di Costantino Radis
Abbassare la temperatura o non abbassare la temperatura? Questo è il problema!
Abbassare la temperatura di combustione favorisce la riduzione degli ossidi di azoto. Ma aumenta la temperatura latente del motore e la produzione di particolato.
Una strada che in molti hanno deciso di percorrere adottando l’EGR con il filtro antiparticolato
Abbiamo visto come la formazione degli ossidi di azoto e del particolato sia legata in modo indissolubile dalla temperatura di combustione.
Purtroppo sappiamo anche che non esiste una strada univoca per contrastare contemporaneamente i due fattori inquinanti.
La scelta di ottimizzare la combustione con temperature molto elevate, andando poi a trattare gli ossidi di azoto con l’urea (Riduzione Catalitica Selettiva), permette di abbassare notevolmente i consumi grazie a una resa decisamente migliore del motore.
Si tratta della soluzione oggettivamente più razionale e intelligente da molteplici punti di vista soprattutto per i motori con potenze elevate.
Ciò nonostante molti costruttori hanno scelto di utilizzare l’EGR con il filtro antiparticolato per evitare di usare fin da subito l’SCR senza però tenere presente che l’ultimo gradino normativo impone valori degli ossidi difficilmente raggiungibili – con potenze e cilindrate elevate – con la sola riduzione della temperatura di combustione.
Sono esausto ma servo ancora
Il principio di base su cui si fonda la tecnologia dell’EGR (Exhaust Gas Recirculation) prevede che la temperatura di combustione sia abbassata tramite il ricircolo di una percentuale (dal 5 al 15%) dei gas di scarico combusti (e quindi esausti) che passano dai collettori di scarico ai condotti di aspirazione.
Il ricircolo dei gas esausti ha però delle controindicazioni pratiche che incidono in modo anche pesante sulla durata, sulla manutenzione e sul dimensionamento dei componenti di raffreddamento del motore.
Una strada che non è semplice percorrere
Le principali problematiche che pone l’EGR sono date dalla manutenzione periodica della valvola e dei condotti in cui i gas esausti tendono a depositare residui della combustione che, nel tempo, possono ostruire completamente il circuito di ricircolo arrivando anche a dover sostituire alcuni componenti.
Se nei piccoli motori si tratta di spese che possono ragionevolmente essere comprese nei costi di esercizio ordinari, nei grandi motori si tratta invece di interventi che si possono inserire di diritto fra quelli ritenuti di manutenzione straordinaria e che, quindi, incidono in modo pesantemente negativo sui costi globali di esercizio.
E che alla fine della vita utile della macchina possono anche far propendere verso marchi e costruttori con soluzioni più semplici, economiche e razionali.
Non solo.
Nei piccoli propulsori il sistema EGR può essere, in certi casi, una soluzione definitiva – anche se più costosa rispetto al passato – per ottemperare alle normative senza l’uso del filtro antiparticolato (DPF). Nei grandi motori, invece, la presenza del filtro è necessaria per riuscire a ottemperare ai limiti normativi imposti ponendo quindi un’ulteriore problematica di genere manutentivo.
Il filtro, ovviamente, necessita di manutenzione nel tempo che passa dalla pulizia e può arrivare fino alla necessaria sostituzione periodica.
Si tratta quindi di una strada che in agricoltura ha già dimostrato tutti i suoi limiti portando i grandi costruttori verso soluzioni diverse in cui non solo i costi di manutenzione siano ridotti al minimo ma anche gli ingombri sotto ai cofani siano contenuti al massimo.
Le altre problematiche, infatti, riguardano proprio gli ingombri dei dispositivi filtranti.
Oltretutto occorre tenere conto che, nei grandi motori Stage IV e Tier IV Final con EGR+DPF, è comunque necessaria la presenza dell’impianto SCR per riuscire a contenere gli ossidi di azoto al di sotto dei valori normativi.
Vale la pena raffreddare?
L’ultima problematica è sicuramente il raffreddamento del motore.
Infatti, se da un lato l’EGR comporta un abbassamento della temperatura di combustione, dall’altro si ha un maggiore calore complessivo che va smaltito aumentando le masse radianti. Ovviamente a discapito dello spazio sotto ai cofani che, in alcuni casi, hanno portato alla loro smisurata crescita o alla completa riorganizzazione degli spazi a disposizione.
Nel primo caso con un uso smodato di telecamere per rispettare le prescrizioni della Direttiva Macchine.
Dall’altro con intere fiancate cosparse di masse radianti, ventole e cofani grigliati.
Uno svantaggio competitivo laddove gli spazi siano ridotti per forza di cose – come nel caso dei trattori agricoli – con un ulteriore appeal a favore dei motori con SCR.
Ci sono però alcuni casi in cui l’uso dell’EGR può essere una valida alternativa che non complica troppo la vita, mantiene i costi di gestione sotto controllo e non implica di dover gestire l’urea sotto forma di AdBlue.
