Una componente indispensabile affinché i motori a combustione interna possano essere omologati per l’uso su strada

I processi di generazione di energia nei motori a combustione interna non si verificano in condizioni ideali. I prodotti della combustione vengono rilasciati nell’atmosfera dal tubo di scarico, il che danneggia il nostro ambiente. Questo fatto è stato riconosciuto relativamente presto, ma una soluzione è stata avviata solo quando i suoi effetti dannosi sono stati avvertiti in prima persona a causa del gran numero di automobili.

Ad un certo punto, le normative legali hanno iniziato a limitare la possibilità di rilasciare nell’ambiente gas di combustione non trattati. Per conformarsi a tali restrizioni, i produttori hanno iniziato a utilizzare un dispositivo che è ancora presente ancora oggi in ogni autovettura: un convertitore catalitico.

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I prodotti della combustione nei motori Otto e diesel sono sorprendentemente diversi. La prima categoria si trovano gas non tossici, cioè ossigeno e azoto, che non partecipano al processo di combustione, insieme ai prodotti della combustione, ovvero anidride carbonica e acqua.

Si parla tanto in questi giorni delle emissioni nocive di anidride carbonica dei veicoli, motivo per cui colpisce particolarmente che questo gas sia qui classificato come non tossico. Il motivo è che, sebbene l’anidride carbonica non sia tossica in senso tradizionale, ha un impatto significativo sull’effetto serra, contribuendo al progressivo riscaldamento della nostra atmosfera.

Il catalizzatore non ha nulla a che fare con i gas sopra menzionati. Si tratta di sostanze tossiche e/o cancerogene. Alcuni di essi – monossido di carbonio, idrocarburi non combustibili, aldeidi, fuliggine, benzopirene – fuoriescono dal motore perché la miscela di carburante non è completamente bruciata.

Poiché la combustione nel motore non avviene con ossigeno puro, ma con aria atmosferica, di cui oltre il 70% è azoto, il motore brucia anche altre sostanze, con conseguente formazione di prodotti nocivi come gli ossidi di azoto (NOx).

Pulizia fumi

I processi di trattamento e le apparecchiature utilizzate a tale scopo riducono o eliminano le quantità di inquinanti appartenenti a quest’ultimo gruppo. Questi dispositivi sono noti collettivamente come catalizzatori. Per ridurre la contaminazione, la soglia dell’energia iniziale nei processi chimici di ossidazione e riduzione viene notevolmente abbassata, aumentando così la velocità di reazione.

Oltre a ridurre l’energia di attivazione, i catalizzatori aumentano anche la temperatura. Il chemisorbimento dei reagenti provoca l’allentamento dei legami chimici, il che riduce l’energia necessaria per attivare una reazione chimica. I prodotti di questi processi si diffondono attraverso lo strato di gas che circonda il materiale del catalizzatore nei gas di scarico fluenti e rilasciano nuovi gas catalitici. Ciò consente la conversione degli idrocarburi incombusti in acqua e anidride carbonica e del monossido di carbonio e dell’acqua in anidride carbonica e idrogeno.

Il Monossido di carbonio, gli idrocarburi e l’idrogeno partecipano a una reazione chimica durante la conversione degli ossidi di azoto nei gas di scarico. Questi processi provocano la formazione di azoto molecolare, anidride carbonica e acqua.

Altri sottoprodotti nocivi, come l’anidride solforosa o l’ammoniaca, vengono convertiti in idrogeno solforato e prima in ossido nitrico, quindi in azoto e ossigeno.

Azione

Esistono diversi tipi di catalizzatori in base alla progettazione:

• Catalizzatore di ossidazione: in questo dispositivo il post-trattamento avviene in presenza di aria aggiuntiva (quindi λ>1) con conseguente ossidazione degli idrocarburi e del monossido di carbonio. Questo tipo di catalizzatore non viene più utilizzato da solo.
• Catalizzatore bidirezionale: in questo caso il catalizzatore di ossidazione è preceduto da un catalizzatore di riduzione, responsabile della riduzione degli ossidi di azoto. Funziona a circa λ=0,9-1,1, che non è l’ideale per un catalizzatore di ossidazione, ma un catalizzatore di riduzione produce ossigeno aggiuntivo, quindi il valore lambda tra i due catalizzatori sarà molto più alto.
• Multicatalizzatore: è la versione con circuito di controllo e sonda lambda, con un unico catalizzatore per l’attenuazione dei componenti inquinanti (cd catalizzatore a tre vie).

Ciò che hanno in comune sia le sonde lambda che i convertitori catalitici è che funzionano in modo efficiente a temperature di esercizio relativamente elevate (400-800 °C).

Materiali di costruzione

Attualmente, vengono comunemente utilizzati catalizzatori con un materiale di supporto ceramico, sebbene in passato siano stati riscontrati anche catalizzatori a base di metallo. L’alloggiamento è quasi sempre in acciaio inossidabile.

Il supporto in ceramica trattiene molto bene il calore e può operare a temperature molto elevate, anche superiori a 1100°C. Il substrato ceramico è in realtà una miscela estrusa di caolino, talco, silice, allumina e metilcellulosa. Al tatto, è un materiale poroso con una conta cellulare tipicamente di 30-65 cellule per centimetro quadrato.

Pressato piatto, questa struttura coprirebbe 3-5 metri quadrati e, tenendo conto dello strato di allumina γ, questo numero sale a 20-30 mila. metri quadrati. Negli ultimi tempi si è parlato molto di marmitte catalitiche tagliate anche dalle auto parcheggiate per strada, perché alcuni dei materiali che contengono sono particolarmente costosi sul mercato mondiale. Questi materiali sono l’anima del catalizzatore, senza il quale i processi di cui sopra non avrebbero luogo.

• Platino: supporta l’ulteriore ossidazione del monossido di carbonio e degli idrocarburi a temperature superiori a 150°C. Poiché inizia a funzionare a una temperatura relativamente bassa, fa un buon lavoro nell’avviare un motore freddo.
• Rodio: in combinazione con l’ossigeno, favorisce la riduzione degli ossidi di azoto. Il rodio preleva l’ossigeno dai prodotti della combustione dell’azoto e poi lo restituisce in un processo in cui vengono riprodotti rodio puro, acqua e anidride carbonica con emissioni di monossido di carbonio.
• Palladio: supporta i processi di ossidazione in senso generale. Prima di tutto, come il platino, svolge un ruolo importante nell’ulteriore combustione degli idrocarburi.

Oltre a quelli sopra citati, nei catalizzatori vengono utilizzati anche rutenio e nichel, ma attualmente i tre elementi sopra citati sono considerati i più pregiati.

Il futuro dei catalizzatori

Ovviamente la tecnologia non si è fermata qui, oggi utilizziamo anche soluzioni più nuove e avanzate, una delle quali descriveremo presto nel nostro nuovo articolo.