Sistemi di post trattamento dei gas di scarico: struttura, funzionamento e diagnosi

Qui troverete preziosi e utili consigli per le officine sulla struttura, sul funzionamento e sulla diagnosi del post-trattamento dei gas di scarico.

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Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici riportati di seguito sono stati redatti da HELLA per offrire un'assistenza professionale alle officine. Le informazioni contenute in questo sito web dovrebbero essere utilizzate esclusivamente da personale tecnico specializzato.

 

Struttura e funzionamento del post-trattamento dei gas di scarico: Informazioni di base

Il post-trattamento dei gas di scarico comprende i processi che depurano meccanicamente, cataliticamente o chimicamente i gas di scarico dopo che hanno lasciato la camera di combustione.

 

Il post-trattamento viene effettuato per convertire gli inquinanti prodotti durante la combustione in gas di scarico non tossici. Tra i componenti di post-trattamento dei gas di scarico troviamo catalizzatori e filtri antiparticolato. Oggi entrambi i componenti possono essere installati sia su un motore a benzina a iniezione diretta che su un motore diesel.

 

I seguenti sistemi, ad esempio, possono essere installati nell’impianto di scarico per ridurre gli inquinanti:

 

 

Motore a benzina

  • Catalizzatore a tre vie
  • Catalizzatore ad accumulo di NOx (motori a combustione magra)
  • Filtro antiparticolato per motori a benzina (motori a iniezione diretta)

 

Motore diesel

  • Catalizzatore di ossidazione
  • Filtro antiparticolato
  • Catalizzatore ad accumulo di NOx
  • Catalizzatore SCR

Catalizzatore

Il catalizzatore oggi più comunemente utilizzato nei motori a benzina convenzionali è il catalizzatore regolato a tre vie. Il compito del catalizzatore è quello di trasformare per reazione chimica gli inquinanti provenienti dal processo di combustione del carburante in gas di scarico non tossici. In combinazione con la centralina motore e la sonda lambda, la miscela aria-carburante viene regolata con precisione per consentire al catalizzatore di ridurre gli inquinanti. L'intervallo di temperatura di lavoro ottimale dei catalizzatori è di 400–800 °C.

Struttura

Il catalizzatore è costituito da un corpo in ceramica o metallo a nido d'ape con diverse migliaia di canali. Sui canali si trova uno strato intermedio (wash coat) in ossido di alluminio, che aumenta la superficie di circa 7000 volte. Inoltre, sullo strato intermedio viene depositato uno strato di vapore catalitico con i metalli preziosi rodio, palladio e platino. Il catalizzatore è fissato nell'alloggiamento in acciaio inox con un tappetino isolante, che compensa allo stesso tempo l'espansione termica.

Modalità di funzionamento

I gas di scarico nocivi provenienti dal motore vengono convogliati al catalizzatore attraverso il collettore di scarico e attraversano i canali del supporto in ceramica o in metallo a nido d’ape. Il contatto dei gas di scarico con lo strato catalitico innesca una reazione chimica.

 

Sui metalli preziosi platino e palladio, il monossido di carbonio e gli idrocarburi vengono ossidati a biossido di carbonio, mentre sul rodio gli ossidi di azoto vengono ridotti ad azoto (N2). Il termine catalizzatore a tre vie significa che tre conversioni chimiche avvengono simultaneamente una accanto all'altra non appena viene raggiunta la temperatura di esercizio. Così, il monossido di carbonio (CO), gli idrocarburi (HC) e gli ossidi di azoto (NOx) vengono convertiti in azoto (N2), biossido di carbonio (CO2) e acqua (H2O).

 

Il funzionamento del catalizzatore è monitorato da una seconda sonda lambda, detta anche sonda di monitoraggio, posta a valle del catalizzatore. Tale sonda di monitoraggio misura il contenuto di ossigeno nel flusso dei gas di scarico e trasmette il valore misurato alla centralina. La centralina confronta i valori delle sonde a monte e a valle e può così valutare il funzionamento del catalizzatore. Se entrambi i valori sono pressoché identici, ciò indica una bassa capacità di accumulo di ossigeno del catalizzatore e un catalizzatore difettoso.

Video sull'argomento

Convertitore catalitico

Nel nostro video corso intensivo, vi forniamo una panoramica completa sul tema delle marmitte catalitiche.

