Il futuro del motore diesel

Malgrado la corsa verso una mobilità sostenibile, concentrata sullo sviluppo dell’ibrido e dell’elettrico, il diesel sembra rimanere ancora un’alternativa valida per realizzare veicoli a basso impatto ambientale. Il mercato più proficuo per i motori diesel moderni è stato, e al momento lo è ancora, l’Europa. Basti pensare, per esempio, che nello stabilimento Volkswagen di Salzgitter, fino a poco tempo fa, il mix nella produzione di motori era di 3:1 a favore delle unità a gasolio. Le cose, però, in quest’ultimo periodo si stanno complicando non poco, perché la normativa europea in fatto di emissioni sta proponendo grosse sfide al settore della trazione diesel. Tanto che proprio in questi ultimi tempi, e sempre nello stesso stabilimento Volkswagen di cui abbiamo detto, il mix si sta spostando sul fronte dei motori a benzina, mentre in un’altra zona dello stesso stabilimento è stata avviata la produzione di veicoli elettrici a batteria, i noti BEV (Battery Electric Vehicle), tanto che Volkswagen stessa prevede, per la fine di questo decennio, di avere la metà dei veicoli prodotti equipaggiati con questo tipo di tecnologia.

Per ridurre le emissioni di ossidi di azoto, Mercedes-Benz ha adottato una doppia strategia: il ricircolo a controllo elettronico dei gas di scarico e due convertitori catalitici sotto il pavimento vettura.
Sopra, per ridurre le emissioni di ossidi di azoto, Mercedes-Benz ha adottato una doppia strategia: il ricircolo a controllo elettronico dei gas di scarico e due convertitori catalitici sotto il pavimento vettura.

La fine del diesel è ancora lontana 

Malgrado l’esempio di cui abbiamo parlato e sebbene la ricerca, la sperimentazione e la produzione di veicoli ibridi ed elettrici stia procedendo a spron battuto, le ricerche in fatto di mobilità sembrano confermare che il motore a gasolio ci accompagnerà almeno per altri dieci anni. Questo è il motivo per cui tutti i centri di Ricerca e Progettazione delle case stanno investendo ancora molto sul diesel e sul suo perfezionamento, il tutto per renderlo un motore ancora più pulito e in grado di dire la sua negli anni che seguiranno.

The diesel engine is fit for the future: Changeover to new emissions standard: new Mercedes-Benz passenger cars comply with t

Come migliorare il motore a gasolio: l’esempio del TDI Volkswagen

Gli spazi per ottimizzare le già complesse unità attuali vanno cercati nei diversi sottosistemi. A partire dal manovellismo, per finire all’impianto di iniezione e poi ancora a quello di scarico, giusto per citarne solo alcuni. Per capire la questione, il caso del motore Volkswagen TDI, nelle sue varie versioni, ci può aiutare. L’evoluzione di questo diesel ha interessato in prima battuta le masse, la cui riduzione è stata ottenuta introducendo una nuova struttura in lega di alluminio per il supporto dell’albero motore, con quest’ultimo rivisto al fine di ottenerne un evidente alleggerimento. Si pensi che nell’insieme, ovvero tra struttura e albero, gli ingegneri Volkswagen sono riusciti a risparmiare, nel caso migliore, ben 20 kg rispetto all’unità precedente. I tecnici poi, si sono concentrati sulle perdite meccaniche per attrito, che rappresentano una quota parte dell’assorbimento di potenza inutile e sprecata. Per ottenere questo genere di obiettivo, Volkswagen ha lavorato sui nuovi pistoni in acciaio e nuove bielle, realizzati con cuscinetti di dimensioni ridotte. Anche le valvole e, soprattutto, le fasce elastiche sono state ridisegnate, sempre con l’obiettivo finale di ridurre gli attriti. Il sistema di lubrificazione si è evoluto, e oggi il TDI tedesco utilizza una pompa a cilindrata variabile, che assorbe la massima potenza solo quando serve. Un altro impianto, su cui è possibile ottenere eccezionali performance sotto il profilo delle emissioni e dei consumi, è il sistema di raffreddamento. Per il TDI sono stati separati i circuiti della testata e del blocco cilindri e per la loro gestione sono state impiegate pompe elettriche. Anche questa, è una soluzione che permette di far funzionare l’intero impianto secondo il concetto dell’on-demand, ovvero delle condizioni di esercizio del motore. Sul motore più potente, poi, è stata introdotta un’unità di controllo gestita elettronicamente che a sua volta aggiusta il flusso del fluido refrigerante secondo necessità. E sempre sul motore più potente della gamma è stato previsto il raffreddamento ad acqua per il gruppo turbocompressore, una soluzione che non solo aumenta l’affidabilità dell’insieme, ma permette di regolare il rendimento termico del gruppo. 

Motore Audi A4 3.0 TDI.

Ovviamente, i gruppi di sovralimentazione impiegati sui TDI più efficienti sono del tipo a geometria variabile, una prerogativa comunque ormai consolidata anche per tutti gli altri costruttori, che in termini di ricerca su questo argomento non sono da meno. La camera di combustione, e quello che avviene al suo interno, poi, è fondamentale e, forse, l’aspetto più importante per rendere il diesel pulito. L’esempio di Volkswagen è uno dei tanti. Citiamo l’impiego di iniettori con valvola a solenoide, che rendono possibile la gestione del numero e della sequenza delle iniezione, una tecnologia che ha permesso di migliorare sensibilmente i fattori legati alle emissioni. La pressione di iniezione può raggiungere i 2.000 bar e il modo con cui il gasolio viene iniettato diventa fondamentale per ottenere un prodotto gestibile dai sistemi di trattamento presenti allo scarico. Tornando ad un discorso più generico, e non strettamente legato con l’esempio di Volkswagen, il processo di combustione è il cuore di tutto e anche il segreto per cercare di ridurre all’origine gli NOx, ovvero gli ossidi di azoto. Questo sarà uno dei fattori determinanti per il motore diesel del futuro. Questo è anche il motivo per cui i sistemi di iniezione sono stati totalmente riprogettati, mentre anche l’ottimizzazione del funzionamento del turbocompressore potrà dare un grandissimo aiuto alla riduzione degli NOx, le particelle più incriminate quando si parla dei motori diesel.

