La marmitta catalitica si occupa dei gas tossici; non è mai stata pensata per la fuliggine, le particelle microscopiche di carbonio che la combustione diesel — e, da circa un decennio, anche i motori a benzina a iniezione diretta — produce in quantità davvero dannose. È un lavoro separato per un componente separato: il filtro antiparticolato, DPF (Diesel Particulate Filter) sui diesel o GPF (Gasoline Particulate Filter) sui motori a benzina a iniezione diretta. Entrambi funzionano sullo stesso principio di base, ed entrambi condividono lo stesso problema fondamentale: devono periodicamente bruciare ciò che trattengono, a una temperatura che la guida urbana ordinaria spesso non raggiunge mai.
Un labirinto di ceramica che costringe lo scarico ad attraversare le proprie pareti
Dentro il contenitore metallico del filtro c’è un substrato ceramico a nido d’ape, ma con una differenza cruciale rispetto al design a canali aperti di una marmitta catalitica: i canali di un filtro antiparticolato sono tappati alternativamente alle estremità opposte, costringendo ogni molecola di gas di scarico a passare lateralmente attraverso le pareti ceramiche microscopicamente porose tra un canale e il successivo, invece di fluire dritto attraverso. Questa geometria a flusso a parete è ciò che effettivamente trattiene la fuliggine — le particelle troppo grandi per passare attraverso i pori restano fisicamente incollate alla superficie della parete mentre il gas stesso le supera — ed è anche esattamente il motivo per cui un filtro gravemente intasato soffoca la respirazione del motore e danneggia i consumi: più fuliggine si accumula su quelle pareti, più il motore deve lavorare per spingere lo scarico attraverso gli spazi che si restringono.
Rigenerazione passiva: bruciare la fuliggine quasi gratis
La fuliggine in sé non si incendia sotto i 550°C, una temperatura che il normale scarico diesel praticamente non raggiunge mai da solo; le temperature ordinarie allo scarico di un diesel si aggirano tipicamente tra 200°C e 400°C a seconda del carico. Il rivestimento catalitico del filtro risolve questa incompatibilità chimicamente invece che termicamente: promuove una reazione tra la fuliggine trattenuta e il diossido di azoto (NO2) presente nel flusso di scarico che brucia la fuliggine in continuo esattamente a quelle stesse temperature quotidiane di 200-400°C, senza bisogno di alcun picco di calore drammatico. Questa rigenerazione passiva avviene costantemente e invisibilmente durante qualsiasi guida con carico e flusso di scarico sufficientemente sostenuti — il viaggio autostradale è il caso da manuale — ed è esattamente per questo che un’auto che fa solo tragitti brevi e a bassa velocità in città fatica: raramente c’è flusso di scarico sufficientemente sostenuto perché la rigenerazione passiva tenga il passo con quanta fuliggine si accumula.
Rigenerazione attiva: la centralina alza deliberatamente la temperatura
Quando il modello di carico di fuliggine della centralina motore (calcolato da sensori di pressione a monte e a valle del filtro, incrociato con chilometraggio e stile di guida) decide che la rigenerazione passiva non sta tenendo il passo, attiva la rigenerazione attiva: inietta carburante extra tardi nel ciclo di combustione, dopo il punto in cui normalmente contribuirebbe alla potenza, specificamente per portare la temperatura di scarico nell’intervallo 550-650°C dove la fuliggine trattenuta si incendia finalmente e brucia direttamente, senza alcuna scorciatoia chimica ad assisterla. Questo è il processo che un guidatore nota effettivamente — un minimo leggermente più ruvido, un odore caldo o inusuale, a volte un messaggio sul cruscotto che chiede esplicitamente un periodo sostenuto di guida a velocità più elevata — ed è anche la causa più comune in assoluto dei guasti legati al DPF: un’auto che fa solo tragitti brevi può rimanere bloccata in un ciclo perpetuo di avvio della rigenerazione attiva e successivo spegnimento prima che si completi, accumulando sempre più fuliggine a ogni tentativo incompleto, finché il filtro non si intasa abbastanza da attivare una spia o, nel peggiore dei casi, non deve essere sostituito del tutto.
DPF e GPF: stesso principio, chimica di scarico diversa
I motori a benzina a iniezione diretta — la stessa tecnologia GDI elogiata altrove in questa serie per il dosaggio preciso del carburante — si sono rivelati avere un effetto collaterale indesiderato: spruzzare il carburante direttamente nel cilindro, invece di premiscelarlo nel collettore di aspirazione, lascia notevolmente meno tempo per carburante e aria di miscelarsi in modo uniforme prima dell’accensione, il che produce misurabilmente più particolato di fuliggine di quanto non facessero i vecchi motori a benzina a iniezione indiretta. È esattamente per questo che i GPF sono diventati obbligatori in tutta l’UE da settembre 2017 (Euro 6c) sulle auto a benzina GDI, usando lo stesso identico principio ceramico a flusso di parete di un DPF. La chimica è però più facile da gestire sul lato benzina: lo scarico della benzina corre più caldo di quello diesel e i motori a benzina producono all’origine circa un ordine di grandezza in meno di massa di fuliggine, quindi i GPF generalmente hanno bisogno di una rigenerazione attiva meno aggressiva e si intasano molto meno spesso nell’uso tipico rispetto a un DPF diesel.
La ricerca UE che cerca una soglia di accensione più bassa
La temperatura di accensione della fuliggine a 550°C è il vero collo di bottiglia dietro ogni grattacapo da DPF che un guidatore sperimenta, e il progetto UE NANDEEC (“Nano-Fiberous Catalysed Filters for Diesel Exhaust Emission Control”, Horizon 2020, Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship, coordinato dall’Università di Birmingham, Regno Unito, €195.455, 2015-2017) ha puntato direttamente a quel numero: sviluppare un rivestimento catalitico a struttura nanofibra (usando ossidi di praseodimio e manganese) progettato specificamente per incendiare la fuliggine trattenuta a una temperatura più bassa di quanto riescano i rivestimenti convenzionali, puntando a rendere la rigenerazione passiva efficace in più condizioni di guida reali, non solo nella marcia autostradale sostenuta. Sul lato benzina, il ben più grande progetto UPGRADE (“High Efficient Particulate-Free Gasoline Engines”, Horizon 2020, Research and Innovation Action, coordinato dal Centro Ricerche Fiat, Italia, €8,12M, 2016-2019) ha sviluppato la tecnologia GPF specificamente per la nuova generazione di motori GDI stechiometrici e a combustione magra, insieme ai sistemi di iniezione, sovralimentazione e gestione termica che determinano quanto particolato produce un motore GDI fin dall’origine — affrontando il problema sia dal lato della combustione che da quello del filtro.
Photo: © Car-Shooters