D-CAT e FAP: NON sono la stessa cosa

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Rob

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Salve,

ecco l'estratto da un ottimo documento dell' Università di Tor Vergata (Roma), Dipartimento di Ingegneria Meccanica, nel quale sono spiegati i FAP ed il sistema Toyota DPNR (D-CAT), evidenziati rispettivamente in Rosso(FAP) e BLU (DPNR)

Ho inserito la citazione del documento e non il link diretto in osservanza della preferenza espressa da chi mi ha autorizzato all'utilizzo delle informazioni contenute nel documento stesso.

Buona lettura

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Abbattimento delle emissioni inquinanti attraverso l’adozione di sistemi di posttrattamento
Come accennato nel precedente paragrafo, interventi motoristici non sono di norma
sufficienti a garantire l’ottemperanza alle normative imposte; si rende pertanto necessaria
l’adozione di diversi dispositivi di post-trattamento. Lo studio e l’ottimizzazione di detti
dispositivi risulta di particolare interesse soprattutto al fine di garantirne affidabilità, durata
e soprattutto di limitarne il costo: esso difatti costituisce un puro aggravio in virtù del
limitato potere attrattivo nei confronti del cliente.
Università di Roma “Tor Vergata” - Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Sistemi di Filtrazione del Particolato Emesso da Motori Diesel 11

• Catalizzatori ossidanti
I catalizzatori ossidanti sono dispositivi efficaci per il controllo delle emissioni di CO
ed HC (inclusi i PAH, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons e le aldeidi). Riescono
inoltre ad ossidare la SOF del particolato; sebbene l’efficienza di conversione sia
decisamente ridotta rispetto ai filtri, detti dispositivi hanno permesso negli anni
passati di ottemperare alle normative vigenti attualmente.
La tipologia più diffusa di catalizzatore ossidante impiega una struttura ad
honeycomb a supporto ceramico; i metalli nobili (Pt, Pd) sono impregnati su un
wash-coat poroso di allumina spesso 20-40 ?m (Figura 10). Sarebbe preferibile
altresì l’utilizzo di Pd impregnato su un washcoat di silice per minimizzare la
produzione di solfati.
Figura 10: struttura di un catalizzatore ossidante ad honeycomb

• Dispositivi per la riduzione dei NOx
La riduzione catalitica dei NOx in ambiente ossidante risulta particolarmente ardua,
data la limitata disponibilità di CO e la competizione con l’O2 per quanto riguarda le
reazioni con gli HC.
Una tecnologia promettente si basa invece sull’immagazzinamento dei NOx (NOx
storing) nel catalizzatore, successivamente convertiti attraverso l’utilizzo saltuario di
cicli ricchi accuratamente controllati (Myoshi et al.); in Figura 11 è schematizzato il
relativo meccanismo di conversione.
Università di Roma “Tor Vergata” - Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Sistemi di Filtrazione del Particolato Emesso da Motori Diesel 12
Figura 11: meccanismo NOx storing per la riduzione degli NOx

• Filtri per particolato

Lo scopo dei filtri per particolato consiste nell’intercettare le particelle non convertite nel catalizzatore ossidante.
I parametri principali per la valutazione delle prestazioni di un filtro sono l’efficienza
di filtrazione e la contropressione, ovvero la differenza di pressione misurata tra le
sezioni di ingresso e di uscita del dispositivo, che deve essere minima per non
influenzare negativamente le prestazioni del motore ed i consumi.
La caduta di pressione che si genera nella colonna dei gas per l'attraversamento della trappola, aumenta con il crescere della quantità di particolato accumulato sul filtro, rendendo così necessaria, dopo un breve tempo di funzionamento del motore,
un'operazione di rigenerazione del filtro stesso.
Questa fase è particolarmente critica poichè, durante la combustione del carbonio, si possono sviluppare gradienti termici e temperature locali talmente elevati, da
danneggiare il supporto. Non di rado, difatti, si registrano aumenti di temperatura nel
filtro dell’ordine di grandezza di mille gradi in pochi secondi.
Ulteriori problemi derivano dalla posizione della trappola. Infatti, poiché durante le
condizioni di marcia normali riscontrabili in circuito urbano la temperatura dei gas di
scarico dei motori Diesel raramente raggiunge l’intervallo di temperatura ottimale
per promuovere l’innesco della rigenerazione (circa 400 500°C), sarebbe necessario
posizionarla tra le valvole di scarico e la turbina di sovralimentazione, ossia nel vano
motore. Tuttavia, gli ingombri e le temperature elevate hanno fatto sì che questa
soluzione non abbia trovato impiego a bordo delle vetture in commercio: le trappole
vengono quindi normalmente collocate nel sottoscocca.
L’efficienza di filtrazione e la contropressione generata allo scarico sono due
grandezze dipendenti in quanto, a parità di altre grandezze, un filtro con una più
elevata efficienza di filtrazione presenta anche un valore di contropressione
maggiore.
In genere le trappole assolvono molto bene anche al compito di abbattere le onde
acustiche, per cui la loro adozione rende superfluo l'utilizzo di silenziatori di scarico.
L’entrata in vigore delle prossime normative europee EURO4 (1 gennaio 2006)
obbligherà di fatto le case automobilistiche ad adottare tali dispositivi nella quasi
totalità dei modelli equipaggiati con motore Diesel.
Dato il forte impatto sul mondo dell’automobile, tale tematica viene affrontata nel
dettaglio nel prosieguo.

