Diesel: Quanto deve essere pulito?

Quelle: P.M. Rivista 08/2003.
http://www.pm-magazin.de/de/heftartikel/ganzer_artikel.asp?artikelid=727


Tecnologia automobilistica.
Quanto deve essere pulito un motore diesel?


Da sempre si è sospettato che le particelle di fuliggine diesel contribuiscano allo sviluppo del cancro. Ora, i ricercatori affermano il contrario.

Il messaggio del video pubblicitario di Peugeot è chiaro: non rimane una sola particella di fuliggine quando un fazzoletto bianco viene avvicinato allo scarico del motore in funzione. Il motore diesel di Peugeot funziona silenziosamente al minimo, ma non emette gas di scarico sporchi: il fazzoletto rimane pulito, l'ambiente resta incontaminato, perché l'auto è dotata di un filtro antiparticolato.

Le automobili diesel con filtro antiparticolato di Peugeot e Citroen si vendono molto bene. Tuttavia, le case automobilistiche tedesche non considerano i filtri antiparticolato una soluzione definitiva contro i residui nocivi della combustione. È in corso un'intensa competizione tra i progettisti di motori su come rendere innocue le sostanze inquinanti provenienti dagli scarichi dei sempre più popolari motori diesel, o addirittura impedirne la formazione. Il punto di riferimento sono le normative europee sulle emissioni: l'attuale normativa Euro 3 sta per scadere; a partire dal 2005, tutte le nuove autovetture diesel devono rispettare la normativa Euro 4, più rigorosa. Prevedibilmente, cinque anni dopo, nel 2010, entrerà in vigore il livello successivo, Euro 5.

Già la normativa Euro 4 prevede una riduzione del 50% delle particelle presenti nei gas di scarico dei motori diesel, portandole a 0,025 grammi per chilometro. Ad esempio, sui 1000 chilometri tra Amburgo e Bolzano, lo scarico può emettere al massimo un cucchiaino di fuliggine. Questi 25 grammi corrispondono più o meno alla stessa quantità di polvere rilasciata dalle pastiglie dei freni, e rappresentano solo un terzo della quantità di usura che i quattro pneumatici producono su questa distanza.

Con la normativa Euro 4, si mira a ridurre ulteriormente anche gli altri inquinanti presenti nei gas di scarico, inclusa l'emissione di monossido di carbonio (CO) del 22%.
Come ridurre gli ossidi di azoto (NOx) del 50 percento. Queste direttive politiche sono definite "norme di risultato", che non specificano tecniche particolari per rispettare i limiti stabiliti. Spetta ai produttori decidere quali soluzioni tecniche adottare.

Per quanto riguarda i motori diesel, le particelle sono al centro di un acceso dibattito: si tratta di residui di combustione di dimensioni diverse. Nei motori più vecchi, soprattutto in quelli con una regolazione non ottimale, queste particelle sono visibili ad occhio nudo come una nuvola di fumo. Si formano quando, a causa di una scarsa miscelazione tra carburante e aria, si creano zone locali con carenza di ossigeno, nonostante l'eccesso di aria tipico dei motori diesel. La nuvola di fumo che esce dallo scarico è particolarmente densa durante le partenze veloci ai semafori verdi o quando i camion affrontano salite: in entrambi i casi, il motore viene sollecitato al massimo, quindi viene iniettata molta benzina, ma viene aspirata relativamente poca aria.

I motori moderni e ben regolati emettono significativamente meno particelle di fuliggine. Questo perché il carburante diesel viene iniettato a una pressione molto più alta, consentendo alle goccioline estremamente fini di miscelarsi meglio con l'aria e garantendo una combustione quasi completa. Tuttavia, anche i motori diesel nuovi emettono "particelle sottili" invisibili, grandi 100 nanometri (nm), ovvero 0,01 millimetri, che vengono rilasciate nello scarico. Quanto sono pericolose?

