L’avviamento a freddo: una fonte di inquinanti: I primi minuti sono decisivi

Quando si avvia un motore a benzina, il catalizzatore non produce praticamente alcun effetto. Per interi minuti, grandi quantità di gas di scarico non trattati sono rilasciate nell’aria. Il Laboratorio federale di prova dei materiali e di ricerca (Emoa) ha ora sviluppato un sistema catalizzatore che potrebbe arginare il problema. Perché l’industria lo implementi servono però prescrizioni più severe in materia di gas di scarico. 

Testo: Nicolas Gattlen

Kaltstart
© Connel_Design/iStock

I moderni catalizzatori dei gas di scarico sono estremamente efficienti: eliminano fino al 99 per cento di tutti gli inquinanti atmosferici rilevanti prodotti in un motore a benzina. Tuttavia raggiungono questo valore massimo soltanto a pieno regime, tra i 200 e i 300 °C, temperature a cui si arriva solo dopo diversi minuti dall’accensione. Nelle fresche giornate primaverili e autunnali e in inverno occorre diverso tempo prima che il catalizzatore si riscaldi e funzioni a massima potenza.

Un team di ricerca dell’Empa guidato da Viola Papetti e da Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler ha calcolato che cosa succede durante i primi minuti di guida nel catalizzatore di un motore a benzina da 2,0 litri. Il modello matematico dei ricercatori è stato applicato in una giornata d’inverno a –13 °C. Nei primi 30 secondi di marcia il catalizzatore non fa nulla. Poi comincia a riscaldarsi il primo quarto. Dopo un minuto il calore raggiunge il secondo quarto. Solo dopo due minuti dall’avviamento del motore arriva al terzo quarto. Nel complesso occorrono tre minuti e mezzo perché il catalizzatore si riscaldi al 75 per cento e arrivi a 140 °C, temperatura a cui ripulisce buona parte dei gas di scarico.

Quantitativi considerevoli di inquinanti

Le misurazioni dell’Empa hanno mostrato che il 40 per cento circa delle emissioni complessive di monossido di carbonio (CO), il 90 per cento delle emissioni di idrocarburi (HC), il 59 per cento delle emissioni di ossidi di azoto (NOX) e il 50 per cento delle particelle emesse dai veicoli a benzina Euro 6b è prodotto durante i primi 300 secondi dopo un avviamento a freddo. «Nei primi tre minuti dopo l’avviamento a freddo il veicolo emette più inquinanti atmosferici che su 1000 chilometri percorsi a temperatura di regime», spiega Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. Anche le auto diesel emettono quantitativi considerevoli di gas nocivi durante l’avviamento a freddo: il 73 per cento delle emissioni di CO, il 39 per cento delle emissioni di HC, il 33 per cento delle emissioni di NOX e il 75 per cento delle emissioni di particelle proviene dall’avviamento a freddo.

Particolarmente insidiosi sono gli idrocarburi aromatici il cui effetto tossico e cancerogeno è noto da decenni. Gli idrocarburi possono inoltre trasformarsi chimicamente nell’atmosfera insieme agli ossidi di azoto e formare particelle microscopiche. Poiché le polveri fini hanno ripercussioni negative sulla salute, anche queste «polveri fini secondarie» devono essere ridotte esattamente come le particelle di polveri «primarie» emesse direttamente dai motori delle auto, che oggi sono in gran parte trattenute dai filtri antiparticolato.

Un numero particolarmente alto di avviamenti a freddo con emissioni elevate si ha con le auto ibride e le ibride plug-in, i cui sistemi di propulsione passano regolarmente al motore elettrico in situazioni di traffico stop-and-go, causando un raffreddamento del motore a combustione, dell’impianto di scarico e del catalizzatore. Quando poi il motore a combustione si rimette in moto, dal catalizzatore fuoriescono gas di scarico in parte non trattati. Il riscaldamento del catalizzatore avviene comunque a un livello di temperatura più elevato rispetto a un «vero» avviamento a freddo e ciò risulta maggiormente funzionale all’innesco delle prime reazioni.

