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L'inquinamento atmosferico prodotto dai motori a combustone interna
di Andrea Crosato

Venerdì 15 dicembre 2000

Il tema dell'inquinamento è oggi di grande attualità: da una parte Ministri e Sindaci che fanno a gara nell'indire giornate senza auto (e senza moto…) nelle principali città italiane, dall'altra studi scientifici che testimoniano come l'inquinamento prodotto dalle automobili sia solo una piccola parte di quello che opprime le aree urbane (che in gran parte proviene, durante la stagione invernale, dagli impianti di riscaldamento).

Purtroppo il ruolo dei motori a combustione interna nel produrre inquinanti è innegabile, ma il progresso (opportunamente incoraggiato da politica ed opinione pubblica) è al lavoro per… limitare i danni!

Nel frattempo, nell'attesa di soluzioni alternative al caro vecchio motore "a scoppio", diamo uno sguardo al tipo di inquinamento prodotto dai motori endotermici montati sui mezzi di trasporto: essi sono tra i principali responsabili dell'inquinamento degli strati di aria più vicini al terreno nelle aree ad intenso traffico.

In generale, i motori a combustione interna producono monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2), ossidi di azoto (monossido NO e biossido NO2, globalmente indicati come NOx), idrocarburi derivati dalla parziale combustione del combustibile (genericamente indicati come HC), particelle solide portate in sospensione dai gas (dette particolato, e prodotte soprattutto dai motori Diesel) e prodotti derivanti dall'ossidazione di impurità contenute nel combustibile (quali, ad esempio, lo zolfo).

Inoltre i mezzi di trasporto possono contribuire al fenomeno dell'inquinamento ambientale anche attraverso fughe, ossia fuoriuscite di gas o liquidi dal basamento del motore, dal serbatoio o dal sistema di alimentazione del combustibile.

Esaminiamo ora singolarmente i principali prodotti inquinanti emessi da un motore durante il suo funzionamento.

Monossido di carbonio (CO):

Il CO si forma molto rapidamente nella zona "di reazione" (ovvero in prossimità della candela, nei motori ad accensione comandata) come prodotto della combustione degli idrocarburi presenti nel combustibile; a sua volta, il CO è poi ossidato e diventa biossido di carbonio (CO2, ovvero anidride carbonica). La reazione di ossidazione da CO a CO2 è però sensibilmente più lenta di quella che genera il CO, ed inoltre è ostacolata dalla rapida diminuzione della temperatura nella fase di espansione. Il risultato è che non tutto il CO prodotto viene trasformato in CO2.

È stato verificato come l'unica variabile motoristica in grado di influenzare in maniera apprezzabile la concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto di miscela, ovvero il rapporto tra le quantità di aria e di benzina miscelate. La quantità di CO emessa da un motore aumenta rapidamente all'arricchirsi della miscela, mentre scende a valori bassi per miscele povere (in questo caso l'ossidazione del CO è favorita dall'eccesso di aria).

Idrocarburi incombusti (HC):

Durante la fase di compressione della miscela immessa nel cilindro, parte di essa viene imprigionata in piccole cavità (quali il piccolo volume tra cilindro, pistone e fasce elastiche) dove il fronte di fiamma generato dalla candela non riesce a giungere. Inoltre i depositi in camera di combustione, e l'eventuale velo di lubrificante aderente alle pareti del cilindro, assorbono idrocarburi dalla miscela aria-combustibile. Nel corso della fase di scarico questi idrocarburi (HC) incombusti vengono rigettati dagli interstizi in cui erano imprigionati, e rilasciati dalle porosità dei depositi e del velo di lubrificante; gli HC si miscelano quindi con i gas combusti presenti nel cilindro. In presenza di ossigeno, l'elevata temperatura porta all'ossidazione di buona parte di essi. I fattori che influenzano la quantità di HC presenti nei gas di scarico sarebbero, almeno teoricamente, assai numerosi; all'atto pratico però, le uniche variabili che influenzano sensibilmente la quantità di HC scaricati dal motore sono il rapporto aria-combustibile della miscela, e l'anticipo di accensione.

