Abbattimento degli inquinanti, come intervenire per ridurre le emissioni?

In questo articolo precedente abbiamo parlato di quali sono le principali sostanze inquinanti contenute nei gas di scarico dei motori endotermici. Per via della loro pericolosità, l’Unione Europea sta lavorando per ridurre la quantità di emissioni nocive nell’aria, varando provvedimenti attuati poi dai singoli Paesi. Gli standard europei sulle emissioni inquinanti per veicoli stradali (identificati con la sigla EURO seguita da un numero) sono stati introdotti a partire dagli anni ’90 e sono caratterizzati da limiti sempre più stringenti al crescere del numero della normativa. In sede europea sono già state gettate le basi per le nuove omologazioni EURO 7, ma per via delle critiche da parte delle case automobilistiche, la nuova normativa entrerà in vigore non prima del 2025, con possibili ritardi fino al 2026. Attualmente quindi le immatricolazioni a partire dall'1 gennaio 2021 devono rispondere alla norma Euro 6d-ISC-FCM.

Andiamo allora a vedere quali sono le misure che i progettisti possono mettere in atto per limitare le emissioni e rispettare gli standard di omologazione. Innanzitutto si cerca di agire sui principali parametri motoristici che influenzano la quantità di sostanze nocive allo scarico.

La dosatura

In ambito motoristico con il termine ‘dosatura’ si intende il rapporto tra la massa di aria e la massa di carburante presente in camera di combustione. Nei motori a benzina, per avere una combustione ottimale, tale rapporto deve essere circa 14,7. Ovvero ci devono essere circa 15 parti di aria per ogni parte di benzina. Quando siamo in tale condizione, la dosatura viene detta ‘stechiometrica’. Ritornando alle emissioni, purtroppo non esiste un valore ottimale della dosatura che minimizzi tutti gli inquinanti. Nella situazione migliore (ovvero quella di dosatura ‘stechiometrica’), si abbattono le emissioni di monossido di carbonio (CO) e di idrocarburi incombusti (HC) ma si ha il massimo per quanto riguarda le emissioni di ossidi di azoto (NO x ).

La fasatura

Con tale termine si intendono gli istanti nei quali in un motore a quattro tempi si aprono e si chiudono le valvole di aspirazione e scarico. La fasatura gioca un ruolo importante sulla formazione degli ossidi di azoto (NO x ) e degli idrocarburi incombusti(HC). In particolare, è sufficiente tenere aperte per qualche istante sia le valvole di aspirazione che quelle di scarico (questa condizione è detta “fase di incrocio”) per ri-aspirare in camera di combustione parte dei gas combusti. Questo fenomeno, noto come “ricircolo interno”, sporca la miscela fresca che viene aspirata ma ha l’effetto positivo di abbassare le temperature di combustione, riducendo così le emissioni di NO x e di HC. Spesso per avere questo ricircolo dei gas di scarico, invece che intervenire sulla fasatura del motore, si preferisce adottare una valvola esterna (detta valvola EGR) che ha il compito di immettere direttamente del condotto di aspirazione una quantità di gas di scarico che può variare tra il 5% e il 15%.

L’anticipo di accensione

Per “accensione” si intende l’istante nel quale la candela fa scoccare la scintilla, innescando la combustione della miscela. Ritardando tale istante rispetto al momento ideale, si ha che la combustione si sviluppa maggiormente durante la fase di espansione, con una conseguente diminuzione delle temperature. Si ottiene quindi una riduzione degli ossidi di azoto (NO x ) e degli idrocarburi incombusti (HC) allo scarico. Questi appena illustrati sono i principali parametri motoristici sui quali è possibile intervenire ai fini del controllo delle emissioni inquinanti. Purtroppo, per quanto un motore possa essere concepito e progettato correttamente, non è possibile rimanere all’interno dei limiti sulle emissioni imposti dalle normative europee agendo solamente sui parametri visti fino a qui.

È quindi necessario intervenire adottando degli appositi sistemi di post-trattamento dei gas di scarico, differenti in base al tipo di motore e di sostanza inquinante che si intende abbattere.