I polmoni rappresentano la porta di accesso per gli agenti inquinanti presenti nell'aria. Proprio come un mantice che si gonfia e si sgonfia, noi respiriamo: i muscoli del diaframma creano una pressione negativa e aspirano circa mezzo litro d'aria, dodici o diciotto volte al minuto, ovvero circa 20.000 volte al giorno. Nel corso di 24 ore, assumiamo tra i 10.000 e i 20.000 litri d'aria. È un lungo percorso che parte dal naso, dove l'aria viene pre-filtrata e umidificata, passando per le vie aeree (bronchi e bronchioli) fino ai circa 300-500 milioni di alveoli polmonari. La velocità dell'aria diminuisce progressivamente, e più in profondità una particella penetra nell'organismo con l'aria respirata, tanto più a lungo può rimanervi, depositarsi e causare danni.

Nel corso dell'evoluzione, l'uomo ha sviluppato dei meccanismi per filtrare le particelle sospese e la polvere dall'aria che respira. Nel naso si depositano già le particelle più grandi, che possono essere viste sul fazzoletto dopo averlo soffiato. Questo filtro è già molto efficace, e maggiore è la quantità di polvere che si deposita, migliore è il suo effetto. Più in profondità nel corpo, la polvere rimane attaccata alle superfici umide dei bronchi. Insieme al muco, viene continuamente spinta verso la gola da piccoli peli vibratili (ciglia); un sistema di allarme con sensori chimici attua meccanismi di difesa come tosse e starnuti per liberare i polmoni.

Alcune particelle sono così fini da poter attraversare i bronchi e raggiungere le vie respiratorie più profonde. Tuttavia, non lo fanno indisturbate: proprio come la polizia pattuglia le strade pubbliche, così nelle profondità dei polmoni, negli alveoli, si muovono cellule fagocitiche che sorvegliano il territorio, dove non sono più presenti i cigli vibratili. Queste cellule, chiamate macrofagi, attaccano gli intrusi e possono digerirli – un processo definito "fagocitosi" nel linguaggio medico.

Quando le cellule fagocitiche sono sopraffatte dall'attacco delle particelle, "reagiscono in modo incontrollato", afferma il professor Joachim Bruch della clinica universitaria di Essen. "In questo caso, rilasciano radicali liberi e ossidi di azoto." Questi agenti irritanti estremamente pericolosi possono danneggiare il DNA delle cellule vicine e favorire la formazione di un tumore.

Finora si è sempre ritenuto che le polveri tecniche, in particolare le particelle ultrafini provenienti dalla combustione del carburante nei motori, potessero eludere i meccanismi di difesa dei polmoni e depositarsi negli alveoli. Si pensava che lì potessero rimanere per mesi, o addirittura anni, e che, eventualmente, potessero migrare nei vasi sanguigni o danneggiare gli alveoli polmonari. Tuttavia, secondo le più recenti ricerche del professor Bruch, presentate dallo stesso scienziato solo poche settimane fa al convegno sui motori di Vienna, questa ipotesi non è più valida.
Il nostro sistema immunitario è in grado di difendersi efficacemente dall'ingresso delle particelle più piccole e di distruggerle attraverso le cellule fagocitiche. Tuttavia, come accennato, queste devono essere presenti in numero sufficiente. Questo contrasta con la tesi comune secondo cui il sistema di difesa dell'organismo non sarebbe in grado di gestire le particelle più piccole. "Esiste una dose, ma non un effetto", afferma Bruch. Infatti, grazie al catalizzatore di ossidazione per i motori diesel, le sostanze cancerogene presenti nel particolato, come gli idrocarburi policiclici aromatici, sono state trasformate. La quantità residua di particolato, chimicamente inerte (il termine "inerte" significa che il particolato non reagisce e non forma nuove sostanze), è inferiore al limite Euro-4 ed è così minima che la soglia di danno alla salute causata da un moderno motore diesel viene ampiamente superata.