Variando il rapporto tra la quantità di aria e quella di combustibile, si può fare in modo che la combustione avvenga più o meno completamente e rapidamente: la situazione migliore per l'ossidazione degli HC incombusti è quella in cui c'è un eccesso di aria rispetto a quella teoricamente necessaria per "bruciare" il combustibile immesso nel motore (miscela povera). La temperatura massima raggiunta invece è maggiore se la miscela è ricca, pertanto la concentrazione di HC nei gas di scarico ha un minimo in corrispondenza di un valore del rapporto aria-combustibile un po' superiore di quello stechiometrico (mentre ad esempio il CO diminuisce con andamento monotono all'aumentare della quantità di aria presente nella miscela).

L'influenza dell'anticipo dell'accensione della miscela (rispetto alla posizione di punto morto superiore, ovvero alla fine della compressione) entra in gioco in quanto, diminuendo tale anticipo, si ritarda il completamento della combustione, che così riesce a coinvolgere anche (almeno in parte) gli HC incombusti rilasciati durante la fase di scarico.

Ossidi di azoto (NOx):

Gli ossidi di azoto, tra i quali il monossido (NO) è in percentuale nettamente predominante (circa 98%), derivano dalla reazione di ossidazione tra l'azoto e l'ossigeno presenti nell'aria componente la miscela. Questa reazione avviene ad elevata temperatura (oltre 2000 K); la successiva rapida diminuzione della temperatura porta però al blocco delle reazioni chimiche che dovrebbero teoricamente scindere di nuovo ossigeno ed azoto. L'NO rimane quindi come costituente dei gas combusti. Anche in questo caso i parametri che influiscono sulla quantità di ossidi di azoto presente nei gas di scarico sono la temperatura massima raggiunta e la quantità di aria presente, pertanto avranno influenza il rapporto aria-combustibile e l'anticipo di accensione.

Per quanto riguarda la quantità d'aria presente nella miscela, le temperature massime si raggiungono per miscele ricche; in questo caso la formazione di NOx è però ostacolata dalla bassa concentrazione di ossigeno. Il massimo di concentrazione di NOx nei gas di scarico si ha quindi per miscele debolmente magre. Diminuendo l'anticipo di accensione si abbassa anche la temperatura massima raggiunta in camera di combustione, ostacolando così il formarsi di NOx.

Interventi per ridurre le emissioni di un motore

Per ridurre le emissioni di un motore a combustione interna ad accensione comandata, in modo tale da rispettare le sempre più severe normative antinquinamento, bisogna cercare un compromesso con esigenze spesso contrapposte al contenimento delle emissioni, come la ricerca delle massime prestazioni, la riduzione dei consumi, la semplicità costruttiva e la riduzione dei costi. Per risolvere il problema vi sono vari interventi possibili, volti ad evitare la formazione dei gas nocivi (mediante il controllo del combustibile, della miscela introdotta e del processo di combustione) o ad eliminare le emissioni una volta che queste sono state prodotte (intervenendo sui gas di scarico).

Si può intervenire sulla qualità del combustibile utilizzato, ad esempio eliminando zolfo e additivi a base di piombo dalle benzine. In questo modo si eliminano totalmente i relativi prodotti di combustione (che sarebbero assai nocivi) dai gas di scarico. Altra soluzione interessante è quella di utilizzare combustibili "alternativi", come ad esempio gli alcoli (che permettono una sensibile riduzione degli NOx, ma emettono alcuni gas fortemente dannosi alla salute dell'uomo) o GPL e metano. Questi ultimi, che oltretutto sono più economici della benzina, danno luogo ad una minore produzione di sostanze inquinanti, a patto di essere utilizzati in motori "dedicati" (che permettano cioè di sfruttare al meglio le caratteristiche del diverso combustibile).

