Emissioni Inquinanti Propulsori Termici

5/17/2018 Emissioni Inquinanti Propulsori Termici - slidepdf.com

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Formazione e controllo degli inquinantiL’energia utilizzata dalla società

industriale è in larga parte prodotta dalla

combustione di combustibili fossili inimpianti termici.

Essi aspirano aria dall’atmosfera e vi

scaricano i prodotti della combustione

alterandone l’equilibrio naturale e dando

così luogo all’inquinamento atmosferico.

I danni all’ambiente sono prodotti sia

cambiando la concentrazione dei gascostituenti l’atmosfera, sia immettendovi

particelle e specie chimiche reattive.



Emissioni inquinanti per settori – Italia 1999

19.18%

25.53%

31.68%

2.14%

11.91%

9.55%

Industria

Traffico/motori alternativi

Generazione di potenza

Agricoltura

Residenziale

Altro



Motori a combustione internaI motori a combustione interna montati sui mezzi di trasporto

costituiscono le principali sorgenti di inquinamento atmosferico nelle

aree urbane ad intenso traffico.

Essi utilizzano combustibili costituiti da miscele di idrocarburi (CxHy) i

quali reagendo con l’aria comburente danno luogo alla formazione divapor d'acqua H2O e di anidride carbonica CO2 e, nella misura,

mediamente, dell'1-2% circa in volume, a sostanze inquinanti.



Effetti nocivi dei gas di scarico

L’anidride carbonica è un gas

normalmente presente nella

atmosfera in quanto prodotto da

numerosissimi processi

biologici. Non è tossico per

l'organismo umano ma è uno

dei principali responsabili del

cosiddetto "effetto serra",

ovvero dell'innalzamento della

temperatura media del pianeta

dovuto all'intrappolamento

all'interno dell'atmosfera stessadella radiazione solare riflessa

dalla superficie terrestre.

Anidride carbonica CO2



Inquinanti primari emessi da motori a

combustione internaLe sostanze inquinanti primarie, ossia direttamente prodotte dai motori,

sono:

- il monossido di carbonio CO;

- gli idrocarburi incombusti ed i prodotti di parziale ossidazione, indicati

sinteticamente con HC;

- il monossido d'azoto NO ed il biossido d'azoto NO2, indicatisinteticamente con NOx ;

- il biossido SO2 e il triossido di zolfo SO3, indicati sinteticamente con

SOx;

- il particolato (PM Particulate Matter), particelle solide di piccole

dimensioni costituite da un nucleo carbonioso e da una frazione

organica solubile, indicata spesso come SOF (Solubile Organic Fraction)

o VOF (Volatile Organic Fraction)



Incidenza percentuale delle emissioni da motori a combustione interna

nella Comunità Europea agli inizi degli anni ‘90

0

10

20

30

4050

60

70

80

90

100

NOx CO HC SOx Particolato

Incidenza inquinanti primari emessi da m.c.i.



Incidenza inquinanti primari emessi da m.c.i.

Serie storica - Italia 1999

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

CH4 CO CO2 N2O NOx NH3 NMVOC SOx



Le emissioni di CO2 non possono essere ridotte tramite catalizzatori od

altri dispositivi per il trattamento dei gas di scarico.

Le uniche possibilità sono le seguenti:

• riduzione della quantità di combustibile bruciato migliorando il

rendimento

• utilizzo di combustibili con ridotto contenuto di carbonio (ad esempiometano)

• utilizzo di combustibili non contenenti carbonio (ad esempio idrogeno).

Riduzione emissioni Anidride carbonica CO2



Alcuni inquinanti primari possono reagire nell’atmosfera dando luogo ad

inquinanti secondari :

- ossidi di azoto ed ossidi di zolfo sono responsabili delle cosiddette

piogge acide;

- ossidi di azoto ed idrocarburi incombusti danno luogo, sotto l’azione

catalizzatrice della radiazione solare, al cosiddetto “smog fotochimico”,

miscela di composti fortemente irritanti come ozono (O3) ed aldeidi.

Inquinanti secondari prodotti da motori a

combustione interna



Il biossido d’azoto NO2 sotto l’azione catalizzatrice della radiazione

solare si scinde in monossido d’azoto NO ed in un atomo di ossigeno,altamente reattivo:

NO 2 NO + O

Successivamente quest’ultimo reagisce con l’ossigeno presente inatmosfera, formando ozono, fortemente irritante.

O + O 2 O 3

L’ozono così formatosi, può nuovamente reagire con il monossidod’azoto, ossidandolo a biossido:

NO + O 3 NO 2 + O 2

Si raggiungerebbe quindi una condizione di equilibrio, che limiterebbe la

formazione di ozono.

Tuttavia, in presenza di idrocarburi incombusti HC, l’equilibrio suddetto

non si raggiunge, dando luogo ad un incremento della formazione di

ozono e di altri composti tossici ed irritanti, quali aldeidi eperossiacetilnitrati (PAN).

Smog fotochimico



Concentrazione degli inquinanti collegati

allo smog fotochimico nelle ore del giorno



Monossido di carbonio CO

Gas incolore ed inodore con un'affinità per l'emoglobina del sangue

notevolmente superiore a quella dell'ossigeno. Ha quindi effetti

avvelenanti, provocando dapprima intorpidimento e sonnolenza e,successivamente, la morte.

Idrocarburi incombusti HC

Gli HC sono irritanti per le mucose e tossici:- le paraffine, pressocchè inodori, hanno un effetto narcotico e

provocano una leggera irritazione delle mucose;

- gli aromatici, dall'odore caratteristico, hanno un effetto narcotico e, a

lungo termine, cancerogeno;- le olefine sono, in combinazione con gli ossidi d'azoto e la radiazione

solare, le principali responsabili dello smog fotochimico.

