Motori diesel e filtri anti particolato

Parlando dei tubi di scappamento delle auto, dobbiamo considerare essenzialmente tre tipi di emissioni

1) anidride carbonica
2) gas emessi dai combustibili o dai processi di combustione
3) particolato 

Anidride Carbonica (CO₂) è il gas serra che contribuisce maggiormente al riscaldamento globale indotto dall'uomo. Non danneggia direttamente la nostra salute ma il sistema climatico.
La quantità di CO₂ emessa da un'automobile dipende dalla quantità di carburante usato e bruciato. Non esiste modo di ridurre le emissioni di anidride carbonica attraverso convertitori catalitici o altre tecnologie pulite. L'unico modo per ridurla è avere un motore più efficiente, una macchina più piccola e leggera che offra una bassa resistenza all'aria, evitare frequenti fermate e ripartenze e le velocità elevate.

Le emissioni di gas possono essere dovute all'evaporazione del carburante o alla sua combustione incompleta. Si chiamano composti organici volatili (COV) e comprendono gli idrocarburi e gli  idrocarburi ossigenati. Gli altri gas prodotti dai processi di combustione sono gli ossidi di azoto (NO e NO₂ = NOx) e il monossido di carbonio (CO). Sono dannosi per la salute e possono causare problemi indiretti perchè sono responsabili dei fenomeni di inquinamento da ozono, soprattutto durante l'estate.

Particolato si forma soprattutto nei motori diesel, per esempio quando l'auto accellera. E' costituito da fuliggine e da componenti del carburante incombusti che si condensano sulla fuliggine o su polveri fini di solfato. Costituiscono il principale problema dei motori diesel, perchè tali motori iniettano quantità variabili di carburante sempre nella stessa quantità di aria calda. Se la miscela è sovrasatura di carburante, le particelle si formano più facilmente.
 

Nelle auto a benzina utilizzando un convertitore catalitico si riducono fortemente le emissioni di VOC, CO e NOx. Oggigiorno questo è lo standard nella maggior parte delle auto nei paesi industrializzati. Nelle automobili diesel queste emissioni sono più basse.
I motori diesel sono anche più efficienti e perciò emettono meno anidride carbonica rispetto alle auto a benzina, in particolare su lunghe distanze.
I motori diesel però emettono molte particelle. Perciò in futuro i filtri antiparticolato potrebbero diventare obbligatori in molti paesi. Esistono molti tipi di filtri anti particolato diesel (DPF) che si basano su tecnologie diverse:
 

Tecnologie dei filtri antiparticolato

CRT (Trappola a rigenerazione continua) e DPX (filtri a strato di metallo nobile) funzionano sulla base del cosiddetto "principio wall flow". In questo processo, il gas di scappamento viene convogliato in canali ciechi. Il carbonio incombusto si deposita sulle pareti del canale e la componente gassosa passa attraverso una parete porosa.
 

In alternativa può essere utilizzato il principio "Flow through". Questi filtri sono composti di fibre di metallo o di pellicole lungo le quali passano i gas di scarico e le particelle aderiscono alle pareti. Una corrente elettrica passa attraverso il materiale per riscaldarlo e rigenerarlo.
Questi filtri presentano di solito lo svantaggio che le particelle particolarmente piccole riescono a passare facilmente. Perciò sono meno efficaci:

Sistemi di rigenerazione

Per la rigenerazione (= pulitura) di un sistema "wall flow" la fuliggine e le particelle che si sono depositate devono essere bruciate a temperature superiori ai 600°C. Tale temperatura è molto alta se si considera che quando si guida nelle città la temperatura può scendere fino a circa 200°C. La temperatura di rigenerazione può essere ridotta fino a 500 - 550°C con l'aiuto di un additivo. Questa temperatura si raggiunge normalmente in autostrada o attraverso un'iniezione di carburante. Però gli additivi sono di difficile gestione.
 

Una soluzione per rimuovere la fuliggine è rappresentata dalla "trappola a rigenerazione continua" (CRT) spesso utilizzato negli autobus. In tale sistema i gas di scarico passano attraverso un convertitore catalitico ossidante dove il CO ed i composti organici sono quasi compledamente ossidati. tali emissioni sono in ogni caso ridotte nei motori diesel. I composti dell'azoto sono ossidati a NO₂ in quanto l'NO₂ reagisce con la fuliggine per dare CO₂ a temperature comprese tra i 200 e i 450 °C.
 

Uno svantaggio dei sistemi sta nel fatto che l'NO₂ è solitamente prodotto in eccesso. La frazione di NO₂ presente nei gas di scappamento è circa il 5% a monte del sistema catalitico e 20% a valle. Il sistema riduce le emissioni di particelle in cambio di maggiori emissioni di NO₂, che favoriscono la formazione dello smog da ozono.
 

I cosiddetti sistemi di riduzione catalitica selettiva (catalizzatori SCR) potrebbero essere la soluzione a questo problema. Questa tecnologia si basa sull'utilizzo di un riducente che viene aggiunto al gas di scappamento a monte del catalizzatore. La reazione viene normalmente indotta utilizzando ammoniaca che può essere prodotta immettendo l'urea nel flusso del gas di scarico a caldo. In questo modo le emissioni di biossido di azoto possono essere ridotte significativamente. Tuttavia anche questa tecnologia è complicata e il tasso di riduzione dipende da diverse condizioni. I filtri anti particolato per auto diesel e i catalizzatori SCR possono essere utilizzati anche in combinazione.