2. FILTRI PER PARTICOLATO

2.1. Materiali impiegati e configurazioni geometriche
Negli ultimi 15 anni sono comparsi come prototipi e sul mercato diversi sistemi DPF
(Diesel Particulate Filters): essi differiscono basilarmente per quanto riguarda i materiali
utilizzati e la configurazione geometrica, ed anche per la tecnologia di rigenerazione
impiegata e le opzioni di controllo e/o monitoraggio.
I materiali del filtro e la sua configurazione geometrica sono un elemento chiave nei
sistemi DPF: devono essere difatti oggetto di attenta valutazione la contropressione allo
scarico, l’efficienza di intrappolamento del particolato, la facilità di rigenerazione, la
durata nel tempo delle prestazioni offerte ed infine, il costo.
I mezzi porosi delle trappole possono essere sia di materiale ceramico che di materiale
metallico; tra i supporti ceramici figurano:
• cordierite (estrusi);
• mullite (estrusi, schiume, fibre);
• carburo di silicio (estrusi, schiume, tessuti);
• tialite (estrusi);
• mullite/zirconia (estrusi, schiume);
• mullite/tialite (estrusi,schiume);
mentre tra i materiali metallici figurano:
• metalli sinterizzati;
• reti metalliche;
• schiume metalliche.
Normalmente i materiali utilizzati nei filtri che equipaggiano le vetture attualmente in
commercio sono: tradizionalmente la cordierite e, più recentemente, il carburo di silicio.
Il carburo di silicio presenta una miglior resistenza ad elevata temperatura, ma un maggior peso ed un costo più elevato.
Le differenti configurazioni geometriche e le relative caratteristiche sono riportate in
tabella 3

La tipologia di gran lunga più usata è il wall-flow ceramic monolith, la cui tecnologia di produzione è patrimonio di un ristretto numero di produttori (Corning Glass ed NGK). Ultimamente è comparsa sul mercato una nuova tipologia di filtri a supporto metallico detti non-blocking a bassa contropressione allo scarico, il cui principio di funzionamento verrà analizzato nel prosieguo.

2.2. Il filtro wall-flow ceramico
I filtri di tipo wall-flow a supporto ceramico sono direttamente derivati dai supporti flowthrough utilizzati per i tradizionali catalizzatori a struttura ad honeycomb, avendone ostruito alternativamente le sezioni di ingresso ed uscita di ogni singolo canale con l’obiettivo di forzare il moto dei gas esausti attraverso l’elemento filtrante permettendo così la rimozione meccanica delle particelle: in Figura 12 ne è riportato il principio di funzionamento.

I meccanismi di intercettazione del particolato possono essere classificati come segue:

• depth filtration, ossia le particelle di dimensione minore degli elementi porosi del
filtro si depositano all’interno del materiale filtrante attraverso l’azione di
differenti campi di forze;
• cake filtration, ossia le particelle di dimensione maggiore degli elementi porosi
del filtro, si depositano sul muro dell’elemento filtrante essendo bloccati
meccanicamente.
I meccanismi illustrati possono essere riconosciuti nell’immagine SEM di Figura 13
La depth filtration avviene secondo i meccanismi riportati nelle Figure 14, 15 e 16.

La diffusional deposition dipende dal moto browniano associato alle particelle di diametro minore di 0.3 ?m: queste particelle non si muovono in maniera coerente con le linee di flusso, ma diffondono verso la superficie del corpo intercettatore.
La inertial deposition è importante per particelle di massa elevata (ovvero di diametro elevato). Le particelle collidono contro il corpo intercettatore poichè per via della propria inerzia non riescono a seguire le linee di flusso.
La streamline interception può avvenire qualora la particella segua linee di flusso molto vicine al corpo intercettatore, e toccandolo possano essere da esso bloccate.

