Sperimentazione e calibrazione powertrain

Motori benzina (HC, CO e pochi NOx) Sviluppo dei sistemi di trattamento:

a) Catalizzatore ossidante per CO e HC, 1970. Si

utilizzano materiali ossidanti aggiungendo

ossigeno con un’aspirazione secondaria e



facendo diventare CO e HC H2O e CO2

b) Catalizzatore a tre vie con sensore di

ossigeno lambda e misuratore di carburante in

feedback, 1980. HC e CO devono ossidare

mentre NOx ridurre in N2. La riduzione è

sfavorita dall’ossigeno quindi si deve far

funzionare il motore con λ=1 e si fa la misura

diretta con sensore lambda che può essere di

due tipi: sonda on-off o lineare UEGO con

segnare proporzionale a λ.

c) catalizzatore close coupled fast light-off in

aggiunta. Per abbattere le emissioni a basse

temperature (accensione motore). Questo

poiché il cat a 3 vie deve raggiungere 300-400°

per funzionare e ci vuole tempo. Nel mentre si

utilizza l’altro cat, meno efficiente ma che

funziona fin da subito.

Catalizzatore trivalente

Formato da un substrato monolitico ceramico a nido d’ape ricoperto da un substrato che aumenta

l’area effettiva di un fattore 7000. Lo strato superiore catalitico contiene metalli nobili costosi come

palladio e platino (accelera l’ossidazione) e rodio (accelera la riduzione). Sull’ordinata abbiamo

l’efficienza del cat (quante emissioni si abbattono) e in ascissa A/F. Con A/F ricco si abbattono

soprattutto gli NOx, con A/F magro soprattutto HC e CO. La zona di ottimo si ha con A/F

stechiometrico, cioè sul grafico lungo la banda nera.

Controllo lambda

Il range A/F per ottenere contemporaneamente ossidazione e riduzione è troppo stretta per essere

realizzata in un motore in funzione senza un controllo ad anello chiuso. Un sensore di ossigeno

nello scarico viene utilizzato per indicare se il motore sta funzionando sul lato ricco o magro dello

stechiometrico e fornisce un segnale per regolare il sistema di alimentazione per ottenere la

miscela aria-carburante desiderata. Mantenere il rapporto di equivalenza esattamente sul valore

scelto vicino a quello stechiometrico non è un'aspettativa pratica di un tale sistema di feedback,

quindi la capacità di accumulo dell'ossigeno (OSC) è incorporata nel catalizzatore. Il cerio (CeO) è il

componente di stoccaggio dell'ossigeno più comunemente utilizzato. Può rilasciare ossigeno

quando il gas di scarico sulla superficie del catalizzatore è leggermente ricco; quindi, può assorbire

e immagazzinare ossigeno dal gas di scarico sulla superficie del catalizzatore quando il gas è magro.

NOx storage catalytic converter (NSC) I motori benzina GDI funzionano con carica

stratificata e quindi funzionano magri. Si formano

quindi NOx. L’NSC accumula NOx a livello chimico.

Nella prima fase dei materiali come il carbonato di

bario BaCO3 accumula fino alla massima capacità.

Poi l’NSC va rigenerato attraverso condizioni ricche

(A/F < 1, T=250-450° per 2-10 secondi), viene rilasciato NO2 che si riduce poi nel catalizzatore

catalitico. Si immagazzina nell’NSC anche ossido di zolfo SO2 in maniera più efficiente rispetto a

NO2, ma SO2 non si dissolve durante la rigenerazione, quindi si fa una rigenerazione apposita a

T>650° con A/F < 1 per 5 minuti.

Filtro antiparticolato benzina GPF e cGPF

Si utilizza solo per benzina GDI (iniezione diretta) dove si forma particolato che rispetto a quello del

diesel ha particelle più piccole. È una barriera meccanica per il particolato e va rigenerato ad

altissime temeprature. La rigenerazione avviene automaticamente poiché il motore benzina arriva

da solo ad alte temperature e va a pulire il filtro senza strategie particolari (rigenerazione passiva).

Motori diesel Curve emissioni di particolato e NO

per un tipico motore diesel per

impieghi gravosi (valori medi del

ciclo di prova in g/kWh). La regione

a basso livello di PM e NO,

tratteggiata, indica i livelli richiesti

per soddisfare le normative sulle

emissioni negli Stati Uniti e in

Europa. La curva “optimized

combustion” indica i livelli ottenuti

con la sola ottimizzazione della

combustione, che sono molto alti.

La curva continua indica il livello

raggiunto ottimizzando anche

l’iniezione. Il cerchio nero indica il punto in cui si ottimizza la riduzione di NOx e di particolato. Le

frecce indicano come si riducono le emissioni agendo anche sui trattamenti post-combustione.

EGR short route

Circuito ad alta pressione da monte della turbina a valle del compressore.

In 15 si ha un raffreddamento dell’EGR per evitare la formazione di particolato (ad alte

temperature). Si ha poi una farfalla che serve a non rischiare un ricircolo dei gas a causa delle

diverse pressioni nei condotti. In questo caso non si ha una distribuzione ottimale di gas tra i

cilindri quindi si rischia di avere fenomeni diversi tra i cilindri.

EGR long route Circuito di bassa pressione da valle della turbina a monte

del compressore.

Vantaggi:

 Riduzione temperature significativa nel cilindro.