Tra i prodotti di parziale ossidazione, particolarmente pericolose sono

poi alcune aldeidi (formaldeide).

Effetti nocivi dei gas di scarico: CO e HC



Data la varietà di composti chimici inclusi tra gli HC, sono state

proposte scale di reattività atte ad indicare la maggiore o minore

propensione degli HC a reagire unitamente agli NOx

per dar luogo alla

formazione di smog fotochimico.

Al metano viene attribuito un grado di reattività nulla, con gradi via via

crescenti per gli altri idrocarburi e con valori massimi per alcune

olefine.

La legislazione vigente in California, ad esempio, suddivide le

emissioni di HC in due categorie: MOG (methane organic gases, non

reattivi) e NMOG (non methane organic gases, reattivi).

Idrocarburi incombusti MHC e NMHC



Ossidi d'azoto NOx

Sono altamente nocivi: in particolare il monossido d'azoto è tossico,

mentre il biossido d'azoto è fortemente irritante. Inoltre, danno luogo alla

formazione dello smog fotochimico e concorrono, con gli ossidi di zolfo,

alla formazione delle piogge acide.

Ossidi di zolfo SOx

Causano affezioni respiratorie e danno luogo alla formazione delle

piogge acide.

Particolato PMProvoca danni alle vie respiratorie ed ha effetti cancerogeni e mutageni.

Effetti nocivi dei gas di scarico: NOx, SOx e PM



Il fronte di fiamma si propaga attraverso una miscela combustibile-

comburente omogenea, formata normalmente all’esterno del cilindro.

E’ necessario che la miscela abbia una dosatura sempre prossima al

valore stechiometrico in modo da ottenere velocità di reazione e

velocità di propagazione del fronte di fiamma sufficientemente elevate.

Nel funzionamento a carico parziale occorre quindi ridurre sia la

portata di combustibile sia la portata d’aria aspirata dal motore, al fine

di mantenere la dosatura sempre prossima al valore stechiometrico.

Formazione degli inquinanti:

motori ad accensione comandata



Nei motori ad accensione comandata funzionanti con dosatura

prossima al valore stechiometrico la temperatura e la

concentrazione di ossigeno nei gas di scarico non variano in modo

marcato con il carico del motore.

N = 2000 giri/min

0

100

200

300

400

500

600

700

800

9001000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Carico pme/pmemax

T e m p e r a t u r a g a s s c a r i c o

[

° C ]

Temperatura dei gas di scarico




monossido di carbonio CO (indic. 1-2% vol., o 200 g/kg comb.)

idrocarburi incombusti HC (indic. 103 p.p.m. vol., o 20 g/kg comb.)

ossidi d'azoto NOx (indic. 103 p.p.m. vol., o 20 g/kg comb.)

Le emissioni di SOx sono invece trascurabili per il ridotto tenore di zolfo

presente nelle benzine.

Sostanze inquinanti primarie




Processi di formazione degli inquinanti – 1




Processi di formazione degli inquinanti – 2




Lo spray di combustibile, iniettato

in seno all’aria compressaall’interno del cilindro, si

autoaccende spontaneamente.

La massa di combustibile iniettata

è sempre inferiore alla quantità

stechiometrica corrispondente

alla massa d’aria presente, data

l’impossibilità di sfruttare tuttal’aria comburente presente.


motori ad accensione per compressione



Nel funzionamento a carico parziale

si riduce la sola portata di

combustibile: di conseguenza la

dosatura aumenta al diminuire del

carico (fino a raggiungere valori di

circa 5 - 6 volte il valorestechiometrico).

Temperatura e concentrazione di

ossigeno nei gas di scarico varianoquindi in modo molto marcato con

il carico del motore.

N = 2000 giri/min

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Carico pme/pmemax

[ ° C ]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

C o n c e n t r a z i o n e o s s i g e n o

g a

s s c a r i c o [ % ]

O2

T gas

Temperatura dei gas di scarico




ossidi d'azoto NOx (confrontabili o superiori alle emissioni motore Otto)

ossidi di zolfo SOx

idrocarburi incombusti HC (inferiori alle emissioni Otto ma più reattivi)

particolato PM (circa 0.2% in massa per kg di combustibile)

le emissioni di CO sono invece trascurabili dato il notevole eccesso

d’aria con cui si svolge la combustione.

Sostanze inquinanti primarie




La carica fresca, immessa tramite un’apposita pompa quando lo

stantuffo è in corrispondenza del PMI, deve espellere i gas combusti

(lavaggio).I motori 2T utilizzati nella trazione

sono normalmente a ciclo Otto, e

sono caratterizzati da:

• Elevate emissioni di HC (dovute

al lavaggio) fino a 10 volte

superiori rispetto ai 4T

• Elevate emissioni di CO

(funzionamento con miscela ricca)

• Ridotte emissioni di NOx (elevatotenore di gas residui “diluenti”)


motori a due tempi



Sono caratterizzati da piùelevate emissioni di NOx

rispetto ai motori a 2T per

il minor tenore di gas

residui dovuto al piùefficiente processo di

ricambio del fluido.


motori a quattro tempi

Influenza del sistema di alimentazione del



I motori ad accensione comandata possono essere suddivisi in:

motori a carburazione

indiretta (nei condotti di aspirazione)

motori ad iniezione

diretta ( all’interno del cilindro - GDI: gasoline

direct injection)

combustibile sulla formazione degli inquinanti:




La quantità di combustibile

necessaria per ottenere la

dosatura stechiometricaviene iniettata in ogni ciclo

tramite l’iniettore elettro-

magnetico nel condotto di

aspirazione, in base allaquantità di aria comburente

aspirata.