2.3. Il filtro non-blocking a supporto metallico
Le trappole di tipo wall-flow descritte rappresentano ad oggi la tecnologia più efficacie per ridurre le emissioni di particolato con l’obiettivo di ottemperare alle più stringenti normative. Esse difatti sono caratterizzate da un’elevata efficienza di filtrazione, ma anche dal provocare un’elevata contropressione in corrispondenza degli elementi filtranti e variabile nel tempo in funzione del carico di particolato.
Una possibile soluzione potrebbe consistere nell’adozione di un filtro non-blocking a
supporto metallico: in Figura 17

Il dispositivo riportato è realizzato mediante lamine corrugate, assemblate e sagomate in maniera da poter riempire un cilindro o una forma geometrica assegnata. All’interno dei canali sono ricavate una serie di palette che forzano localmente il flusso ad attraversare il materiale filtrante permettendo così di intercettare una parte delle particelle contenute nei gas di scarico secondo quanto illustrato in Figura 18.

Il filtro non-blocking permette di ottenere una contropressione limitata allo scarico,
specialmente all’aumentare del carico del filtro, anche in condizioni di clogging.

2.4. Rigenerazione dei filtri per particolato
Come risulta evidente, la contropressione offerta allo scarico dovuta alla presenza del filtro per particolato nel sistema di scarico del veicolo è una caratteristica negativa, dato che aumenta il consumo di combustibile e diminuisce la coppia motrice massima disponibile. La contropressione aumenta, inoltre, man mano che il filtro si carica di particolato:
l’andamento caratteristico del loading è riportato inFigura 19: loading di un filtro per particolato; il punto di funzionamento del motore è di medio
carico e velocità.
A causa del fenomeno del loading, è necessaria la pulizia periodica del filtro tramite la combustione delle particelle accumulate (rigenerazione del filtro).
Relativamente alle condizioni di portata in massa ed ossigeno tipicamente disponibili allo scarico di un motore Diesel, una completa rigenerazione del filtro richiederebbe una temperatura degli esausti pari a circa 550 °C, difficilmente raggiungibile durante le normali condizioni di guida.
Pertanto, numerose tecniche di rigenerazione sono state sviluppate nel corso degli ultimi 20 anni, le più semplici basate sulla combustione assistita mediante catalizzatori con l’obiettivo di ridurre la temperatura operativa di rigenerazione a circa 450 °C.
I catalizzatori possono essere impiegati sia mediante rivestimento degli elementi filtranti (Farrauto et al., van den Tillaart et al., Neeft et al. 1996, Neft et al. 1997), sia attraverso l’opportuno dosaggio di additivi nel combustibile (Johnson 2000, Kasper et al.).
Altri sistemi invece prevedono la rigenerazione continua del filtro, come ad esempio il
CRT (Continuosly Regenerating Trap) brevettato da Johnson and Matthey (Cooper et al.) basato sulla combustione del particolato a spese dei NOx presenti nei gas di scarico.


2.5. Rigenerazione assistita mediante additivi
Gli additivi per combustibili tipicamente utilizzati per la rigenerazione assistita sono
composti organico-metallici: la parte organica viene ossidata nel cilindro, mentre la parte metallica viene incorporata nelle particelle di particolato sotto forma di composti metallici. Le specie più comunemente utilizzate sono il Cerio ed il Ferro, per il basso costo e la ridotta tossicità.
Sebbene la velocità di ossidazione del particolato sia notevolmente aumentata dalla
presenza dell’additivo, gli esausti devono essere ulteriormente riscaldati per ottenere la giusta temperatura di rigenerazione; normalmente si opera sui parametri di iniezione, e si effettua l’opportuno tuning sul sovralimentatore per evitare variazioni di bmep con l’obiettivo di non variare le prestazioni del motore.
Il gruppo PSA è stato il primo produttore di automobili ad impiegare questo sistema per la produzione in serie (Salvat et al.); lo schema del sistema è riportato in Figura 20
Il sistema è composto da:
• Un filtro wall-flow in carburo di silicio;
• Un catalizzatore ossidante a monte del filtro per particolato;
• Un sistema di dosaggio per l’additivo; l’additivo è contenuto in un apposito
serbatoio e viene automaticamente mescolato con il combustibile;
• Sensori dedicati ed una ECU specifica per attivare il sistema di gestione apposito
del motore e per la diagnostica; La rigenerazione del filtro avviene ogni 400-500 km, ed è avviata dal sistema di iniezione common-rail. Durante la rigenerazione vengono impiegate tre iniezioni: pilot, main e post; quest’ultima assicura che i gas di scarico abbiano la temperatura desiderata.
L’ulteriore aumento della temperatura degli esausti è assicurata dall’ossidazione degli HC prodotti dalla post nel catalizzatore ossidante, il cui ruolo è molto importante a basso carico ed a ridotta velocità. Il buon funzionamento del sistema dipende dalla risoluzione di problemi connessi con la durata del filtro e l’accumulazione di ceneri. Elevati stress termici possono infatti comparire qualora siano presenti elevati gradienti termici, specialmente durante la rigenerazione a bassa space-velocity, che causano microcricche riducendo la durata del
filtro. La presenza dell’additivo, invece, provoca il deposito di ulteriori ceneri nel filtro; il serbatoio deve inoltre essere riempito periodicamente. Mediamente ogni 80000 km, pertanto, il filtro deve essere pulito con acqua ed il serbatoio riempito.
Recentemente anche il gruppo VW ha equipaggiato la Passat con il sistema descritto.