Si tratta di tutte quelle applicazioni in cui sono richiesti motori di cilindrata piccola e media con potenze non elevate in cui non risulta difficile controllare i parametri imposti dalla normativa o – come nel caso dei motori al di sotto dei 56 kW – con valori da rispettare meno severi rispetto ai propulsori con potenze superiori.
Largo ai piccoli
L’utilizzo dell’EGR in questi propulsori comporta, soprattutto per i costruttori di macchine movimento terra compatte, un buon compromesso fra costi di costruzione e rispetto delle norme ambientali.
Trattandosi di piccole unità (cilindrate che variano fra i 2.000 cm3 e i 3.200/3.500 cm3 circa) non risulta eccessivamente complicato gestire il calore del motore con masse radianti leggermente più grandi rispetto al passato ma in grado di non stravolgere le consuete linee progettuali.
La presenza del filtro antiparticolato – di solito a rigenerazione attiva – risulta ancora non troppo ingombrante sia da un punto di vista «fisico» che da un punto di vista della manutenzione ordinaria e straordinaria.
In buona sostanza, per una fascia di macchine e di potenze, l’EGR+DPF rappresenta un equilibrio accettabile e conveniente sotto molti punti di vista con un equilibrio fra costi di gestione e semplicità complessiva di impiego tali da annullare gli svantaggi che questa tecnologia comporta nelle grandi motorizzazioni.
I medi fanno fatica
Con cilindrate e potenze di poco più elevate (intorno ai 4.000 cm3), per contro, iniziano a sorgere i primi problemi in merito al rispetto dei valori fissati dalla normativa con, in alcuni casi, la tecnologia EGR+DPF accompagnata, nello step finale, anche dalla tecnologia SCR evidenziando i limiti applicativi di cui si è parlato e che nelle macchine compatte risultano ancora più limitanti per oggettiva carenza di spazio.
Alcuni costruttori sono riusciti, nei penultimi gradini normativi, a fare a meno del DPF ma, con lo Stage IV/Tier IV Final, hanno dovuto cedere ai dispositivi di filtraggio e trattamento dei gas di scarico per riuscire a rimanere al di sotto dei valori imposti.
Temperature di combustione più basse e filtraggio dei gas di scarico: la strada dell’EGR non esclude il trattamento dei fumi Nel momento in cui un costruttore di motori si pone il problema di fare rientrare nei parametri emissivi imposti i propri propulsori ci sono molte domande a cui i progettisti devono rispondere. Non tutti, probabilmente, si sono posti gli stessi interrogativi o, forse, non tutti hanno trovato le stesse risposte alle stesse domande. Una fra queste dovrebbe riguardare, prima di tutto, la manutenzione nel tempo e gli eventuali problemi che un motore potrebbe dare all’utilizzatore finale durante la vita operativa della sua macchina movimento terra. Non sempre questo atteggiamento di propensione al cliente o, meglio, di customer satisfaction (come dicono sempre i soloni del marketing) è stato messo al primo posto nel momento in cui si sono intraprese le tortuose strade che portano all’EGR. Soprattutto nei grandi motori. Questo è accaduto per vari motivi e, in molti casi, perché i costruttori di motori hanno fatto tutto il possibile per riuscire ad adattare ai successivi passaggi normativi dei motori che già avevano in casa propria riducendo al minimo investimenti e ricerca. Altri hanno invece deciso di differenziare le produzioni in modo da fornire la soluzione migliore possibile per soddisfare il cliente finale in termini di puri costi di gestione. Partendo dal consumo per arrivare alla manutenzione ordinaria e straordinaria. Ci sono poi casi in cui il costruttore – sapendo molto bene a quali problematiche stava accompagnando per mano i propri clienti – ha deciso di intraprendere campagne promozionali in cui forniva nel prezzo iniziale di acquisto della macchina un certo numero di manutenzioni al sistema EGR e un certo numero di filtri antiparticolato nel corso di un numero stabilito di ore di utilizzo. L’elemento fondamentale è che, a ogni modo, l’ EGR non esclude il trattamento dei fumi e, soprattutto, negli step normativi finali, non esclude il trattamento con AdBlue per riuscire a limitare gli ossidi di azoto. Si tratta, in buona sostanza, di una soluzione intermedia che aveva preso piede qualche anno fa ma che, nel tempo, ha dimostrato tutti i suoi limiti sia applicativi che funzionali. Se nei piccoli motori è ancora oggi uno strumento efficace ed economicamente sostenibile per il cliente finale, nei grandi motori i suoi limiti sono evidenti. Non è in fatti un caso se in agricoltura, dove gli ingombri e le problematiche operative sono nettamente più stringenti rispetto al movimento terra, c’è stato un vero e proprio «passaggio in massa» alla tecnologia con SCR da parte di tutti i costruttori.