La sonda lambda allo

scarico consente uncontrollo in retroazione ad

anello chiuso della dosatura

(con errore inferiore all’1%).

Motori ad accensione comandata ad iniezione

indiretta



La sonda “Two-step Lambda” è basata sul principio di funzionamento di una cella

galvanica ad ossigeno con elettrolita allo stato solido. L’elettrodo esterno è

esposto ai gas combusti all’interno del condotto di scarico, mentre quello interno è

posto in comunicazione con l’atmosfera da appositi condotti.

Quando il motore è alimentato condosatura ricca, i due elettrodi si

trovano affacciati in due ambienti

aventi pressione parziale dell’ossi-

geno molto diversa: tra i due

elettrodi si genera una differenza dipotenziale di circa 800-900 mV.

Quando invece il motore è

alimentato con dosatura povera, la

concentrazione di ossigeno allo

scarico è confrontabile con quella

dell’ambiente di riferimento e la

differenza di potenziale tra gli

elettrodi si riduce a poche decine

di mV.

Sonda Lambda - 1



La tensione misurata ai capi degli elettrodi

presenta un andamento a gradino, con un

livello alto in corrispondenza delle dosature

ricche, ed un livello basso nel campo delledosature povere, con una brusca transizione

tra i due livelli in corrispondenza del valore

stechiometrico.

Il segnale di tensione della sonda è inviato

alla centralina di controllo del sistema dialimentazione e confrontato con un livello di

tensione di riferimento (circa 400 mV); la

quantità di combustibile iniettata è,

incrementata se V <Vrif ., ridotta se V >Vrif , inmodo da mantenere la dosatura sempre in

corrispondenza del valore stechiometrico

necessario per il corretto funzionamento del

catalizzatore.

Sonda Lambda - 2



Si effettua la stratificazione della

carica, concentrando il

carburante in prossimità dellacandela: si realizza localmente

una dosatura prossima alla

stechiometrica con buona

velocità di propagazione di

fiamma.

La quantità d’aria aspirata dal

motore ai carichi parziali non

viene variata tramite la farfalla.

I meccanismi di formazione degliinquinanti sono modificati e

possono aversi anche emissioni

di particolato.

Motori ad accensione comandata ad iniezione

diretta



I motori ad accensione per compressione possono essere suddivisi in:

motori ad iniezione diretta ( gasolio iniettato direttamente

all’interno della camera di

combustione)

motori ad iniezione in precamera (gasolio iniettato all’interno di

una precamera collegata alla

camera di combustioneprincipale tramite un ugello)

Influenza del sistema di alimentazione del

combustibile sulla formazione degli inquinanti:motori ad accensione per compressione



Tali motori sono

caratterizzati da:• elevati rendimenti

( 0.4), con conseguenti

ridotte emissioni di CO2.

• elevate emissioni di

NOx e particolato

(superiori rispetto ai

Diesel con iniezione inprecamera)

Motori ad accensione per compressione ad

iniezione diretta



Presentano rendimentimeno elevati rispetto ai

Diesel ad iniezione diretta,

ma anche emissioni di NOx

e particolato più contenute.

Motori ad accensione per compressione ad

iniezione indiretta



Il CO formatosi viene poi ossidato a CO2 principalmente secondo la

reazione:

CO + OH CO2 + H

La reazione di ossidazione del CO è relativamente bassa rispetto a quella

di formazione del CO. In pratica, le concentrazioni di CO trovate allo

scarico dei motori sono più basse dei massimi valori misurati all’interno

della camera di combustione, ma sensibilmente più alti dei valori di

equilibrio corrispondenti alle condizioni di scarico.

Questo significa che il fenomeno è controllato dalla cinetica chimica di

reazioni tipo quelle descritte, ma la rapida diminuzione di temperatura

nella fase di espansione ne provoca il “congelamento”, impedendol’ulteriore ossidazione del CO.

Meccanismi di formazione degli inquinanti : CO


Nelle fiamme premiscelate il CO si forma rapidamente durante la

combustione degli idrocarburi, secondo lo schema:

RH (idrocarburi)→ R (radicali)→ RO2 (perossidi)→

→ RCHO (aldeidi)→ RCO (chetoni)→ CO

Di d d ll di i i di f i t CO



La concentrazione di CO è essenzialmente determinata dalla dosatura,

con valori rapidamente crescenti nel campo delle miscele ricche

(l’ossigeno presente è infatti insufficiente ad ossidare a CO2

tutto il CO

formatosi), mentre non è influenzata in misura apprezzabile dall’anticipo

di accensione.

La presenza di piccole concentrazioni di CO nel campo delle dosature

stechiometriche o leggermente povere è imputabile essenzialmente siaa fenomeni di dissociazione sia all’ossidazione tardiva di alcuni degli

HC “intrappolati” negli interstizi o nel film d’olio lubrificante.

Risultano pertanto critiche le condizioni di funzionamento con miscela

ricca (avviamento a freddo, transitori di accelerazione, pienaammissione), nonchè le eventuali disuniformità di dosatura tra cilindro e

cilindro (l'incremento di emissioni dovuto ai cilindri più ricchi della

media non è compensato dalla riduzione di emissioni da parte dei

cilindri più poveri).

