Le normative Euro 7 spingeranno i costruttori dei veicoli stradali e dei relativi motori endotermici a sacrificare l’efficienza dei propulsori per mantenere i livelli di emissioni inquinanti al di sotto delle soglie previste in tutte le condizioni operative del motore. Una realtà destinata a impattare dapprima sui veicoli leggeri e poi anche su quelli pesanti
Un branca specifica di ricerca in essere presso gli uffici tecnici che si occupano di far evolvere le tecnologie di post trattamento dei gas di scarico dei motori endotermici, in inglese sistemi di aftertreatment, riguarda la possibilità di usare componenti elettrici per ottimizzare la gestione termica dei sistemi.
Negli scorsi anni diversi studi accademici rivolti al segmento truck hanno in effetti dimostrato che l’utilizzo sui veicoli commerciali pesanti di riscaldatori elettrici “E-Hc”, “Electric Heater Component”, integrati in powertrain mild-hybrid operanti a 48 volt e in configurazione “P1”, contribuisce in modo sostanziale alla riduzione delle emissioni degli ossidi di azoto e delle emissioni complessive in quanto accelera la fase di warm-up, il riscaldamento della catena di post-trattamento.
Un ritorno particolarmente utile per i motori diesel in quanto l’efficacia dei loro sistemi scr e dpf è molto influenzata dalla temperatura di esercizio degli stessi componenti. In quei cicli transitori tipici delle aree urbane trafficate come per esempio sono le marce in coda o quando i motori operano a basso carico in ambienti freddi i sistemi scr non riescono a raggiungere la giusta temperatura di esercizio, 250 – 300 gradi, e quindi perdono di efficienza esattamente come il filtro antiparticolato se non raggiungere i 70-90 gradi circa.
Lo stesso accade ovviamente anche nella fasi di avviamento a freddo. In tali condizioni, le emissioni di particolato e degli ossidi di azoto possono rimanere quindi più elevate di quanto richiesto dai limiti normativi attuali. Due le strade per evitare che ciò accada una costituita dal ricorso ai già citati sistemi “E-Hc” e l’altra all’uso di parte dell’energia calorifica sviluppata in fase di combustione.
Gli “E-Hc”, se inseriti a monte dell’scr, fanno aumentare rapidamente le temperature dei catalizzatori prima che il motore raggiunga un regime termico adatto allo scopo e ciò ha fatto sì che la maggior parte dei costruttori automotive abbia iniziato a guardare verso di loro per ottemperare alle prossime norme euro 7 che non prevedono inasprimenti in termini di emissioni motoristiche ma il rispetto degli standard “da subito”, cioè dal primo avviamento. Peccato che l’integrazione di un “E-Hc” possa sì accorciare i tempi di warm-up degli scr, ma a spese di leggeri aumenti dei consumi di carburante nelle prime fasi di attivazione del motore e, purtroppo, ogni qualvolta il veicolo affronta percorsi caratterizzati da transitori frequenti e da basse richieste di potenza.
Di fatto accade che l’”E-Hc”, se inserito su powertrain mild hybrid di tipo “P1”, ottimizzi la temperatura di esercizio del catalizzatore in tempi rapidi rendendo possibile il rispetto degli standard di emissione euro 7 già nelle fasi iniziali di utilizzo del veicolo, ma vada poi a penalizzare l’efficienza del motore quando il veicolo opera sulla base dei già citati cicli transitori come per esempio sono quelli tipici delle aree urbane trafficate. In tali condizioni, per cogliere effettivi benefici in termini di emissioni, si deve dunque ricorrere a ibridazione più sofisticate come per esempio sono quelle “P2” o “P3” o giocare su anticipi e tempi di iniezione per modificare la funzionalità del motore al fine riscaldare i gas combusti.
“E-Hc” in fase di avviamento quindi seguito poi da mappature ad hoc dell’alimentazione così da rendere “puliti” i gas di scarico nel momento stesso in cui si preme sul pulsante “Start” o quasi. Il mantenimento dei sistemi di post trattamento dei gas di scarico alla giusta temperatura è molto sentito sui diesel, gli endotermici più efficienti dal punto di vista termodinamico grazie a rendimenti che superano il 45 per cento.
Sono i motori a combustione interna che restituiscono in termini di energia meccanica buona parte dell’energia energia chimica potenziale racchiusa nei combustibili minimizzando i consumi a parità di cilindrate ed erogazioni rispetto ai motori ciclo otto. Minori anche le emissioni climavarianti, anidride carbonica in primis, cosa che rende i diesel di ultima generazione la miglior soluzione possibile per risolvere i problemi legati alla sostenibilità ambientale. La maggior efficienza però fa sì che i gas di scarico dei diesel siano più freddi di quelli emessi dai motori ciclo otto e quindi non sempre non riescano a soddisfare le esigenze termiche dei sistemi di post trattamento o riescano a soddisfarle solo dopo lunghi periodi di funzionamento. A maggior ragione se il powertrain è di tipo ibrido con una componente importante di elettrificazione che assiste il motore termico.
A fronte di quanto sopra accade dunque che i costruttori di veicoli leggeri si sono trovati quindi nella condizione di dover sacrificare l’efficienza dei motori per andare incontro a normative che invece dovrebbero spingere verso motori più efficienti. I sistemi “E-Hc” all’atto pratico si traducono infatti nella presenza di resistenze elettriche estremamente potenti ma del tutto inutili ai fini propulsivi utili solo per allineare le emissioni secondarie agli input normativi nei transitori di funzionamento a freddo o a basso carico.
