Sulle strade circolano milioni di automobili, ciascuna delle quali è una fonte di inquinamento atmosferico. Specie nelle metropoli, le emissioni prodotte da tutti i veicoli a motore possono creare seri problemi, ai quali le amministrazioni locali, regionali e statali cercano di porre rimedio promulgando leggi sempre più severe, che in molti casi prevedono dei limiti di inquinamento per i veicoli
Per adeguarsi a tali leggi le Case automobilistiche hanno introdotto numerosi perfezionamenti sui motori e i sistemi di alimentazione. Per ottenere un'ulteriore riduzione delle emissioni nocive, è stato sviluppato il convertitore catalitico, un dispositivo efficiente che "pulisce" i gas di scarico prima della loro fuoriuscita, eliminando buona parte delle sostanze inquinanti.
Posizione del convertitore catalitico nell'auto
Questo articolo spiega il meccanismo di produzione delle sostanze inquinanti in un motore a combustione interna e in che modo il convertitore abbatte ciascuna di tali sostanze. Il convertitore catalitico è un dispositivo incredibilmente semplice, per cui stupisce scoprire quanto sia efficace!
Al fine di ridurre le emissioni, le moderne automobili sono state dotate di un sofisticato sistema di controllo della quantità di combustibile bruciato. Tale sistema tende a mantenere il rapporto aria/combustibile il più vicino possibile al valore ideale previsto in base ai coefficienti stechiometrici della reazione chimica. In teoria, con tale rapporto, il combustibile subisce un'ossidazione completa. Nel caso della benzina il rapporto stechiometrico è all'incirca pari a 14,7:1; in altri termini, per ogni grammo di benzina vengono consumati 14,7 grammi di aria. Questo nel caso ideale; in realtà però la composizione della miscela si discosta significativamente da tale valore durante la guida dell'autoveicolo. In certi casi si ha una miscela "magra" (rapporto aria/combustibile maggiore di 14,7) e in altri casi sia ha una miscela "ricca" (rapporto inferiore a 14,7). Le principali sostanze emesse dal motore di un'auto sono:
- Azoto (N2) - L'aria è composta per il 78% da questo gas. La maggior parte dell'azoto transita nel motore senza subire alterazioni chimiche.
- Anidride carbonica (CO2) - Uno dei prodotti della combustione. Gli atomi di carbonio delle molecole del combustibile si combinano con l'ossigeno contenuto nell'aria.
- Vapore acqueo (H2O) - Un altro dei prodotti della combustione. Gli atomi di idrogeno delle molecole del combustibile si combinano con l'ossigeno contenuto nell'aria.
Queste emissioni sono generalmente innocue (sebbene le emissioni di anidride carbonica contribuiscano al riscaldamento del globo terrestre); ma poiché il processo di combustione non è mai perfetto, nel motore vengono prodotte anche, in quantità minori, emissioni nocive:
- Monossido di carbonio (CO) - Un gas velenoso, incolore e inodore
- Idrocarburi o composti organici volatili (VOC) - derivanti soprattutto dall'ossidazione incompleta del combustibile, che evapora. La radiazione solare ne provoca la decomposizione, con formazione di ossidanti che a loro volta reagiscono con gli ossidi di azoto formando ozono (O3), che ristagna a livello del suolo ed è un importante componente dello smog.
- Ossidi di azoto (NO e NO2, indicati collettivamente come NOx) - contribuiscono alla formazione dello smog e della pioggia acida, e sono anche irritanti per le membrane mucose.
Queste tre sono le principali emissioni soggette a regolamentazione. Il loro abbattimento è lo scopo per cui sono progettati i convertitori catalitici.
Le auto più moderne sono dotate di convertitori catalitici a tre vie. Ciascuna di queste "tre vie" corrisponde a uno dei tre tipi di emissioni - molecole di ossido di carbonio, VOC e NOx - che devono essere ridotte in base alle leggi sull'inquinamento. Nel convertitore si utilizzano due tipi diversi di catalizzatore, il catalizzatore di riduzione e quello di ossidazione. Questi due tipi sono entrambi costituiti da una struttura di ceramica rivestita con un catalizzatore metallico, di solito platino, rodio e/o palladio. Essi sono stati progettati in modo tale da creare una struttura che esponga la massima area della superficie del catalizzatore al flusso dei gas di scarico, al tempo stesso riducendo al minimo indispensabile la quantità di catalizzatore occorrente (dato che ha un costo notevole).