L’elettrificazione leggera, ovvero il mild-hybrid

L’introduzione di alternatori che sono anche motori di avviamento ha permesso poi di avviare quella fase di affiancamento alla tecnologia diesel, e non solo, per poter ottenere recuperi energetici e partenze ottimizzate. Questa tecnologia è stata anche ampiamente utilizzata per introdurre i sistemi di Start&Stop, che avvallano l’idea secondo cui è inutile tenere accesso un motore quando si è fermi. Durante le decelerazioni, invece, il motore che ha dato l’energia per l’accensione si trasforma in alternatore capace di recuperare l’energia meccanica legata alla velocità del veicolo e di convertirla in energia elettrica.

I sistemi di post-trattamento dei gas 

Su questo fronte, invece, il lavoro che i costruttori stanno portando avanti, per rendere il motore a gasolio sempre più eco-friendly, è enorme. Sono stati introdotti i filtri per il particolato, i catalizzatori per gli ossidi di azoto e i sistemi di riduzione catalitica selettiva (SCR), tutti equipaggiati con sensori di pressione e di temperatura a monte e a valle di ogni elemento. Molti hanno anche introdotto un sistema SCR che opera iniezione multiple e calibrate, capaci di lavorare su un arco di temperature molto più ampio. Non solo. La tecnologia che governa il funzionamento del motore a monte dei sistemi di trattamento si è evoluta a tal punto che, per esempio, oggi non sono più necessari i riscaldatori elettrici una volta utilizzati per portare in temperatura i filtri, che diversamente non avrebbero potuto lavorare in condizioni ottimali. Questo fatto crea un vantaggio enorme, sotto ogni punto di vista, dalla riduzione delle masse inutili, fino alla limitazione del consumo di energia.

Il problema del particolato e degli ossidi di azoto

I motori a gasolio producono diversi inquinanti, ma emettono meno anidride carbonica di un motore a benzina. Sperimentalmente, a parità di tipologia di motore, attualmente un diesel emette circa il 15% in meno di CO2. La CO2 come sappiamo non è un inquinante, ma un gas che produce effetto serra e per questo va comunque controllato. Alla quantità di anidride carbonica emessa, poi, si lega la quantità di combustibile consumato. I benzina emettono più CO2 ed infatti sono propulsori meno efficienti del motore diesel. Quest’ultimo, però, ha due grossi problemi, il particolato e gli NOx, ovvero gli ossidi di azoto. Il problema del particolato è stato in parte o quasi totalmente risolto con l’utilizzo degli appositi filtri e con l’introduzione del processo di rigenerazione, oltre che con alcuni interventi sul processo di combustione. Il particolato derivante dalla rigenerazione e la sua emissione in atmosfera in forma di particelle molto più piccole è una discussione complessa, non affrontabile i questa sede. Diciamo che la questione si può ritenere pressoché risolta, mentre per quanto riguarda gli ossidi di azoto, l’introduzione di catalizzatori come il deNOx ha rappresentato solo una parte della soluzione, perché i veicoli alimentati con motori diesel producono una quota importante di questi gas e la loro limitazione, così come richiedono le normative future, è attualmente la sfida più dura da superare. Si pensi che ancora nel 2016, secondo un’analisi di Arthur D. Little, le emissioni dei veicoli a gasolio rappresentavano l’80% delle emissioni totali di NOx imputabili al trasporto. Le cose però sono migliorate e gli interventi tecnici messi a punto per abbattere la produzione di NOx ha portato, per esempio in Germania, secondo Mercedes, una riduzione del 70% degli ossidi di azoto, nel periodo compreso tra il 1990 e il 2017, tenendo conto che l’incremento del numero di veicoli presenti sulle strade è aumentato, nello stesso periodo, di oltre il 50%.

La riduzione degli NOx: l’ultimo step

Per quanto detto, la riduzione degli ossidi di azoto rimane il vero ostacolo da superare affinché il motore a gasolio possa essere considerato definitivamente un motore pulito. I risultati raggiunti oggi sono già da incorniciare. Chi volesse fare un semplice confronto con i motori del passato si accorgerebbe di quanto sia già stato fatto per la riduzione degli NOx. Ma la normativa futura richiede ulteriori tagli e, quindi, i progettisti stanno lavorando in questa direzione. Gli NOx si formano quando la temperatura di combustione nella camera di un motore diesel cresce. Una delle soluzioni attuate e in fase di ulteriore miglioramento è quindi il controllo della temperatura di combustione. Una delle proposte recenti per abbattere gli NOx è l’iniezione di ammoniaca direttamente nei cilindri durante la fase di espansione. Alcuni test di laboratori hanno messo in luce che l’iniezione di ammoniaca può ridurre le emissioni di NOx solo se è calibrata in funzione della temperatura e della forma del getto stesso. Come si vede, ci troviamo di fronte a problematiche che richiedono interdisciplinarità e tecnologie estremamente sofisticate, ma la strada è tracciata e il motore a gasolio ci farà compagnia ancora per qualche tempo. 

Questo articolo è uscito, in prima pubblicazione, sulla testata Il Giornale del Meccanico. Per avere una copia dei giornali, o per abbonarvi, potete contattare la Duessegi Editore.

Archivio immagini: Audi, Mercedes-Benz

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