Dipendenza dalle condizioni di funzionamento: CO


m ss on nqu nant pr mar n unz one e adosatura



dosatura


M i i di f i d li i i ti NO



Fra gli ossidi di azoto NOx scaricati, il monossido si trova in

percentuale nettamente predominante (98-99% circa), derivando

dall’ossidazione dell’azoto presente nell’aria, secondo il

meccanismo (Zeldovich):

O + N2 NO + N ; N + O2 NO + O ; N + OH NO + H

Esso presuppone la dissociazione delle molecole di N2 ed O2 in

atomi, in seguito alle elevate temperature raggiunte dai gas nellazona di reazione del fronte di fiamma, ma soprattutto da quelli

appena bruciati.

Durante la fase di espansione le reazioni di distruzione dell’NO

(reazioni verso sinistra) sono congelate dalla rapida diminuzione ditemperatura.

La concentrazione di NOx dipende in definitiva da due fattori:

- i valori massimi di temperatura raggiunti;

- il contenuto di ossigeno della miscela di alimentazione.

Meccanismi di formazione degli inquinanti: NOx


Di d d ll di i i di f i t NO



Dipendenza dalla dosatura

La concentrazione di NOx dipende sia dalla temperatura (valore

massimo raggiunto per valori leggermente ricchi della miscela ( 1,1)),sia dalla concentrazione di ossigeno: il massimo di concentrazione di

NOx si ottiene con miscele povere, in corrispondenza di valori di

dosatura 1.05 st.

Dipendenza dall’anticipo di accensioneAl crescere dell'anticipo, aumenta la temperatura massima raggiunta

durante il ciclo ed aumentano quindi le emissioni di NOx.

Dipendenza dal tenore di gas residuiLa presenza di gas combusti residui del ciclo precedente contribuisce a

ridurre la temperatura massima, dal momento che tali gas si

comportano come diluenti; il tenore dei gas residui può essere

aumentato, al fine di contenere le emissioni di NOx, con i dispositivi

EGR (exhaust gas recycle).

Dipendenza dalle condizioni di funzionamento: NOx


Emissioni NOx in funzione dell’anticipo



p


Dispositivo per il ricircolo dei gas combusti



La carica fresca è diluita con parte

dei gas combusti, che

costituiscono una miscelapraticamente inerte. Si ottiene il

risultato di abbassare la

temperatura massima di

combustione. Con questa tecnicaè possibile ottenere sostanziali

riduzioni della concentrazione di

NO ricircolando in aspirazione

fino al 15 – 25 % di gas combusti,

valori massimi che il motore può

tollerare, ai carichi parziali, senza

che il suo funzionamento diventi

eccessivamente irregolare.

Dispositivo per il ricircolo dei gas combusti


Emissioni NOx in funzione della % EGR




Meccanismi di formazione degli inquinanti: HC 1



Frazioni della carica intrappolate negli interstizi

Durante la compressione, al crescere della pressione, parte della

carica viene forzata ad entrare negli interstizi della camera dicombustione (ad es. nel volume compreso tra canna, stantuffo e

segmenti, nel volume compreso tra testata, guarnizione e cilindro),

ossia in zone in cui la fiamma non riesce a propagarsi: nel corso

della fase di espansione, al diminuire della pressione, tali frazionipossono rifluire verso la camera ed ossidarsi in modo incompleto.

Frazioni della carica assorbite dal film d’olio lubrificante

Parte della carica può essere assorbita dal film d’olio lubrificantepresente sulle pareti del cilindro, in quanto i vapori di combustibile

passano in soluzione nel film d’olio al crescere della pressione

durante la compressione e vengono poi rilasciati durante

l'espansione, quando la loro pressione parziale si abbassanotevolmente, ma possono allora ossidarsi soltanto in modo

incompleto.

Meccanismi di formazione degli inquinanti: HC – 1





Spegnimento all'interno della carica

Quando il fronte di fiamma incontra, a causa dell'inevitabile

disomogeneità della miscela, zone con dosatura molto povera o conelevato tenore di gas residui, la sua velocità di propagazione può

annullarsi, lasciando così, all'interno della carica, sacche di gas

totalmente o parzialmente incombusti. Qualora sia la miscela che si

trova in prossimità degli elettrodi della candela ad essere inadatta alpropagarsi della fiamma, possono verificarsi vere e proprie mancate

accensioni dell'intera carica (misfiring).

Strato di spegnimento a parete

Durante la combustione la fiamma si spegne in prossimità delle

pareti della camera, a causa del raffreddamento della miscela

combustibile-comburente da parte delle pareti stesse.

Meccanismi di formazione degli inquinanti: HC 2





Gli idrocarburi incombusti formatisi secondo i meccanismi

precedentemente elencati possono ossidarsi parzialmente venendo in

contatto con i gas combusti ad alta temperatura all’interno del cilindro

nel corso delle fasi finali dell’espansione e durante lo scarico.

L’ossidazione può poi procedere anche nel primo tratto del condotto di

scarico (sono comunque necessarie temperature superiori ai 600°C e

tempi di residenza superiori ai 50 ms).

Circa il 50% degli HC emessi è costituito da idrocarburi incombusti,

mentre la frazione restante è costituita da prodotti di parziale

ossidazione e di pirolisi. La composizione degli HC dipende dalle

caratteristiche del combustibile di partenza:• carburanti con elevato tenore di olefine ed aromatici tendono a dare

HC particolarmente reattivi

• carburanti come il metano tendono a dar luogo alla formazione di

HC poco reattivi

• carburanti contenenti composti ossigenati (alcoli, eteri) tendono ad

incrementare le emissioni di aldeidi

g q


Dipendenza dalle condizioni di funzionamento: HC




La concentrazione degli HC è particolarmente elevata sia nel campo delle

miscele ricche (ove, tra le cause di formazione, sono prevalenti lo

spegnimento a parete, l'intrappolamento di parte della carica negliinterstizi e nel film d’olio lubrificante), sia nel campo delle miscele magre

(dove predominano lo spegnimento all’interno della carica e le mancate

accensioni), mentre è minima per valori di dosatura 1.15 st.