Per quanto riguarda l'influenza di interventi sul sistema di alimentazione, ricordiamo che il CO emesso diminuisce in corrispondenza dello smagrimento della miscela aria-combusitibile. L'eccessivo smagrimento porterebbe però ad un irregolare funzionamento del motore, ed è per risolvere questi problemi che sono stati sviluppati i motori "a carica stratificata", che stanno prendendo piede soprattutto in campo automobilistico e permettono la regolare combustione di una miscela globalmente magra realizzando uno strato ricco vicino alla candela ed uno estremamente povero nelle zone più lontane. Smagrendo la miscela si riducono anche gli idrocarburi incombusti, mentre si aumenta la quantità di NOx presenti. Per ridurre gli ossidi di azoto è quindi necessario diminuire la temperatura massima di combustione, diminuendo opportunamente l'anticipo di accensione. Un'altra soluzione è quella di ricircolare i gas combusti in aspirazione, miscelando il 5 ¸ 15 % di gas combusti (prelevati dai condotti di scarico) alla miscela introdotta nella camera di combustione. I gas combusti sono una massa inerte che non prende parte alle reazioni di combustione, con il risultato di abbassare la temperatura dato che il calore prodotto si ripartisce su una massa maggiore di gas. La percentuale di ricircolo ottimale varia a seconda delle condizioni di funzionamento del motore; il sistema di controllo deve essere in grado di inviare sempre la quantità ottimale di gas combusti all'aspirazione, ed inoltre di escludere il ricircolo quando non necessario (a motore freddo, ad esempio, le temperature sono già sufficientemente basse) o eccessivamente penalizzante per le prestazioni (condizione di massimo carico).

Interventi sul processo di combustione prevedono l'impiego di rapporti di compressione elevati per favorire la combustione di miscele magre; inoltre, un opportuno progetto della camera di combustione permette di minimizzarne la superficie a parità di volume e a rendere minimi gli interstizi, in modo tale da ridurre la formazione di HC incombusti. Infine, agendo sulla turbolenza (swirl e squish) della miscela introdotta, si può migliorare la combustione, permettendo talaltro di ricircolare maggiori quantità di gas combusti. Gli interventi finora descritti sono efficaci nel ridurre le emissioni di sostanze nocive, ma per rientrare nei severi limiti imposti dalle norme, occorre eliminarle dai gas di scarico dopo la loro formazione.

Il metodo più diffuso è l'impiego di un reattore catalitico, meglio noto come catalizzatore. Come dice il termine stesso, nel catalizzatore sono presenti sostanze catalizzanti, che sono in grado di accelerare la reazione di ossidazione degli inquinanti senza prendervi parte. Tra i più utilizzati vi sono ossidi di materiali nobili, come il platino, per ossidare CO ed HC, e composti a base di rodio per eliminare gli ossidi di azoto. In particolare, il catalizzatore trivalente permette di abbattere tutte le sostanze inquinanti presenti nei gas di scarico (CO, HC e NOx) alimentando il motore con una miscela aria-benzina in rapporto stechiometrico. Questo tipo di catalizzatore ha un range di funzionamento molto ristretto, e necessita quindi di un apposito circuito di retroazione a controllo elettronico che regola l'alimentazione in base alla quantità di O2 presente nei gas di scarico: è evidente quindi come l'utilizzo del catalizzatore a tre vie imponga di alimentare il motore con un impianto di iniezione elettronica. Inoltre è necessario utilizzare benzine senza additivi a base di piombo, che come ben noto "avvelena" il catalizzatore reagendo con la sostanza catalizzante.

L'argomento della riduzione degli inquinanti è di sicuro interesse e di grande attualità; il presente articolo, per la stesura del quale si è fatto riferimento soprattutto al testo "MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA" (Ed. Il Capitello - aut. Gianfranco Ferrari, docente del Politecnico di Milano), vuole solamente dare un'idea dei complessi meccanismi che stanno alla base della formazione delle sostanze inquinanti e di alcuni metodi per ridurne le emissioni.


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