Un convertitore catalitico a tre vie: Si notino i due catalizzatori separati
Nei convertitori catalitici si utilizzano principalmente due tipi di strutture: a nido d'ape e a perle di ceramica. Nella maggior parte delle auto moderne si utilizzano quelli con struttura a nido d'ape.
Struttura in ceramica a nido d'ape
Il catalizzatore di riduzione è il primo stadio del convertitore catalitico. In esso si utilizzano il platino e il rodio per ridurre le emissioni di NOx. Quando una molecola di NO o NO2 viene a contatto con il catalizzatore, il catalizzatore si lega con l'atomo di azoto della molecola; contemporaneamente l'ossigeno si libera sotto forma di O2. Gli atomi di azoto si legano ad altri atomi di azoto assorbiti alla superficie del catalizzatore, formando N2.
Il catalizzatore di ossidazione è il secondo stadio del convertitore catalitico. Esso riduce le concentrazioni di idrocarburi incombusti e di ossido di carbonio, ossidando tali sostanze su un letto di platino e palladio. Questo catalizzatore favorisce la reazione del CO e degli idrocarburi con l'ossigeno residuo presente nei gas di scarico.
Ad esempio:
2CO + O2 => 2CO2
Ma da dove proviene questo ossigeno?
Il terzo stadio è costituito da un sistema di controllo che effettua il monitoraggio dei gas di scarico e utilizza queste informazioni per controllare il sistema di iniezione. C'è un sensore dell'ossigeno installato a monte del convertitore catalitico, ossia più vicino al motore rispetto al convertitore. Questo sensore comunica alla centralina elettronica la quantità di ossigeno presente nei gas di scarico. La centralina elettronica è in grado di modulare la quantità di ossigeno presente nei gas di scarico, mediante la regolazione del rapporto aria/combustibile. Grazie a questo schema di controllo, la centralina elettronica fa in modo che il motore lavori in prossimità del punto stechiometrico, ma che vi sia anche ossigeno nei gas di scarico sufficiente a consentire al catalizzatore di ossidazione di ossidare gli idrocarburi incombusti e il CO.
Il convertitore catalitico è molto efficiente nel ridurre l'inquinamento, ma può essere migliorato sostanzialmente. Uno dei suoi maggiori difetti è che funziona solo a una temperatura abbastanza elevata. Quando si avvia il motore dell'auto, il convertitore catalitico è ancora freddo e la sua capacità di abbattere gli inquinanti è quasi nulla.
Ci sarebbe un modo semplice per risolvere questo problema: installarlo più vicino al motore. In tal modo i gas di scarico entrerebbero nel convertitore a una temperatura più elevata e il convertitore si riscalderebbe in un tempo minore. Ma c'è una controindicazione: l'esposizione a temperature estremamente elevate ne ridurrebbe la vita utile. La maggior parte delle Case automobilistiche posizionano il convertitore sotto il sedile del passeggero davanti, ossia abbastanza lontano dal motore da tenere la temperatura dei gas di scarico a livelli tali da non danneggiarlo.
Il preriscaldamento del convertitore catalitico è un sistema efficace di riduzione delle emissioni. Il tipo più semplice di preriscaldamento si ottiene grazie alle resistenze elettriche. Purtroppo l'impianto elettrico a 12 volt presente sulla maggior parte delle automobili non è sufficientemente potente da riscaldare il convertitore catalitico abbastanza in fretta. La maggior parte degli automobilisti non è disposta ad attendere per diversi minuti che il convertitore catalitico raggiunga la temperatura ottimale prima di mettere in moto. Le auto ibride, invece, sono in genere dotate di un grande accumulatore ad alta tensione, sufficientemente potente da riscaldare in poco tempo il convertitore catalitico.
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