Dipendenza dall’anticipo di accensione

L’aumento dell’anticipo comporta generalmente un incremento degli HC:

con bassi valori di anticipo si hanno pressioni e temperature più elevate

durante la fase finale dell'espansione in cui avviene l’ossidazione degliHC che non hanno partecipato in precedenza alla combustione perchè

intrappolati nello strato di spegnimento o negli interstizi. Con dosature

magre la tendenza può cambiare: difatti al crescere della dosatura, la

velocità di avanzamento del fronte di fiamma diminuisce e con anticipitroppo bassi si possono raggiungere condizioni di combustione

incompleta o di misfiring.


Emissioni in funzione dell’anticipo di accensione



Emissioni in funzione dell anticipo di accensione


Controllo delle emissioni inquinanti:



Controllo delle emissioni inquinanti:motori ad accensione comandata

Per ridurre le emissioni inquinanti si seguono due direttive, l’una intesa a

prevenire la formazione, l’altra a eliminarli dopo che si sono formati e

prima di immetterli nell’atmosfera.

Per la prevenzione della formazione si può:

-intervenire sulla qualità del combustibile;

-intervenire sul sistema di alimentazione del combustibile;

-Intervenire sul processo di combustione

Allo stato attuale tali interventi, pur contribuendo in modo significativo

alla riduzione delle emissioni, non consentono tuttavia di raggiungere i

livelli previsti dalle normative vigenti.

Per l’ulteriore abbattimento delle emissioni si ricorre a:

-trattamento catalitico dei gas di scarico;

Intervento sulla qualità del combustibile – 1



L‘utilizzo di dispositivi di tipo catalitico per il trattamento dei gas di

scarico ha determinato una drastica riduzione del contenuto di

piombo nelle benzine. E’ stato quindi necessario aumentare laresistenza alla detonazione delle benzine sia modificando la

composizione delle benzine in sede di raffinazione, aumentando il

contenuto di idrocarburi a catena chiusa o ramificata, sia mediante

addizione di sostanze dotate di elevate qualità indetonanti, qualialcuni alcoli (metanolo ed etanolo) ed eteri (MTBE, ETBE).

Per contro, tali interventi possono portare ad emissioni di

idrocarburi incombusti particolarmente reattivi o tossici: l’aumento

del tenore di aromatici può incrementare le emissioni di compostialtamente tossici, mentre l’utilizzo nelle benzine di percentuali

rilevanti di composti ossigenati, soprattutto alcoli, può incrementare

notevolmente le emissioni di aldeidi.

Intervento sulla qualità del combustibile 1





Tra gli interventi attuati sui combustibili ricordiamo:

Miglioramento del processo di raffinazione dei carburanti

Lo scopo è quello di ottenere buone qualità indetonanti, riducendo alcontempo il contenuto di idrocarburi particolarmente reattivi per

quanto concerne la formazione di smog fotochimico o tossici (ad

es., riduzione del tenore di aromatici e di benzene).

Eliminazione dello zolfo

Attualmente il contenuto di zolfo delle benzine è estremamente

ridotto e le emissioni di ossidi di zolfo da motori ad accensione

comandata possono ritenersi trascurabili.





Utilizzo di combustibili alternativi

Tra i possibili combustibili alternativi per i motori ad accensione

comandata, il più importante è senz’altro il gas naturale (CNG -

Compressed Natural Gas), costituito prevalentemente da metano. I

principali vantaggi in termini di emissioni sono i seguenti:

• Riduzione emissioni CO2 (grazie all’elevato rapporto H/C ed al più

elevato rendimento raggiungibile in virtù dei più elevati rapporti di

compressione consentiti dall’alto numero di ottano)• Riduzione emissioni idrocarburi reattivi fino al 90%

• Possibili riduzione emissioni CO (grazie ai minori arricchimenti

richiesti nei transitori)

Per contro, l’utilizzo del metano può portare ad incrementi delle emissioni

di NOx data la necessità di aumentare l’anticipo di accensione a causa

della minor velocità di propagazione del fronte di fiamma, e può richiedere

l’uso di catalizzatori specifici, data la difficoltà di realizzare l’ossidazionedegli idrocarburi metanici, scarsamente reattivi, da parte dei catalizzatori

tradizionali.


Confronto emissioni benzina –metano





Interventi sul sistema di alimentazione del

combustibile



Il sistema di alimentazione del combustibile può contribuire alla

riduzione delle emissioni emesse dal motore applicando le seguenti

strategie:

- riduzione dell'arricchimento necessario in condizioni di avviamento

a freddo, di funzionamento al minimo, di transitori di accelerazione.

- utilizzo della funzione di cut-off per ridurre gli HC in fase di rilascio.

- riduzione delle disuniformità di dosatura tra cilindro e cilindro per

ridurre le emissioni di CO

combustibile


Interventi sul processo di combustione – 1



La soluzione più recente è l’impiego dell’iniezione diretta di benzina

(GDI) che, con una opportuna geometria della camera, consente di

realizzare ai carichi parziali una stratificazione della carica,concentrando il carburante in prossimità della candela in modo da

creare localmente una dosatura circa stechiometrica con buona

propagazione di fiamma.

I meccanismi di formazione degli inquinanti si modificano

sostanzialmente rispetto al caso tradizionale di carica omogenea.