L’Empa ha anche simulato l’avviamento a freddo in autostrada, uno scenario tipico per le ibride plug-in che circolano con la carica a batteria fino ai margini delle città e poi danno gas. Anche in questo caso i veicoli emettono sostanze tossiche per diversi minuti. Il tema appare particolarmente delicato se si considera che la flotta di auto ibride in Svizzera è in rapida e continua crescita: solo nel primo trimestre del 2020 sono state acquistate oltre 6000 auto totalmente ibride (il 75% in più rispetto allo stesso trimestre dell’anno precedente) e più di 2200 ibride plug-in (+ 194%).

Le microonde riscaldano il catalizzatore

Per risolvere il problema dell’avviamento a freddo si potrebbe riscaldare il catalizzatore in modo mirato non appena si accende il motore a combustione. O meglio ancora prima che si accenda. Nell’ambito di un progetto di promozione dell’UFAM, un team guidato da Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler ha sviluppato un sistema che serve proprio a questo: il riscaldamento parte già all’apertura dello sportello grazie a una fonte di microonde, un magnetron disponibile in commercio, di quelli che si trovano anche nei forni a microonde. Il trasmettitore di microonde prende la corrente necessaria (1 kilowatt) dalla batteria dell’auto. 

Perché un catalizzatore raggiunga la temperatura di 300 °C in circa 30 secondi, deve essere di piccole dimensioni e in grado di assorbire bene le microonde. Il team dell’Empa ha pertanto sviluppato una struttura di catalizzatore di nuova generazione che consente una migliore trasmissione del calore. La parte interna del catalizzatore non è più costituita, come d’abitudine, da canali diritti, bensì da migliaia di elementi cavi cubiformi che determinano un vortice dei gas di scarico. I gas hanno così un contatto più intenso con i metalli nobili a effetto catalitico e la trasformazione delle sostanze nocive avviene meglio e più rapidamente. Le recenti misurazioni effettuate su un’auto a benzina (omologata nel 2020) sono molto promettenti: all’avviamento a freddo le emissioni di sostanze inquinanti si sono ridotte del 40 per cento, anche se il catalizzatore e il magnetron non hanno potuto essere collocati in posizione ideale.

Ricerca del metodo migliore

Oltre alle microonde esistono anche altre opzioni per accelerare il processo di riscaldamento del catalizzatore. «Si potrebbe far produrre al motore gas di scarico più caldi», spiega Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. «Ma costerebbe più carburante. Oppure si potrebbe utilizzare la batteria ibrida delle auto per ottenere un preriscaldamento elettrico dei gas.» Attraverso calcoli di simulazione, l’Empa ha analizzato in relazione a un’auto ibrida quale metodo è più efficiente per evitare le sostanze nocive e quale richiede meno energia. Ne è risultato che con l’avviamento a freddo in città è più vantaggioso preriscaldare solo i gas di scarico. In autostrada, invece, questo metodo costerebbe troppa energia a causa delle grandi quantità di gas di scarico. In questo caso è più vantaggioso preriscaldare direttamente il catalizzatore. «Alla fin fine i risultati migliori si ottengono solo combinando tutti questi metodi», conclude il ricercatore.

L’industria automobilistica è consapevole del problema e sta lavorando a possibili soluzioni: BMW, per esempio, sta cercando modi per accumulare il calore residuo del motore e mantenere così la temperatura di motore, scarico e catalizzatore. Il suo accumulatore di calore funziona come un enorme thermos al cui interno è incapsulato il motore. Non è ancora noto se in tal modo il catalizzatore rimarrà caldo per 12 ore e più.

