Trattamento dei gas di scarico: quali sono e come funzionano i principali sistemi?

Negli articoli precedenti abbiamo visto quali sono i gas inquinanti emessi da un motore endotermico e abbiamo anche sottolineato che intervenendo sui principali parametri motoristici non è possibile ridurre tali emissioni al punto da rientrare all’interno delle norme europee antinquinamento. È quindi necessario affidarsi a dei sistemi di post-trattamento, in modo da “pulire” correttamente i gas di scarico prima che questi vengano espulsi. I sistemi di post-trattamento variano in base al tipo di motore e si differenziano a seconda del tipo di sostanza inquinante che si intende abbattere. Andando con ordine, vediamo quali sono e come funzionano quelli principali.

Marmitta catalitica o catalizzatore

La marmitta catalitica è stato il primo dispositivo usato per ridurre le emissioni, visto che è diretta conseguenza di un pacchetto di provvedimenti dell’Unione europea per lo Standard Euro 1 uscito nel 1992, che di fatto la rese obbligatoria per l’anno successivo.

La marmitta catalitica è un dispositivo che, avvalendosi dei principi della catalisi chimica – ossia dell’utilizzo di sostanze in grado di accelerare lo svolgimento delle reazioni chimiche senza però prenderne parte-, permette di ossidare il CO e gli HC e contemporaneamente di ridurre gli NO x ad azoto inerte (N 2 ). Da tempo si è affermato il catalizzatore trivalente (o “a tre via”), ossia un unico dispositivo capace di fare avvenire tutte e tre le reazioni citate precedentemente.

Il convertitore trivalente è formato da un involucro metallico esterno che contiene una struttura ceramica a nido d’ape. Sul supporto ceramico è depositato uno strato di materiale catalizzante, formato da un mix di ossidi di platino, palladio e rodio. Il catalizzatore è poi posizionato nella parte terminale del tubo di scarico. In questo modo, quando i gas passano al suo interno, i materiali catalizzanti si attivano, innescando così le reazioni desiderate.

Il limite principale del catalizzatore trivalente è che il suo rendimento di abbattimento di tutti e tre gli inquinanti è accettabile soltanto in corrispondenza di miscele stechiometriche (abbiamo spiegato nell’articolo precedente cosa si intende per “miscele stechiometriche”).

Questo suo limite è responsabile del fatto che il catalizzatore trivalente non può essere utilizzato nei motori Diesel, siccome tali motori funzionano ad eccesso d’aria e non in condizioni di miscela stechiometrica.

Per via della strettissima finestra di utilizzo del catalizzatore, è necessario un sensore che determina la concentrazione di ossigeno allo scarico, così da poter adottare un controllo in retroazione della qualità della miscela. Questo sensore è detto sonda lambda.

Filtro anti-particolato

Il filtro anti-particolato, noto anche con i suoi acronimi FAP o DPF (Diesel Particulate Filter), è costituito da un “setaccio” di materiale ceramico con matrice a nido d’ape che trattiene le particelle carboniose, riducendo quindi la quantità di particolato allo scarico.

Questo sistema di depurazione dei gas di scarico è montato sui veicoli Diesel Euro 4 e successivi (divenendo obbligatorio dai modelli Euro 5).

Quando l’accumulo di particelle raggiunge un livello tale da “intasare” il filtro, si ha la rigenerazione. La rigenerazione avviene tramite un incremento della temperatura dei gas di scarico, innescato da un’aggiunta di carburante (post-iniezione) la cui infiammazione ritardata determina la combustione del residuo intrappolato.

Selective Catalytic Reduction (SCR)

La SCR è una tecnologia per l’abbattimento degli ossidi di azoto (NO x ). Venne introdotta con successo nel 2006 sui mezzi pesanti alimentati a gasolio, consentendo così agli autocarri di conformarsi ai limiti EURO 4 e 5.

All’interno del catalizzatore SCR, gli ossidi di azoto vengono ridotti in modo da avere allo scarico azoto (N 2 ) e acqua. La riduzione degli NO x si basa sull’iniezione di ammoniaca (NH 3 ) all’interno del condotto di scarico, la quale reagisce con le particelle inquinanti riducendole. Essendo però l’ammoniaca una sostanza tossica, si opta per una soluzione acquosa a base di urea, nota commercialmente con il nome di AdBlue.

Negli attuali motori Diesel, quindi, nel tubo di scarico abbiamo: un

catalizzatore ossidante (per il CO e HC), un filtro anti-particolato ed un SCR. Questi sistemi di abbattimento hanno un costo molto elevato e sono la risposta alla domanda che ci siamo posti all’inizio dell’articolo.