L’iniezione diretta in camera nei motori ad accensione comandata

comporta:

- la riduzione del consumo di combustibile ai carichi parziali ( 20%)ed al minimo ( 35%), con conseguente riduzione delle emissioni di

CO2;

- la formazione di HC dovuta all’intrappolamento della carica negli

interstizi e nel velo di lubrificante può essere ridotta drasticamente

dalla stratificazione della carica, tuttavia l’iniezione del combustibile

in fase di compressione avanzata ai carichi parziali ed al minimo può

causare un sostanziale incremento delle emissioni specifiche HC, a

causa dei ridotti tempi disponibili per l’evaporazione delle gocce e

per il miscelamento aria-combustibile;- i ridotti tempi disponibili per l’evaporazione delle gocce possono

causare l’insorgere di apprezzabili emissioni di particolato;

- le emissioni di NOx possono essere ridotte marcatamente ai carichi

parziali ( 20-50%) anche grazie alla possibilità di utilizzare piùelevate percentuali di EGR.





La stratificazione della carica comporta uno studio “ad hoc” del

sistema catalitico per il trattamento dei gas di scarico: è

necessario difatti ridurre gli NOx in un ambiente fortementeossidante, poiché ai carichi parziali questi motori possono

raggiungere rapporti aria/combustibile pari a 2 o 3 volte il valore

stechiometrico.

Ulteriori difficoltà possono derivare dalla bassa temperatura dei

gas di scarico, sensibilmente inferiore rispetto ai motori a carica

omogenea dato il forte eccesso di aria.


Trattamento catalitico dei gas di scarico




Per soddisfare i livelli di emissioni previsti dalle normative vigenti è

necessario intervenire sui gas combusti, a valle della formazione degli

inquinanti.

Per l’ossidazione di HC e CO potrebbero essere impiegati sistemitermici (postcombustione omogenea in reattori termici), che richiedono

temperature superiori ai 600° - 700 °C, nonché l’iniezione di aria allo

scarico nel caso in cui il motore sia alimentato con miscela ricca.

Per la riduzione degli NOx l’unica possibilità è rappresentata dall’uso disistemi catalitici.

Si ricorrere ad un trattamento catalitico - che consente di ottenere

buone efficienze già al di sopra dei 250° - 300° C - sia per la riduzione

degli NOx sia per l’ossidazione di HC e CO.

Per ottenere simultaneamente elevate efficienze di conversione sia per i

processi di riduzione, sia per i processi di ossidazione si ricorre al

catalizzatore trivalente, che però richiede di mantenere la dosatura, con

scarti inferiori all’1%, nell’intorno del valore stechiometrico.


Sistemi cataliticimotori ad accensione comandata



Evoluzione storica sistemi catalitici

Efficienza catalizzatore a tre vie al

variare della dosatura

Catalizzatore a tre vie



http://slidepdf.com/reader/full/emissioni-inquinanti-propulsori-termici 57/80Meccanismi di formazione degli inquinanti




Il processo di formazione delle

emissioni nei motori ad

accensione per compressionefortemente influenzato dalla

disomogeneità della carica, dovuta

alla distribuzione di combustibil

in seno all’aria continuamentevariabile nel tempo.

La combustione avviene pe

accensione di uno spray di

combustibile iniettato in camera di

combustione: ne risulta che le

emissioni dei motori Diesel a

precamera rispetto alle emissioni

dei motori Diesel ad iniezione

diretta sono notevolmente diverse.

Meccanismo di formazione degli inquinanti durante la

b ti d ll di ti d l tt



combustione delle diverse parti del getto


Zona A: prodotti di

ossidazione parziale

Zona B: prodotti di completa

combustione

Zona C: prodotti di completaossidazione ed NOx a carico

parziale; prodotti di

ossidazione incompleta e

particolato a pieno caricoZona D: prodotti di

ossidazione incompleta e

particolato

Confronto emissioni NO, HC motore Diesel



,

iniezione diretta ed indirettaI Diesel a precamera (IDI)

tendono ad emettere HC inferiori

rispetto ai motori DI, con scarsadipendenza dal carico. La

miscela aria-combustibile si

ossida parzialmente in

precamera e con il passaggionella camera principale gli HC e

CO trovano ossigeno per la loro

ossidazione.

I Diesel a precamera presentanoNOx più bassi perchè si ha

miscela ricca in precamera (dove

la temperatura è elevata) mentre

in camera principale i livelli ditemperatura sono inferiori.

Meccanismo di formazione degli inquinanti: Nox





Lo spray è internamente costituito da un nucleo compatto con dosatura

talmente bassa da inibire la formazione degli ossidi, mentre le frazioni

periferiche della carica possono autoaccendersi in condizioni

favorevoli alla formazione degli NOx (elevate temperature, elevateconcentrazioni di ossigeno, tempi di permanenza sufficientemente

lunghi); gli ossidi così formatisi vengono poi "congelati" dal rapido

abbassamento di temperatura derivante dal miscelamento col resto

della carica e dall'espansione.Gli NOx costituiscono il principale inquinante emesso dai motori ad

accensione per compressione (con percentuali di NOx pari al 10-20%

del totale).

Nei motori Diesel a precamera, le emissioni di NOx sono inferiori

rispetto ai valori riscontrati nei motori ad iniezione diretta, poichè nella

precamera, dove le temperature sono elevate, scarseggia l'ossigeno,

mentre nella camera di combustione principale le temperature, nella

successiva fase di combustione, sono a livelli inferiori.

Dipendenza dalle condizioni di funzionamento: NO

t i d i i





Al crescere del carico (e quindi al diminuire della dosatura), gli NOx

tendono ad aumentare, dal momento che aumentano sia le temperature sia

l’estensione delle zone in cui si trovano concentrazioni di ossigenoprossime ai valori stechiometrici.