Procedura di prova armonizzata

Il fatto che accumulatori di calore e catalizzatori più efficaci siano in corso di sviluppo ma non ancora prodotti in serie è dovuto soprattutto a un motivo: fino a poco tempo fa, simili provvedimenti non erano necessari per le misurazioni dei gas di scarico previste per legge. L’avviamento a freddo costituiva solo la parte iniziale della misurazione prescritta dei gas di scarico e inoltre era eseguito a una temperatura ambiente di 23 °C. I valori limite sono però applicati ai risultati dell’intero ciclo. Negli ultimi anni le prescrizioni in materia di gas di scarico sono state continuamente inasprite e integrate con nuove condizioni di prova (ciclo più rappresentativo, emissioni reali, temperature ambiente più basse).

In seno al «Forum mondiale per l’armonizzazione delle regolamentazioni sui veicoli» l’UFAM si impegna a favore di direttive più rigorose in materia di avviamento a freddo, che tengano conto delle temperature nel nostro Paese, e promuove lo sviluppo di adeguate procedure di prova da parte dell’Empa. Nella primavera del 2020 è stato raggiunto un accordo a livello internazionale su una nuova procedura di prova armonizzata per la misurazione dei gas di scarico in presenza di basse temperature ambiente (avviamento a freddo a – 7 °C). L’accordo riguarda tutti gli inquinanti atmosferici rilevanti e si applica a tutti i veicoli (anche ibridi). La procedura di prova armonizzata può ora essere recepita, per esempio, dalla Commissione europea nella nuova norma sui gas di scarico Euro 7, che si applicherà anche alla Svizzera.

 

Aria migliore grazie alla collaborazione internazionale

La Svizzera persegue un duplice approccio al miglioramento della qualità dell’aria, che si configura sotto forma di valori limite d’immissione e valori limite d’emissione. Per quanto riguarda i valori limite d’immissione definiti nell’ordinanza contro l’inquinamento atmosferico (OIAt), il punto centrale è la protezione: la popolazione e l’ambiente animato devono essere tutelati contro gli inquinanti atmosferici. La Svizzera ha inoltre aderito alla Convenzione sull’inquinamento atmosferico transfrontaliero a lunga distanza (CLRTAP), nella quale sono definiti i limiti di carico vincolanti per diverse sostanze nocive. Confederazione e Cantoni controllano gli inquinanti atmosferici in diverse sedi. Se le immissioni sono troppo elevate, i Cantoni devono adottare provvedimenti supplementari. Per la determinazione dei limiti di emissione ci si orienta al principio di prevenzione sancito nella legge sulla protezione dell’ambiente (LPAmb). Le emissioni di inquinanti devono essere ridotte già alla fonte o, meglio ancora, devono essere del tutto evitate.

Per ridurre le emissioni del traffico stradale, la Confederazione adegua continuamente le prescrizioni in materia di gas di scarico e di qualità dei carburanti allo stato della tecnica. Il tenore di sostanze problematiche nella benzina (piombo, benzolo) e nel diesel (zolfo) è stato così progressivamente limitato. Oggi la benzina senza piombo a basso tenore di benzolo e il diesel a basso tenore di zolfo sono la regola. Dal 1982 al 1995 la Svizzera ha applicato valori limite diversi e molto più severi rispetto ad altri Paesi. Ciò ha fatto sì che da noi i catalizzatori si affermassero prima che altrove. Dal 1995 le prescrizioni in materia di gas di scarico della Svizzera sono completamente armonizzate con quelle dell’UE, che nel frattempo si sono anch’esse inasprite. Nell’ambito di organismi internazionali quali il «Forum mondiale per l’armonizzazione delle regolamentazioni sui veicoli» (un gruppo di lavoro della Commissione economica per l’Europa delle Nazioni Unite UNECE), la Confederazione (USTRA, UFAM) partecipa allo sviluppo di norme sui gas di scarico e di procedure di prova, per esempio per quanto riguarda la tematica dell’avviamento a freddo (cfr. testo principale).

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Ultima modifica 24.02.2021

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