Filtro antiparticolato diesel

I filtri antiparticolato sono installati nell’impianto di scarico dei motori diesel per ridurre le emissioni di fuliggine. Il filtro antiparticolato diesel immagazzina le particelle solide che non vengono completamente bruciate nel motore. Queste nanoparticelle, di dimensioni ridotte, sono molto dannose per l'uomo e per l'ambiente. L'interno del filtro antiparticolato è costituito da un filtro in ceramica con molti piccoli canali. Questi canali con pareti porose vengono chiusi in modo alternato e suddivisi in canali di ingresso e di uscita. I gas di scarico attraversano le pareti del filtro e le particelle di fuliggine si depositano sulle pareti del filtro. Le pareti porose producono un buon effetto filtrante e un elevato grado di separazione. Il numero crescente di particelle di fuliggine accumulate fa aumentare la contropressione nell’impianto di scarico. Il grado di carico o la resistenza al flusso del filtro antiparticolato è monitorato dalla centralina motore. Un sensore di pressione differenziale registra i dati a monte e a valle del filtro antiparticolato e trasmette queste informazioni alla centralina motore. Se la differenza di pressione supera un determinato valore, la centralina avvia una rigenerazione per bruciare le particelle.

 

Affinché le particelle di fuliggine possano essere bruciate, la temperatura dei gas di scarico nel filtro antiparticolato deve essere portata a 600–650 °C. A tal fine, la centralina motore effettua un'iniezione o una post-iniezione di carburante durante la rigenerazione attiva, con conseguente aumento della temperatura dei gas di scarico.

 

A seconda del veicolo e del sistema, la rigenerazione può essere effettuata ogni 400–700 km.

 

Per evitare campi di temperatura superiori a 700 °C, la temperatura viene monitorata da un sensore di temperatura dei gas di scarico appena prima del filtro antiparticolato.

 

Le ceneri prodotte durante la rigenerazione non vengono completamente rimosse dal flusso dei gas di scarico e si accumulano quindi nel filtro. Questo può causare l'intasamento del filtro che quindi deve essere pulito o sostituito. Vengono quindi dedotti gli intervalli di sostituzione del filtro, ad es. ogni 120.000 km.

Nota

Per calcolare il carico di fuliggine del filtro antiparticolato, la centralina motore utilizza i segnali del sensore di pressione differenziale, dei sensori di temperatura a monte e a valle del filtro antiparticolato e del debimetro. Pertanto, i segnali sono considerati come un'unità.

Video sull'argomento

Filtro antiparticolato diesel

Nel video viene fornito un piccolo estratto delle nostre conoscenze. Vi guideremo nello studio della struttura e della funzione, nonché delle procedure di analisi appropriate. Il nostro obiettivo comune: ridurre le emissioni!

Rigenerazione

A seconda del sistema e della casa costruttrice del veicolo, è possibile eseguire diverse procedure di rigenerazione del filtro antiparticolato.

 

Rigenerazione passiva
La rigenerazione passiva viene eseguita non appena le temperature dei gas di scarico nel filtro antiparticolato raggiungono un valore di 350–500 °C durante i viaggi in autostrada a velocità elevate.

 

Rigenerazione attiva
La rigenerazione attiva viene eseguita dalla gestione motore. Se viene raggiunto il limite di carico del filtro antiparticolato, la temperatura dei gas di scarico viene portata a 600–650 °C tramite la centralina motore per bruciare le particelle di fuliggine.

 

Rigenerazione forzata
Questo tipo di rigenerazione può essere eseguito da un'officina tramite un dispositivo di diagnosi secondo le istruzioni indicate.

Filtro antiparticolato combinato

Il filtro antiparticolato e il catalizzatore di ossidazione possono essere installati in un unico alloggiamento come filtro antiparticolato diesel con rivestimento catalitico. In questa combinazione, il catalizzatore è installato a monte del filtro antiparticolato. Combina la funzione di catalizzatore di ossidazione diesel e di filtro antiparticolato diesel in un unico componente. In questo modo, gli idrocarburi (HC) e il monossido di carbonio (CO) possono essere convertiti in acqua (H2O) e biossido di carbonio (CO2) e le particelle di fuliggine possono essere filtrate dai gas di scarico. Un altro compito del catalizzatore di ossidazione è quello di modificare il rapporto tra azoto (NO) e biossido di azoto (NO2) per consentire la rigenerazione passiva del filtro DPF e migliorare le prestazioni del catalizzatore SCR. Mentre i gas di scarico attraversano il catalizzatore, la loro temperatura aumenta a causa dei processi chimici. Il calore viene trasferito al filtro antiparticolato con il flusso dei gas di scarico. Ciò significa che il catalizzatore supporta il riscaldamento del filtro antiparticolato.