I risultati degli studi di Bruchs confermano l'opinione dei produttori automobilistici tedeschi. Finora, infatti, nessun studio ha dimostrato che il particolato diesel abbia proprietà cancerogene. Solo in esperimenti su ratti, utilizzando dosi migliaia di volte superiori a quelle normali, è stato possibile ottenere una simile evidenza. Pertanto, le aziende automobilistiche locali non vedono la necessità di filtri antiparticolato come quelli montati da Peugeot o Citroen, che notoriamente trattengono il 99% delle particelle.

Nonostante ciò, le aziende hanno concordato di non lasciare ai francesi il dominio nel settore dei motori diesel ecologici con filtri antiparticolato; le aziende tedesche vogliono continuare a mantenere la leadership tecnologica. Durante il Salone Internazionale dell'Automobile di settembre, come è stato deciso, offriranno anch'esse motori dotati di sistemi di filtraggio delle particelle, quasi controvoglia. Questi modelli si ispireranno ai sistemi di Peugeot e Citroen, molto probabilmente a malincuore dei tecnici.
Nella versione Peugeot, viene iniettato permanentemente nel carburante un additivo a base di ferro, del prodotto naturale cera d'api, Cerin, e di una miscela di rame, stronzio e platino. Questo additivo si deposita all'interno del cilindro come una nebbia sulle particelle di fuliggine, abbassandone la temperatura di combustione da circa 600 a circa 450 gradi; in questo modo, le particelle vengono bruciate. (Un sistema simile viene utilizzato per pulire i bruciatori a olio con stecche). La combustione delle particelle avviene automaticamente ogni 500 o 800 chilometri, a seconda dello stile di guida; a quel punto, il filtro è nuovamente pulito e solo la cenere dell'additivo rimane al suo interno. Gli svantaggi di questo metodo sono: aumenta il consumo di benzina e, nel corso degli anni, è necessario riempire ripetutamente il serbatoio dell'additivo da cinque litri. Inoltre, dopo 120.000 chilometri, i residui di cenere diventano così grandi che ostruiscono il filtro, rendendo necessaria la sua sostituzione; i costi sono di circa 300-600 euro.

I produttori tedeschi intendono evitare questo inconveniente con il loro sistema di filtraggio. Secondo informazioni riservate, Audi sta sviluppando un sistema che rigenera il filtro senza l'aggiunta di additivi, per prevenire l'intasamento dovuto ai suoi residui. Per fare ciò, è necessario aumentare temporaneamente la temperatura dei gas di scarico, poiché solo a partire da 600 gradi le particelle vengono completamente bruciate e il filtro viene rigenerato. "Attraverso un'iniezione supplementare di carburante, successiva alla combustione iniziale", afferma un esperto di motori, "viene aggiunta una piccola quantità di gasolio finemente nebulizzato ad alta pressione al già presente miscela infiammabile." Questo volume di un millimetro cubo evapora, ma non viene completamente bruciato. Viene convertito in calore da un catalizzatore di ossidazione posto a monte del filtro antiparticolato. Il processo di trasformazione chimica aumenta la temperatura dei gas di scarico fino a 650 gradi, consentendo alle particelle di bruciare all'interno del filtro.
L'intervallo con cui è necessaria una fase di rigenerazione per il filtro dipende dallo stile di guida. Nel traffico urbano e su brevi tragitti, la rigenerazione avviene automaticamente ogni 500-800 chilometri, a seconda della temperatura del motore. Durante i viaggi più lunghi, gli intervalli possono essere significativamente più ampi. Infatti, anche solo mezz'ora di guida veloce in autostrada può consentire al filtro di rigenerarsi autonomamente, senza la necessità di un preriscaldamento specifico. L'obiettivo è evitare la pulizia o addirittura la sostituzione del filtro.
Nel gruppo Volkswagen, con la scadenza della normativa Euro 3 alla fine del 2004, si prevede che verranno offerti filtri antiparticolato per i veicoli le cui motorizzazioni non riescono a rispettare i limiti di emissione Euro 4 senza l'utilizzo di un filtro. Si tratta principalmente di SUV sportivi potenti e berline di lusso.