 EGR più pulita

 Distribuzione tra i cilindri ottimale

 Miglior efficienza turbocompressore

 Si può usare EGR in post-iniezione

Svantaggi:

 Si può danneggiare l’intercooler e le pale del

compressore (anche erosione e corrosione)

 Risposta EGR meno rapida

 Incremento HC e CO

Convertitori catalitici

 Catalizzatore ossidante (DOC) : per ridurre HC e CO

 NOx storage catalyst (NSC) o in alternativa catalizzatore riduttivo selettivo (SCR)

1) DOC: sono costituiti da una struttura portante in ceramica, da una miscela di ossidi composta da

ossido di alluminio, ossido di cerio, ossido di zirconio e metalli nobili attivi (platino, palladio, rodio).

Funzioni:

 Ossidazione CO e HC a CO2 e H2O (ossidazione quasi completa dopo i 170-200°)

 Riduzione particelle ad alte temperature

 Ossidazione NO in NO2 che andrà poi eliminato negli altri catalizzatori

 Può essere utilizzato anche per la rigenerazione del DPF/FAP con le post-iniezioni

2) SCR Si basa sulla riduzione di NO, grazie

all’ammoniaca. Reazione principale (rid.):

4 NO + 4 NH3 + O2 = 4 N2+ 6 H2O

Con agente riducente ammoniaca NH3

Catalizzatori: V2O5 / WO3-TiO2

Temperature = 300-400°

L’ammoniaca è tossica e corrosiva quindi si

utilizza l’urea (AdBlue, urea + acqua) che poi

viene scomposta in ammoniaca attraverso

una termolisi e una idrolisi. Solitamente si

utilizza AdBlue al 5% del diesel.

Abbiamo diverse componenti: catalizzatore

ossidante (V), catalizzatore idrolisi urea (H),

catalizzatore SCR (S), catalizzatore ossidante

(O). In V si ossida NO in NO2. In H l’urea

diventa ammoniaca. In S si ha la riduzione degli NOx. Nell’ultimo catalizzatore (O) si ossida

l’ammoniaca in eccesso per non avere sostanze nocive. La quantità di urea utilizzata deve essere

proporzionale agli NO emessi dal motore. Si può utilizzare una mappa di emissione NOx del motore

in base al regime e carico oppure utilizzare sensore che misura NOx in tempo reale.

Filtro antiparticolato DPF È una trappola meccanica per le

particelle solide di soot. È composto

da una struttura a nido d’ape di

carburo di silicio, con molti canali

paralleli molto sottili (300-400

micrometri). I canali adiacenti sono

chiusi per forzare i gas a passare

attraverso le pareti ceramiche porose

(guarda disegno).

Per capire quando il filtro è pieno e va rigenerato si usano dei

sensori di pressione a cavallo del filtro. Si rigenera facendo

bruciare le particelle di carbonio nel filtro, quindi serve ossigeno

comburente e temperature molto alte. Queste temperature si

possono raggiunge in diversi modi:

 A volte ad alti carichi con le temperature di scarico

 Strategie di iniezione particolari (main retard o post/after),

andando però ad avere una combustione meno efficiente poiché

la temp. di combustione è più bassa, ma si alzano le temp. allo

scarico; oppure parzializzando l’aria comburente con la farfalla dell’EGR

 Ossidando il combustibile nel DOC (cat burner): aumento combustibile così da avere molti

incombusti che bruceranno nel cat, così da avere alte temperature per rigenerare

 Diminuendo la temperatura di ossidazione utilizzando additivi come la cerina. Si devono

comunque utilizzare strategie di iniezione e tenere attenzione alle ceneri che si formano

dall’additivo che vanno a tappare il filtro

 Utilizzare un rivestimento del DPF come ad’ esempio il platino. Meno efficiente

dell’additivo

La rigenerazione in sé avviene

velocemente, ci vuole tempo ad

alzare le temperature. Prima si

aumenta la temp. a monte del

cat, poi quella a valle, che

aumenta ancora di più. Infine,

aumenta quella a valle del DPF

fino ai 600 gradi (senza additivi)

e avviene la rigenerazione.

Esempi di trattamento emissioni diesel (fig. 1 Diesel medio grande, fig 2. Diesel piccolo)

Normativa emissioni

La CO2 non si può eliminare ma al massimo trasformare. Si può abbassare migliorando l’efficienza

dei motori (non è abbastanza), utilizzando l’ibrido oppure utilizzare combustibili sintetici o

biocombustibili che assorbono CO2 quando vengono prodotti e quindi facendo tendere il bilancio

globale di CO2 a zero tra assorbimento durante la produzione e emissione del motore.

Due tipologie di test: intero veicolo

su banco a rulli (spesso per cicli di

guida standard) o motore su banco

prova (per ricavare la mappa di

emissione). Il principio è lo stesso,

ma nel primo caso si misurano i

g/Km, nel secondo si ricava una

mappa.

Nel diluition tunnel si raffreddano i

gas di scarico per congelare la

dinamica di cinetica chimica per

fare una giusta misurazione. Poi c’è

il CVS system che è un dispositivo

volumetrico che salva dei campioni

di volume dei gas di scarico cosi da

trasformarli poi in g/Km.

Mappe di emissione motore. Si mette il freno in RPM e il motore in coppia per fare la

caratterizzazione. Se si integra la mappa si trova l’emissione totale nel ciclo completo.

Vecchio ciclo “new european driving cycle NEDC” Ciclo ormai abbandonato,

troppo schematico e poco

realistico. La prima parte,

che corrisponde al ciclo

urbano, è composta da 4

cicli uguali ripetuti. Si passa

poi al ciclo extraurbano.

Nuovo ciclo: Worldwide harmonised light vehicle test procedure WLTP Molto più realistico e

come possiamo vedere

in tabella definisce

alcune caratteristiche

del veicolo in modo più

accurato e differente

per diverse categorie di

veicolo. Si hanno

infatti 3 categorie, un

ciclo dinamico pi&ugrav