Catalizzatore ad accumulo di NOx

Il catalizzatore ad accumulo di NOx viene utilizzato nei motori diesel e a benzina a iniezione diretta. Il catalizzatore presenta uno strato catalitico composto da sostanze come l'ossido di potassio o l'ossido di bario che legano le molecole di ossido di azoto. Non appena il catalizzatore ad accumulo ha raggiunto una certa capacità di assorbimento, la centralina motore ingrassa la miscela aria-carburante, aumentando così la temperatura dei gas di scarico. La modifica della composizione dei gas di scarico causa la rigenerazione e gli ossidi di azoto (NOx) vengono ridotti ad azoto (N2) e acqua (H2O).

Catalizzatore SCR

La riduzione catalitica selettiva (SCR) è uno degli sviluppi più recenti e avanzati nella riduzione dei gas di scarico delle automobili. Questa tecnologia è in uso dal 2014 e soddisfa le norme EURO 6 sulle emissioni. Aggiungendo urea (AdBlue) al flusso dei gas di scarico, gli ossidi di azoto (NOx) vengono convertiti in azoto (N2), vapore acqueo (H2O) e una piccola percentuale di CO2 nel catalizzatore ad accumulo di NOx mediante una reazione catalitica selettiva. La struttura di un catalizzatore ad accumulo di NOx corrisponde a quella di un catalizzatore di ossidazione.

Sensori di post-trattamento dei gas di scarico

I moderni sistemi di post-trattamento dei gas di scarico non sono costituiti solo dai componenti dell’impianto di scarico, ma presuppongono oltre al monitoraggio della composizione dei gas di scarico anche vari sensori per trasmettere le informazioni alla centralina motore.

Sonda lambda

La sonda lambda determina il contenuto di ossigeno residuo nei gas di scarico e fornisce alla centralina motore un segnale elettrico per regolare la composizione della miscela. Per ottenere un tasso di conversione ideale del catalizzatore, è necessario raggiungere una combustione ottimale. In un motore a benzina ciò si ottiene con un rapporto aria-combustibile pari a 14,7 kg di aria per 1 kg di carburante (miscela stechiometrica). Tale miscela ottimale è simboleggiata dalla lettera greca λ (lambda). Questa lettera designa il rapporto tra il fabbisogno teorico e la quantità realmente immessa di aria:

 

λ = quantità di aria immessa: quantità di aria teorica = 14,7 kg : 14,7 kg = 1

Sensore di temperatura dei gas di scarico

Nei modelli di veicoli moderni, sia diesel che a benzina, i sensori di temperatura dei gas di scarico sono installati in vari punti dell'impianto di scarico. Il sensore di temperatura dei gas di scarico rileva la temperatura, ad esempio a monte del catalizzatore o del filtro antiparticolato diesel e la segnala alla centralina motore sotto forma di segnale di tensione. La centralina motore ha bisogno di questa informazione per controllare la composizione della miscela o la rigenerazione del filtro antiparticolato e quindi ridurre efficacemente le emissioni. Inoltre, i sensori di alta temperatura contribuiscono a proteggere i componenti da un surriscaldamento critico nella zona in cui il flusso dei gas di scarico è caldo.

Sensore di pressione differenziale

Il sensore di pressione dei gas di scarico, noto anche come sensore di pressione differenziale, è utilizzato nei motori diesel per il monitoraggio del sistema del filtro antiparticolato. L'aumento dei depositi di fuliggine e di cenere modifica la pressione differenziale all'interno del filtro antiparticolato. Il sensore di pressione differenziale misura la differenza di pressione tra i gas di scarico sul lato di ingresso e quelli sul lato di uscita del filtro antiparticolato. Il valore misurato viene utilizzato dalla gestione motore elettronica come informazione aggiuntiva per calcolare il momento opportuno per la rigenerazione del filtro antiparticolato. Questo sensore è dunque un altro elemento del sistema di regolazione delle emissioni di inquinanti per i motori diesel, in base alle norme europee sulle emissioni.

