Perché è così difficile creare motori diesel puliti?

Brutte notizie per Volkswagen. L’azienda sta richiamando 500.000 auto diesel negli Stati Uniti e 11 milioni di veicoli in tutto il mondo perché possono emettere fino a 40 volte i livelli consentiti di quegli inquinanti atmosferici che sono chiamati ossidi di azoto (NOx) secondo il New York Times.

La società è ora coinvolta in uno scandalo, dopo che è stato rivelato che la Volkswagen ha deliberatamente disattivato il filtro progettato per intrappolare i NOx dallo scarico.

“Hanno scritto un pezzo di codice che diceva ‘Accendere solo quando si è in fase di test,’ ha detto Jorn Herner, capo della pianificazione della ricerca, dell’amministrazione, e della Mitigazione delle emissioni nella divisione di ricerca del California Air Resources Board. L’ampiezza e la natura della truffa ha fatto infuriare molti proprietari di auto e ha costretto il CEO della società di dimettersi.

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Ma il richiamo ha anche sollevato la questione: era così difficile fare in modo che le automobili diesel funzionassero a basse emissioni tanto che l’azienda ha dovuto ricorrere a barare? Si scopre che i motori diesel hanno un intrinseco compromesso tra potenza, efficienza del carburante e emissioni pulite, dicono gli esperti.

“Tu hai il potere, voi avete l’energia, loro hanno le emissioni: si arriva a scegliere tra due di loro”, ha detto Don Hillebrand, direttore della ricerca di sistemi energetici presso l’Argonne National Laboratory in Illinois, e ex presidente della Società Automotive Engineers. In questo caso, la Volkswagen dà la priorità alla potenza e al risparmio di carburante rispetto agli Stati e allo standard di emissioni ammesso a livello internazionale.

I motori a benzina

Per capire perché esiste questo trade-off, è utile conoscere le differenze tra motori diesel e motori a combustione a benzina. I motori a benzina sono quelli che le auto americane utilizzano in maggioranze e funzionano a partire da un vapore di benzina e dall’aria che si incontrano con una candela di accensione. Quando il vapore di benzina brucia, si espande e spinge un pistone verso il basso, producendo l’energia che mette in moto le ruote e spinge la macchina.

Poiché benzina è altamente raffinato, è composto da un mix abbastanza uniforme con relativamente brevi catene di carbonio collegate ad atomi di idrogeno, noti come idrocarburi, ha detto Hillebrand. “Se sai esattamente quello come il combustibile si presenta”, ha detto Hillebrand a Science “E ‘abbastanza facile sapere esattamente la composizione chimica del gas di scarico.”

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Con prodotti di combustione uniforme, è una questione relativamente semplice pulire lo scarico. I motori a gas utilizzano catalizzatori semplici, come un materiale come il platino, per legare sostanze chimiche tossiche come il monossido di carbonio, e convertirli in sostanze innocue come l’anidride carbonica. (L’anidride carbonica è il gas serra primario che guida il cambiamento climatico, ma è anche la sostanza innocua che espiriamo ogni volta che respiriamo.) Le case automobilistiche sono diventate molto brave a pulire le emissioni di benzina, ha detto sempre Hillebrand.

“Dopo che lo scarico esce da un motore a benzina, l’aria è più pulita, in realtà, che l’aria di fondo di Chicago”, Hillebrand ha detto.

I motori diesel

I motori diesel funzionano in modo diverso. Invece di utilizzare una candela per la combustione del combustibile, un motore diesel comprime una nebbia del combustibile liquido e dell’aria a temperature estremamente elevate e a pressioni molto elevate – talvolta migliaia di gradi Fahrenheit. Questo ambiente da pentola a pressione è in realtà ciò che provoca la combustione spontanea della miscela.

Poiché la miscela brucia spontaneamente, è alla pressione e alla temperatura ideale per bruciare in modo efficiente l’energia nel combustibile. La maggiore espansione del gas provoca una compressione più potente dei pistoni, che produce più energia. I Big Rigs usano il diesel proprio per questa capacità di traino in più, ha detto Hillebrand. (Per resistere alle temperature e alle pressioni altissime prodotte nel processo di combustione, i motori diesel devono essere fatti in modo molto più resistente, con materiali più spessi, ed è per questo che possono essere usati per centinaia di migliaia di miglia, Hillebrand ha aggiunto).

I carburanti diesel

Il gasolio è diverso dalla benzina. La spessa sostanza sciropposa non è molto diversa dal petrolio estratto direttamente dalla profondità. Chimicamente, è a malapena raffinato e contiene un mix di catene di idrocarburi molto più lunghi e altri composti misteriosi, ha detto Hillebrand.

Perché è pieno zeppo di catene di idrocarburi più lunghi, ogni gallone di gasolio contiene più energia. Combinando il combustibile a più alta densità energetica con il processo di combustione più efficiente, il motore diesel può realizzare una economia di combustibile molto più elevata. Dunque è più efficiente.

