Sistema di depurazione in linea dello scarico di un motore diesel

1. Il catalizzatore di ossidazione

Gli inquinanti come gli HC, il CO e altri COV vengono ossidati a temperature molto elevate in H₂O e CO₂: si trattadell’ossidazione termica. Per far sì che queste reazioni avvengano a temperature più basse, si usa un catalizzatore per realizzare un’ossidazione catalitica.

La sua funzione principale è quella di trattare gli idrocarburi incombusti (HC) e il monossido di carbonio (CO), ma anche i composti organici volatili (COV), le aldeidi e altri inquinanti nocivi presenti nell’aria. È un sistema passivo che non richiede l’iniezione di additivi né rigenerazioni regolari per funzionare.

2. Il trattamento delle particelle dei motori diesel

Le particelle di fuliggine emesse dai motori diesel possono essere ridotte con diversi livelli di efficacia a seconda del sistema di post-trattamento scelto.

Il filtro aperto (POC — Particle Oxidation Catalyst)

Il POC è un sistema a «filtro aperto», a differenza del FAP che è un «filtro chiuso». Cattura e trattiene le particelle per un tempo sufficiente affinché l’ossidazione catalitica possa convertirle.

Un POC saturo garantirà sempre il passaggio dei gas di scarico, ma perderà in capacità di conversione. A differenza del FAP, non c’è il rischio che il sistema di depurazione si blocchi. Il suo substrato è in genere metallico, costituito da fogli piatti e ondulati avvolti su se stessi.

L’ossidazione delle particelle avviene grazie al NO₂ generato dal catalizzatore di ossidazione (DOC) posizionato a monte, che reagisce con le particelle di fuliggine trasformandole in prodotti gassosi.

Substrato metallico che costituisce un POC

3. SCR — Riduzione catalitica selettiva

La riduzione delle emissioni di ossidi di azoto (NOx)

Per ridurre le emissioni di NOx si usano principalmente due tecnologie:l’EGR (Exhaust Gas Recycling) e l’SCR (Selective Catalytic Reduction).

L’EGR ricicla una parte dei gas di scarico nell’aspirazione, riducendo l’apporto di ossigeno e limitando la produzione di NOx. Può essere realizzato tramite l’incrocio delle valvole (EGR interno) o tramite un circuito esterno che collega lo scarico all’aspirazione tramite una valvola EGR (EGR esterno). Sebbene efficaci, queste tecnologie non sono abbastanza efficienti per raggiungere i livelli di riduzione di NOx richiesti oggi.

L’SCR, insieme all’EGR, permette una significativa riduzione dei livelli di NOx ed è attualmente la tecnica più efficace. Una soluzione liquida di urea (AdBlue) viene iniettata nel condotto di scarico a monte dell’SCR — lì si decompone in ammoniaca sotto l’effetto del calore e entra in una reazione chimica che trasforma gli NOx in azoto (N₂), vapore acqueo (H₂O) e anidride carbonica (CO₂).

Sistema SCR

La riduzione catalitica selettiva

Il convertitore catalitico SCR è di tipo monolitico, con una struttura a nido d’ape. La reazione catalitica avviene sulle zone attive di conversione, depositate sotto forma di un sottile strato solido sul substrato. L’AdBlue è composto per il 67,5% da acqua e per il 32,5% da urea.

Le 4 reazioni di riduzione degli NOx in un sistema SCR con iniezione di urea

CO(NH₂)₂ → NH₃ + HNCO·Termolisi dell’urea
HNCO + H₂O → NH₃ + CO₂·Idrolisi dell’HNCO
4NH₃ + 4NO + O₂ → 6H₂O·Reazione SCR standard
2NH₃ + NO + NO₂ → 2N₂ + 3H₂O·Reazione SCR rapida
Punto da tenere d’occhio: un problema comune è l’oligomerizzazione e la polimerizzazione dell’HNCO in un derivato solido dell’urea che si decompone lentamente anche ad alta temperatura. Le conseguenze sono una dispersione disomogenea dell’ammoniaca e un potenziale intasamento del catalizzatore. Il sistema di iniezione deve garantire una buona omogeneità nella dispersione dell’NH₃ sulla superficie del catalizzatore.

Dati tipici per il dimensionamento di un SCR

• Portata massima dei gas (Nm³/h)
• Temperatura dei gas all’ingresso dell’SCR (°C)
• Concentrazione di NOx all’ingresso dell’SCR (mg/Nm³)
• Riduzione richiesta delle emissioni di NOx (%)
• Concentrazione massima di NH₃ in uscita (ppm)
• Perdita di carico dell’SCR (mbar)

Reazioni di riduzione catalitica selettiva in un sistema SCR