Al diminuire del carico le emissioni di NOx decrescono ma in modo ridotto

poichè continuano ad essere presenti zone periferiche del getto con

dosature di poco superiori al valore stechiometrico, e quindi idonee allaformazione di ossidi d’azoto.

Dipendenza dall’anticipo di iniezione

Le emissioni di NOx sono estremamente sensibili all'anticipo di iniezione,

con un notevole incremento all’aumentare dell'anticipo (al cresceredell'anticipo aumentano la pressione e la temperatura massime).

Dipendenza dal tenore di gas residui

La presenza di gas combusti residui del ciclo precedente contribuisce aridurre la temperatura massima, dal momento che tali gas si comportano

come diluenti; quindi l’ EGR è molto efficace per l’abbattimento degli NOx.

Meccanismo di formazione degli inquinanti: HC

t i d i i




La composizione degli HC emessi dai motori Diesel è complessa e copre

un intervallo di pesi molecolari esteso (per il maggior contenuto di

frazioni altobollenti del gasolio).

Per la misura sperimentale degli HC si effettua un prelievo con lineariscaldata a 190°C, previo filtraggio per eliminare le particelle solide.

Pertanto, poichè una frazione consistente degli idrocarburi incombusti

resta allo stato liquido, adsorbita a nuclei carboniosi, essa viene

computata come emissione di particelle solide (particolato).

Gli HC si formano essenzialmente:

- All'estrema periferia dello spray, dove la fiamma, originatasi in

corrispondenza dei nuclei di accensione, non riesce a propagarsi per labassa concentrazione di combustibile e possono verificarsi quindi

un'ossidazione parziale ed il cracking termico del combustibile.

- Nella zona centrale del getto, ove le ultime gocce iniettate non trovano

più ossigeno sufficiente per bruciare completamente.

Influenza geometria polverizzatore sulle

emissioni di HC




Riducendo il volume del

pozzetto dell’iniettore,sottostante la tenuta dello

spillo, si ottiene una sensibile

diminuzione dell’emissione di

HC, da parte di un motore adaccensione per

compressione di medio

alesaggio per applicazioni

marine, con unabbassamento molto

modesto del consumo di

combustibile.







Le emissioni di HC sono estremamente sensibili al carico del motore: in

particolare, il funzionamento al minimo o a carichi ridotti portageneralmente ad emissioni nettamente superiori rispetto ai valori

registrati in condizioni di pieno carico.


Notevole è anche la dipendenza delle emissioni di HC dall'anticipo di

iniezione, con un marcato aumento al diminuire dell’anticipo stesso, al

contrario di quanto avviene per gli NOx: è necessario pertanto ricercare

un valore ottimale dell'istante di inizio mandata, che consenta di

contenere entro livelli accettabili entrambe le emissioni inquinanti.

Meccanismo di formazione degli inquinanti: PM –1




Il Particolato PM è costituito dall’insieme delle particelle solide di tipo

carbonioso (SOOT), formatesi durante il processo di combustione, e dai

composti organici ad alto peso molecolare, ad esse adsorbite (SolubileOrganic Fraction SOF), insieme che viene portato in sospensione dai gas

di scarico.

La composizione del particolato dipende dalle caratteristiche del motoree del combustibile utilizzato, ma anche dal sistema di prelievo e di

misura impiegato (temperatura di prelievo). Le norme prescrivono che il

prelievo dei gas da analizzare venga effettuato all’interno di un tunnel di

diluizione, in cui i gas vengono miscelati con aria ambiente per simulareil processo di diluizione che si ha nell’atmosfera ed impedire la

formazione di condensa del vapor acqueo: poiché la temperatura a cui si

effettua il prelievo è pari a circa 50°C, l’aliquota SOF è rilevante.

Meccanismo di formazione degli inquinanti: PM –2




Il Particolato si forma essenzialmente in corrispondenza delle zone

centrali del getto, dove il combustibile iniettato ha difficoltà a trovarecomburente in quantità adeguata: successivamente, grazie al

miscelamento con l’aria, buona parte delle particelle carboniose

formatesi possono ossidarsi (tale processo avviene in modo

particolarmente efficace nei motori a precamera, data la maggior turbolenza).

Inoltre, nei condotti di scarico e nel tunnel di diluizione, al diminuire

della temperatura sulle particelle carboniose condensano idrocarburi

incombusti ad alto peso molecolare e solfati.

Dipendenza dalle condizioni di funzionamento: PM





Le emissioni di particolato sono estremamente sensibili al carico del

motore e manifestano un incremento marcato al crescere del carico(ovvero al diminuire della dosatura).


Si osserva un marcato aumento delle emissioni di particolato al diminuiredell’anticipo di iniezione, al contrario di quanto avviene per gli NOx: è

necessario pertanto ricercare un valore ottimale dell'istante di inizio

mandata, che consenta di contenere entro livelli accettabili entrambe le

emissioni inquinanti.Notevoli miglioramenti possono ottenersi con l’uso di iniezioni multiple

nell’ambito del medesimo ciclo, possibile nei sistemi ad iniezione diretta

“common rail”.

Controllo delle emissioni inquinanti:motori ad accensione per compressione




Per la prevenzione della formazione si può:

-intervenire sulla qualità del combustibile;

-intervenire sul motore.

Allo stato attuale tali interventi, pur contribuendo in modo significativo

alla riduzione delle emissioni, non consentono tuttavia di raggiungere i

livelli previsti dalle normative vigenti.