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Ma, il problema è che “è ottenuto con sostanze chimiche ulteriori e le cose che brucerà che non sempre sai cosa sono”, anche se molti di loro sono ricchi di zolfo, ha detto Hillebrand. Le vecchie auto diesel che avevano gas di scarico puzzolenti, o scarico sotto forma di fuliggine hanno vomitato un sacco di questo particolato solforoso nell’atmosfera. Al giorno d’oggi, però le case automobilistiche sono diventate molto brave a intrappolare questo tipo di inquinante atmosferico dai gas di scarico diesel, ha detto.

I fumi nocivi

Ma Volkswagen si è trovata in difficoltà quando ha cercato di intrappolare un altro tipo di inquinante, chiamato NOx. Il NOx include una varietà di azoto e composti chimici di ossigeno (come NO2, NO3, ecc) che si formano solo ad alte temperature. Il NOx reagisce con la luce del sole nell’atmosfera e si trasforma in ozono, e l’ozono è un irritante.

“E ‘quello che fa lacrimare gli occhi, fa venire il male di gola, aggrava l’asma e è responsabile di tanti altri tipi di problemi cardiovascolari”, ha detto Herner.

Le auto diesel producono molto di più NOx rispetto alle auto a benzina. Per esempio, quando Herner e i suoi colleghi hanno testato le emissioni da 20.000 auto del 2009 e le successive autovetture a Los Angeles, appena lo 0,6 per cento erano auto diesel, ma hanno prodotto una frazione significativa delle emissioni di NOx, e la maggior parte proveniva da Volkswagen e Audi, ha detto.

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“Le temperature e le pressioni alle quali un motore diesel funziona rendono il più combustibile efficiente ma più ampie sono anche le condizioni che convertono la quantità massima di ossigeno e azoto in NOx,” ha detto Herner a Science.

Gli Stati Uniti si sono spostati per ridurre drasticamente le emissioni di NOx, e l’amministrazione Obama ha recentemente proposto standard di ozono ancora più bassi, che serviranno ad alimentare anche ulteriori riduzioni di NOx. In Europa, dove circa la metà delle vetture funziona a gasolio, i regolatori si sono invece concentrati sul risparmio di carburante e riduzione delle emissioni di anidride carbonica, con il trade-off essendo l’aria più sporca, Herner ha detto.

Emissioni sporche, maggiore potenza

La pulizia dei NOx dal gasolio è anche un processo impegnativo. A causa della composizione più varia del carburante e l’utilizzo del motore di combustione spontanea, non è chiaro esattamente quando e esattamente quali composti vengono formati, il che rende più difficile da pulire, ha detto. Hillebrand

Circa un decennio fa, prima che le norme sulle emissioni venissero ridotte, le case automobilistiche hanno perseguito strategie diverse per risolvere questo problema. “Diversi produttori hanno fatto scommesse su tecnologie diverse”, ha detto Herner.

Le vetture costruite da Mercedes-Benz, per esempio, iniettano un fluido extra chiamato urea per convertire i NOx in sostanze meno nocive. Questo approccio (chiamato Bluetec) non compromette il risparmio di carburante o di alimentazione, ma richiede un serbatoio separato per l’urea, che deve essere riempito periodicamente, ha detto Herner.

Volkswagen ha investito milioni di dollari per sviluppare una trappola per i NOx, invece. La trappola assorbe ossido di azoto e biossido di azoto come una spugna. Una volta che la trappola è piena, il sistema può iniettare una dose di carburante prima di rilasciare le sostanze di scarico. Il carburante reagisce con il NOx per formare sostanze benigne. In genere, il filtro funziona solo per circa 10 secondi, una volta ogni 10 minuti, ha detto Herner. (Possono anche eseguire la combustione in modo diverso in alcuni punti per ridurre le emissioni).

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Alla luce delle recenti rivelazioni, però, sembra che la Volkswagen abbia fatto la scommessa sbagliata. Volkswagen potrebbe aver fatto ricorso a barare perché la trappola NOx mangia carburante o riduce la potenza dell’auto, ha detto Herner. E’ una relativamente semplice correzione riattivare le trappole NOx sulle vetture ritirate, ha detto.

“Questi veicoli possono operare all’interno delle nostre regole”, ha detto Herner. “La nostra priorità ora è quella di settarli in modo che lo facciano.” Ma i proprietari di Volkswagen potrebbero restare delusi dalle vetture, ad alto consumo di carburante e più pigre, che ricevono indietro.”

Quale tecnologia per il futuro?

E’ probabile che le auto del futuro includeranno una tecnologia diesel che combina tecniche di pulizia delle emissioni, potenza e risparmio di carburante, ha detto Hillebrand. Quando gli ingegneri analizzano il processo di combustione dei motori diesel, scoprono che ci sono alcune pressioni e temperature che producono alti livelli di fuliggine o NOx. Ma alcuni regimi di temperatura e pressione rendono efficiente la combustione del carburante senza produrre inquinanti.

La squadra di Hillebrand sta sviluppando un tipo di combustione a bassa temperatura per sistemi che mirano a fare proprio questo. Questi sistemi sperimentali, tuttavia, hanno bisogno di molto di molta ingegneria prima che siano una soluzione commerciabile, ha aggiunto. Chiaramente, il problema dei motori diesel puliti è estremamente impegnativo.

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