Sensore di ossido di azoto

Il sensore NOx (sensore di ossido di azoto) è composto da una sonda e una centralina collegate in modo fisso tra loro come unità tramite un cablaggio. Questa unità sensore è installata nell'impianto di scarico e viene utilizzata per rilevare gli ossidi di azoto nel flusso dei gas di scarico. Il sensore NOx è un componente importante del sistema di post-trattamento per la riduzione di NOx utilizzato nei veicoli diesel con sistemi SCR (Selective Catalytic Reduction) a base di urea, che garantisce il rispetto dei severi valori di emissione a partire dalla norma Euro 5. Il sensore NOx consente quindi un dosaggio ottimale di AdBlue attraverso il sistema del motore e quindi una riduzione efficace degli ossidi di azoto dannosi per l'ambiente. Se il sistema SCR è dotato di un sensore NOx a monte e uno a valle, quello a valle ha il compito di monitorare l'azione del catalizzatore SCR.

Diagnosi dell’impianto di scarico: Ricerca guasti

Prima di iniziare la diagnosi della centralina sul veicolo, è necessario effettuare un controllo visivo dell'intero impianto di scarico. I danni esterni sono di solito già evidenti nel cambiamento dei rumori emessi e possono essere causati da crepe o ruggine in corrispondenza di tubi, connessioni o silenziatori. I rumori provenienti dall'interno dei componenti del sistema possono essere localizzati scuotendo o picchiettando sul rispettivo componente. Naturalmente, in questo contesto occorre controllare anche la tenuta dei collegamenti a vite, delle piastre di protezione termica e dei supporti in gomma. Non bisogna dimenticare anche i sensori dei gas di scarico, che possono essere montati distribuiti sull'intero impianto. I cablaggi o i connettori elettrici qui possono essere stati danneggiati a causa di influenze ambientali come sporcizia, acqua o sale antigelo.

Diagnosi della centralina

Il controllo del funzionamento dell’impianto di iniezione o del post-trattamento dei gas di scarico può essere effettuato solo con un dispositivo di diagnosi idoneo.

 

Il funzionamento dei singoli componenti per il post-trattamento dei gas di scarico viene monitorato tramite sensori e il risultato viene trasmesso alla rispettiva centralina del sistema sovraordinata. I guasti che si verificano vengono memorizzati nella memoria guasti della centralina motore e possono essere letti con un apposito dispositivo di diagnosi. A seconda del veicolo e del sistema, nel dispositivo di diagnosi possono essere selezionate e visualizzate o eseguite funzioni aggiuntive come i parametri o la prova attuatori. I dati della comunicazione della centralina sono la base per la ricerca guasti vera e propria e una riparazione di successo. Inoltre, i valori dei gas di scarico possono essere controllati e valutati attraverso una misurazione del tubo di scarico.

 

Le seguenti informazioni di diagnosi sono illustrate utilizzando come esempio una Mercedes-Benz E350 24V CDI (212) e una Volkswagen Golf 5 Plus.

Lettura della memoria guasti della centralina motore

Con questa funzione è possibile leggere e cancellare i codici di guasto memorizzati nella memoria guasti. È possibile inoltre richiamare informazioni sul codice di guasto.

 

Nel nostro esempio, è stato rilevato un sensore NOx guasto, con conseguente memorizzazione del codice di guasto P220317 nella memoria guasti.

 

  • P220317 / Sensore NOx 1 bancata 1
  • Cortocircuito su polo positivo / superamento del valore limite di tensione

Lettura dei parametri

Con questa funzione, è possibile selezionare e visualizzare i valori misurati attuali come regime del motore, temperatura o valori sullo stato di singoli componenti per i gas di scarico.

 

  • Catalizzatore SCR / sensori NOx
  • Controllo del funzionamento catalizzatore / confronto sonde lambda
  • Stato di carico filtro antiparticolato / sensore di pressione differenziale

Informazioni di sistema

Per la ricerca guasti si possono utilizzare le informazioni specifiche per il sistema delle informazioni del veicolo. Qui, ad esempio, è possibile utilizzare una panoramica del sistema di post-trattamento dei gas di scarico per un'ulteriore ricerca guasti.

Misurazione del tubo di scarico

Con la misurazione del tubo di scarico, i gas di scarico in uscita possono essere rilevati e analizzati direttamente nell’impianto di scarico (consiglio per il prodotto: test dei gas di scarico). Vengono rilevati i difetti dell’impianto di scarico o del post-trattamento dei gas di scarico, che possono essere inclusi nell'ulteriore ricerca guasti.