Per l’ulteriore abbattimento delle emissioni si ricorrere a:

-trattamento catalitico dei gas di scarico;




motori ad accensione per compressioneRiduzione dello zolfo

Riducendo il tenore di zolfo possono essere ridotte le emissioni di SOx e

di particolato: inoltre la riduzione del tenore di zolfo consente l’utilizzo di

catalizzatori operanti a temperature superiori ai 350°C senza aumentarela formazione di solfati per ossidazione dell’ SO2.

Riduzione del tenore di aromatici

Riducendo il tenore di aromatici possono essere ridotte le emissioni di

particolato, nonché la tossicità della frazione SOF: inoltre la riduzione

del tenore di aromatici porta ad un miglioramento delle caratteristiche di

accendibilità (ovvero ad un più elevato numero di cetano), portando ad

una riduzione degli ossidi di azoto.

Riduzione frazioni altobollenti

Riducendo le frazioni altobollenti possono essere ridotte le emissioni di

particolato, soprattutto per la frazione SOF.




motori ad accensione per compressioneUso di combustibili alternativi

Particolarmente interessanti appaiono gli esteri di olii vegetali, quali ad

esempio il metilestere di olio di colza (indicato spesso come RME, “RapeSeed MethylEster” o biodiesel), che presentano i seguenti vantaggi per

quanto concerne le emissioni:

- riduzione emissioni CO2, come tutti i combustibili di origine vegetale

- assenza di solfati, data l’assenza di zolfo nel combustibile

- riduzione potenziale mutageno HC e SOF data l’assenza di composti

aromatici nel combustibile

Per contro possono dar luogo ad inconvenienti, quali l’aumento delle

emissioni di aldeidi, diluizione del lubrificante, imbrattamento degli

iniettori.

Intervento sul motore – 1




utilizzo di sistemi di iniezione ad alta pressioneSistemi tipo “common rail” o iniettore-pompa (p > 1000 bar) consentono

ottenere un’ottima polverizzazione del getto riducendo sia NOx s

particolato. Inoltre la possibilità di realizzare più iniezioni nel medesimo cic

consente di ottenere ulteriori miglioramenti, anche dal punto di vista del

gestione del catalizzatore.

utilizzo di sistemi di ricircolo dei gas di scarico (EGR)

Consentono di ottenere consistenti riduzioni di NOx.

utilizzo della sovralimentazione con interrefrigerazioneLa sovralimentazione, causando un aumento della pressione e del

temperatura all’atto dell’iniezione, favorisce l’autoaccensione d

combustibile, contribuendo a ridurre HC e particolato.

L’interrefrigerazione consente inoltre di ridurre le emissioni di NOx.

impiego di camere di combustione ad alta turbolenza

Incrementando la turbolenza in camera, tramite un opportuno disegno della

camera stessa e dei condotti di aspirazione è possibile ottenere un più

efficace miscelamento del getto con l’aria ed una consistente riduzione di

particolato ed HC.

Sistema Unijet e Multijet Fiat


http://slidepdf.com/reader/full/emissioni-inquinanti-propulsori-termici 73/80Emissioni in funzione della strategia di iniezione



Trattamento catalitico dei gas di scarico





Per raggiungere i livelli di emissioni previsti dalle normative vigenti è

necessario il ricorso ad interventi a valle della formazione di inquinanti.

Tali interventi devono essere mirati essenzialmente all’abbattimento del

particolato, degli idrocarburi incombusti e degli ossidi d’azoto.

L’estensione ai motori ad accensione per compressione dei convertitori

catalitici incontra qualche difficoltà a causa dell’alimentazioneglobalmente povera, della presenza di zolfo e delle basse temperature

(200 300 °C) dei gas allo scarico. Gli ultimi due fattori riducono l’efficacia

delle marmitte catalitiche ossidanti, con cui si cerca di abbattere HC e

PM.Più difficile l’utilizzo di convertitori con azione contemporaneamente

ossidante e riducente, per trattare NOx ed HC allo scarico del motore,

perchè richiederebbe un’alimentazione del motore molto prossima al

valore stechiometrico.

Trappole per il filtraggio dei gas combusti



motori ad accensione per compressioneAttualmente la “trappola” è forse il

sistema più efficace per il

controllo del particolato. Essa

agisce da barriera meccanica per

il passaggio delle particelle. Si

tratta di un filtro capace di

sopportare elevate temperature,

che trattiene il particolato portatoin sospensione dai gas di scarico

e viene ad intermittenza pulito,

ossidando le particelle carboniose

accumulate.

I filtri più diffusi sono quelli

ceramici: monolitici a celle ed a

fibre avvolte.

Trappola monolitica a nido d’ape

Strategia di rigenerazione del filtro del

particolato (CRF)



p ( )

Previsioni riduzione emissioni CRF





Richiami sui principali idrocarburi



AlkiliciParaffine (alkanes): CnH2n+2 idrocarburo a catena aperta con legame

singolo

Cicloparaffine o nafteni (cyclanes): CnH2n idrocarburo non saturo ad anello

chiuso privo di doppi legami

Olefine (alkenes): CnH2n idrocarburo a catena aperta contenente un doppio

legame, e quindi insaturi

Acetilenici (alkines): CnH2n-2 idrocarburo non saturo a catena aperta contriplo legame

AromaticiCnH2n-6 Elemento caratterizzante è il benzene, con struttura ad anello e tre

doppi legami. Struttura particolarmente stabile che può accomodareulteriori gruppi –CH2 (es. C6H6, C7H8, ..) nella ramificazione esterna

all’anello.

Alcoli

CnH2n+1OH Un atomo di idrogeno è sostituito da un gruppo ossidrile(es. CH3OH, alcol metilico o metanolo)

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