Si parla di assorbimenti che oscillano tra i tre e i sei chilowatt, fino a due volte la potenza normalmente a disposizione per gli impianti elettrici domestici. Ammettendo di utilizzare una batteria a 48 volt e ipotizzando un assorbimento medio di quattro chilowatt e mezzo, è facile calcolare che si è alle prese con una corrente continua di oltre 90 ampere da erogarsi in pochi secondi. A erogare tale energia dovrtà ovviamente provvedere una specifica batteria in grado di sostenere elevati stress e adeguatamente dimensionata per assecondare picchi di scarica forti e brevi. Il sistema deve inoltre integrare sistemi di gestione termica e di monitoraggio dello stato di carica della batteria che, se scarica dovrebbe impedire, ma si spera non lo faccia, l’avviamento del motore.
A queste problematiche di natura tecnico-costruttivo-gestionale si aggiunge poi il fatto che l’energia non si crea dal nulla, come asseriva il chimico francese Antoine-Laurent de Lavoisier ancora alla fine del Millesettecento. L’energia fornita al sistema “E-Hc” dovrà in effetti essere prodotta dal motore endotermico attraverso l’alternatore e dunque una quota di carburante e di emissioni saranno sacrificate in nome di tale esigenza. Ne deriva che per inquinare meno nei pochi minuti di lavoro del motore piost-avviamento si consumerà e si inquinerà di più a regime.
A maggior ragione se i gas di scarico del motore non fossero sufficientemente caldi costringendo la centralina ad agire sul sistema di iniezione modificando i parametri combustivi e le tempistiche di iniezione in modo da “bruciare” carburante in fase di espansione al solo scopo di generare quel calore necessario per regimare termicamnte il sistema di aftertreatment. Dinamica già utilizzata oggi quando è necessario rigenerare i dpf, ma che sarebbe attuata ogni qual volta il sistema di controllo rilevi un calo dell’efficienza di funzionamento causa basse temperature di lavoro.
E nel caso il motore giri a basso carico e a bassa temperatura, magari in inverno in città, il rischio è che tale iter di funzionamento sia mantenuto per lunghi periodi di tempo. Quando sopra senza dimenticare che la soluzione comporta anche problemi di usura dei componenti. Bruciare carburante in fase di espansione significa infatti iniettare gasolio nel cilindro quando il pistone ha scoperto le pareti del cilindro esponendo all’iniezione di gasolio il velo d’olio che le protegge.
A quel punto si attuerà un processo di lavaggio sulle pareti che rimuoverà il velo lubrificante dando luogo a un “wall wetting”, al bagnamento delle pareti del cilindro. Le usure delle camicie dei cilindri e delle fasce elastiche saranno per forza di cose superiori alle attuali e più rapida sarà anche la perdita di prestazioni ed efficienza motore. Se poi il gasolio anzichè bruciare trafilasse anche in minima parte attraverso le fasce elastiche e raggiungesse il carter motore ne deriverebbe un processo di deterioramento delle proprietà lubrificanti dell’olio, fenomeno che nei motori di ultima generazione avviene in proporzione del due per cento ogni 20 mila chilometri circa.
Sui futuri motori Euro 7 il degrado dell’olio causato dai trafilaggi di gasolio sarà determinato dalle condizioni di utilizzo del veicolo e dalle condizioni ambientali ma i test condotti in tal senso confermano la presenza di tassi superiori nell’unità di tempo. Tradotto in parole povere ciò significa che i motori Euro 7 dovranno essere soggetti a più frequenti sostituzioni dell’olio.
Come se tutto ciò non bastasse accade infine che il sistema di post trattamento debba essere integrato da una sorta di egr a doppio stadio per prevenire la formazione degli ossidi di azoto in maniera più efficiente del passato. Il primo stadio, funzionante ad alta pressione, è posizionato sul collettore di scarico a ridosso del cilindro, mentre il secondo stadio, operante a bassa pressione, è inserito dopo il filtro antiparticolato. L’impianto oltre a spillare i previsti quantitativi di gas combusti da riciclare nell’aspirazione, dà anche luogo a una condensazione dell’acqua contenuta nei gas stessi e al suo trasferimento nei condotti di aspirazione così da reimmetterla in camera di combustione per abbassare le temperature della stessa combustione. Si tratta però di acqua “acida” che può aggredire le superfici dei componenti con cui entrano in contatto.
Dai condotti alle valvole fino alle giranti e al carter del compressore. Per evitare che ciò accada servono ulteriori componenti la cui presenza incide ulteriormente sull’efficienza globale del motore andando di nuovo a pesare sui consumi, sulle emissioni e sui costi produzione dei veicoli. Previsti anche maggiori consumi di Urea per catalizzare un più ampio spettro di ossidi di azoto, volumi che però daranno origine a maggiori quantità di ammoniaca alla fine del processo. Da qui la necessità di prevedere un ulteriore filtro denominato ”Asc” per abbattere i residui di ammoniaca. Indubbio a questo punto che i futuri motori euro 7 saranno più complessi e meno efficienti degli attuali, frutti di posizioni ideologiche che nulla hanno di razionale e logico.
Titolo: Cosa cambierà con le nuove normative euro 7: novità e limiti
Autore: Redazione