2.6. Rigenerazione assistita mediante washcoated filter
I filtri per particolato washcoated sono stati sviluppati nei primi anni ’80, ed introdotti da Mercedes in California nel 1985. Il filtro utilizzato è un classico wall-flow ceramico (in cordierite o carburo di silicio), i cui elementi filtranti sono rivestiti con materiale catalitico (ossidi di metalli Ba, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, La, Mn, V o metalli nobili Pt, Pd) (Figura 21)
I problemi connessi con questa tipologia di filtro sono principalmente due:
• La distanza tra i siti attivi e le particelle carboniose è troppo elevata, quindi
l’azione catalitica risulta debole;
• Il materiale catalitico provoca l’ossidazione dell’SO2 in SO3, che può filtrare
attraverso il materiale poroso ed essere rilasciato in atmosfera, e con l’acqua può
dare luogo ad ulteriori particelle costituite da solfati che possono incrementare le
emissioni di particolato.
I coatings a sali fusi presentano minori inconvenienti, essendo costituiti da miscele
eutettiche di ossidi metallici presenti in fase liquida a temperature relativamente basse; le particelle possono quindi essere bagnate dal catalizzatore, ed è quindi garantito un miglior contatto.
Il recente sviluppo effettuato su questa tecnologia, indicano che il filtro washcoated, se combinato con un avanzato sistema di controllo, possa essere una valida alternativa al sistema con additivo; Toyota è stato il primo costruttore ad introdurre il sistema DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction, Figura 22) nella produzione di serie sull’Avensis. Il DPNR è costituito da un NOx adsorber catalyst impregnato su un tradizionale filtro wallflow a supporto ceramico; il sistema quindi presenta un ingombro limitato.
Il DPNR è installato in una posizione close-coupled rispetto al motore, e risulta
particolarmente efficacie grazie all’avanzato sistema di gestione del motore; il motore è equipaggiato con un quinto iniettore collocato nel collettore di scarico, per creare le giuste condizioni operative per il funzionamento. Il sistema richied gasolio a basso tenore di zolfo, recentemente introdotto in alcuni paesi dell’Unione Europea.
Il sistema DPNR permette di mantenere le emissioni di NOx e di particolato al di sotto di EURO IV rispettivamente del 50 e del 90 %.


La Umicore ha sviluppato una nuova tecnologia per i filtri washcoated; tale sistema viene utilizzato sulle classi C ed E di Mercedes, e non richiede alcun uso di additivi. Anche VW/Audi ha equipaggiato recentemente i propri modelli di punta con filtri washcoated .
2.7. Rigenerazione passiva CRT
Il funzionamento del filtro CRT si basa sulla presenza dei NOx nei gas esausti dei motori Diesel. Il sistema (Figura 23) è composto da un catalizzatore ossidante a base di Pt ed un filtro per particolato. Il sistema è detto passivo perchè non richiede l’utilizzo di fonti di calore supplementari, e richiede combustibile a basso tenore di zolfo per ottenere la riduzione di particolato massima possibile.
Il sistema si basa sul principio dell’ossidazione del particolato tramite l’NO2, che avviene a più bassa temperatura rispetto all’O2 (circa 260 °C), e compatibile con il range tipico degli esausti dei motori Diesel.
Il catalizzatore ossidante, posto a monte del filtro, permette l’ossidazione dell’NO in NO2, che viene utilizzato per la combustione del particolato nel filtro. Il catalizzatore svolge anche le funzioni tradizionali di conversione di HC e CO.
Il filtro può essere coated o uncoated con Pt per promuovere ulteriormente la reazione di combustione del particolato.
Il sistema risulta affidabile qualora funzioni con un rapporto NOx/PM di almeno 25.
Tale sistema è molto conveniente se adottato su una trappola non-blocking a supporto metallico; in una tale geometria, infatti, l’NO2 risulta disponibile in tutto il filtro, e non solo a monte degli elementi filtranti, dando la possibilità di effettuare una rigenerazione ancor più efficiente. Tale dispositivo, chiamato PM-Filter-Catalyst, sarà presto adottato da MAN nella produzione di serie.
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http://www.uniroma2.it/didattica/
 
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