Per raggiungere le normative Euro-5, ulteriormente rafforzate e in vigore a partire dal 2010 circa, è necessario sviluppare nuovi processi di combustione. Gli ingegneri motori stanno quindi lavorando su soluzioni che consentano di ottenere una miscela aria-diesel uniforme e distribuita omogeneamente all'interno del cilindro. Ciò aumenterebbe notevolmente la superficie di contatto tra le particelle di diesel e l'aria, riducendo significativamente le emissioni nocive durante la combustione. L'obiettivo si vuole raggiungere attraverso nuove forme della camera di combustione, nuovi iniettori e una maggiore pressione durante l'iniezione: attualmente, questa varia a seconda del sistema da 1350 a 2050 bar (equivalente alla pressione di una Volkswagen Golf su un'unghia) e per rispettare la normativa Euro-5, verrà aumentata a 1800-2400 bar. Al momento, si tratta ancora di tecnologia futura.
A partire dal 2005, è necessario rispettare la normativa Euro-4: un obiettivo che molti motori, soprattutto quelli più piccoli, ma anche modelli come il potente motore V6 Audi da 180 cavalli, hanno già raggiunto, grazie anche al gasolio senza zolfo, e questo anche senza l'utilizzo di filtri antiparticolato. Al momento della commercializzazione, sono previsti incentivi fiscali. Chi desidera fare ancora di più per l'ambiente può ordinare un filtro antiparticolato aggiuntivo e dimostrare di avere una "condotta irreprensibile" con il semplice test del fazzoletto sullo scarico.

Autore: Wolfgang Stegers.

Ulteriori informazioni sul funzionamento di DPF + Oxikat:
http://www.mdpi.org/ijerph/papers/ijerph2006030038.pdf




Basta citazioni!

Per me, è interessante il test del fazzoletto. Sono subito corso al mio AXR e l'ho eseguito. Il risultato: ho una "gilet" bianca!
Ho l'impressione che l'autore, pur riconoscendo alcuni aspetti positivi del filtro antiparticolato (DPF), ne rimanga comunque molto critico. È meglio controllare le sostanze inquinanti o le particelle che non si formano affatto.
Non ero a conoscenza del fatto che un motore diesel EU4 provochi una maggiore quantità di usura degli pneumatici e di polvere dei freni nell'ambiente. Questa affermazione è molto interessante. È ora di introdurre gradualmente dei limiti alle emissioni per i pneumatici e le pastiglie dei freni!}


Purtroppo, l'articolo contiene diversi errori gravi:
La Volkswagen prevede di offrire il filtro antiparticolato (DPF) solo come optional a pagamento, poiché i nuovi motori a 4 e 6 cilindri soddisfano già le normative Euro 4. Nelle berline di grandi dimensioni/SUV, si utilizza la tecnica della tassazione basata sul peso (>2,8 tonnellate di massa totale), e il veicolo rientra quindi nelle normative sulle emissioni dei veicoli commerciali. Il V10 TDI è un vero inquinatore e non raggiunge nemmeno le normative Euro 3 (anche la BMW M5 e la Mercedes Classe M non sono migliori).
Secondo quanto dichiarato da SVA e BOSCH, il rispetto della normativa EU5 con una pressione di iniezione di 1800 bar senza filtro antiparticolato (DPF) non dovrebbe essere possibile. La tecnologia Common Rail (PD) raggiunge già da tempo i 2050 bar e, anche con tutte le ottimizzazioni, riesce a soddisfare la normativa EU4. Per raggiungere la EU5, c'è ancora molta strada da fare.

Ah, e c'è anche un'altra informazione importante: il filtro antiparticolato (DPF) funziona solo con il gasolio a basso contenuto di zolfo, che viene utilizzato nell'UE.