Catalizzatore DPF con substrato a nido d'ape

Principio di funzionamento del DPF: filtrazione e rigenerazione
Comprendere il DPF richiede la comprensione dei suoi due processi principali:
1. Processo di filtrazione
Il substrato DPF è tipicamente una struttura a nido d'ape costituita da pareti porose di carburo di silicio o cordierite, con canali alternati bloccati alle estremità di ingresso e di uscita.
Il gas di scarico è costretto a passare attraverso le pareti porose tra i canali.
Il particolato rimane intrappolato sulle pareti perché la sua dimensione è maggiore del diametro dei pori delle pareti.
Questo processo è altamente efficiente, con un'efficienza di filtrazione della fuliggine superiore al 95%.
2. Processo di rigenerazione
Questa è l'essenza della tecnologia DPF. Se la fuliggine viene solo raccolta ma non rimossa, le particelle si accumuleranno continuamente, provocando un brusco aumento della contropressione allo scarico, con conseguente malfunzionamento del motore. Pertanto, il particolato raccolto deve essere periodicamente bruciato, un processo noto come rigenerazione.
La sfida principale: la temperatura di accensione della fuliggine pura è molto elevata (intorno a 550–600°C), mentre le normali temperature di scarico diesel, soprattutto durante la guida urbana, variano solo tra 150–300°C e non possono bruciare naturalmente la fuliggine.
Ruolo del catalizzatore: lo scopo principale del catalizzatore DPF è abbassare significativamente la temperatura di ossidazione della fuliggine attraverso reazioni chimiche, consentendone la combustione entro il normale intervallo di temperature di scarico durante il funzionamento del motore.

Tipi e composizione dei catalizzatori DPF
I catalizzatori DPF non sono unità indipendenti ma sono integrati con il substrato DPF sotto forma di rivestimento. Esistono tre principali modalità di implementazione:
1. DPF rivestito con catalizzatore
Questo è il tipo più comune, in cui il rivestimento catalitico viene applicato direttamente sulle pareti porose del substrato DPF.
Substrato: carburo di silicio poroso o cordierite DPF.
Rivestimento: simile al DOC, come rivestimento di base viene utilizzata una γ-allumina ad elevata area superficiale.
Componenti attivi:
Metalli preziosi come platino e palladio: queste sono state le scelte principali nei primi sistemi e in molti attuali.
Meccanismo d'azione:
Ossidazione di NO in NO₂: il catalizzatore ossida l'NO nello scarico in NO₂. NO₂ è un forte agente ossidante che reagisce con la fuliggine a temperature relativamente basse (~250–300°C): C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Questa reazione è fondamentale per ottenere la rigenerazione passiva.
Ossidazione diretta: a temperature più elevate, il catalizzatore favorisce anche la reazione diretta tra ossigeno e fuliggine.
2. Catalizzatore di tipo additivo per carburante
In questo metodo il catalizzatore non viene spalmato sul DPF ma aggiunto direttamente al carburante sotto forma di additivo a base metallica.
Additivo: tipicamente composti organometallici di cerio o ferro.
Principio: dopo la combustione, le particelle metalliche dell'additivo entrano nel DPF insieme ai gas di scarico e si depositano uniformemente nello strato di fuliggine raccolto. Durante la rigenerazione, queste particelle metalliche agiscono come catalizzatori, abbassando significativamente la temperatura di ossidazione della fuliggine (fino a ~450°C).
Vantaggi: il catalizzatore si mescola uniformemente con la fuliggine, garantendo un contatto sufficiente e un'elevata efficienza di rigenerazione.
Svantaggi: richiede ulteriori sistemi di stoccaggio e iniezione degli additivi, aumenta i costi e i residui di ceneri di ossidi metallici si accumulano nel DPF, rendendo necessaria una pulizia periodica.
3. DPF catalitico
Questo è un concetto facilmente confondibile ma importante. Si riferisce all'integrazione della funzionalità DOC e della funzionalità DPF in un singolo componente, ovvero applicando un catalizzatore di ossidazione ad alte dosi (come platino o palladio) all'ingresso del DPF.
Funzione: può ossidare CO e HC come un DOC e generare NO₂ per la rigenerazione passiva, catturando anche il particolato come un DPF.
Applicazione: comunemente utilizzato in sistemi di post-trattamento compatti dove lo spazio è limitato.

Strategie di rigenerazione del DPF
La presenza di un catalizzatore DPF consente le seguenti strategie di rigenerazione:
1. Rigenerazione passiva
Processo: durante il normale funzionamento del veicolo, quando la temperatura dei gas di scarico raggiunge un certo livello (ad esempio durante la guida in autostrada), il catalizzatore DPF genera continuamente NO₂, che ossida costantemente la fuliggine accumulata.
Caratteristiche: Questo processo è impercettibile al conducente ed è il metodo di rigenerazione più desiderabile. Tuttavia, richiede una temperatura di scarico sufficiente e un coordinamento con il DOC a monte per fornire NO₂.
2. Rigenerazione attiva
Processo: quando il computer di bordo del veicolo rileva tramite il sensore di pressione differenziale che il DPF è sufficientemente intasato e la rigenerazione passiva non è possibile, il sistema interviene attivamente.
Metodi di intervento: ritardando l'iniezione di carburante o eseguendo la post-iniezione, il carburante incombusto entra nel DOC, subisce ossidazione e produce gas di scarico ad alta temperatura superiore a 600°C, che viene quindi diretto al DPF, consentendo alla fuliggine di ossidarsi rapidamente con l'ossigeno ad alte temperature.
Ruolo del catalizzatore: in questa modalità la fuliggine può essere bruciata anche senza catalizzatore ad alte temperature. Tuttavia, la presenza del catalizzatore abbassa la temperatura di rigenerazione richiesta, accorcia i tempi di rigenerazione e riduce il consumo di carburante.
3. Rigenerazione del servizio
Processo: se il veicolo viene utilizzato costantemente in condizioni di breve distanza o a bassa velocità, impedendo il completamento della rigenerazione attiva, il personale di servizio deve utilizzare attrezzature specializzate per eseguire la rigenerazione forzata.

Principali sfide e considerazioni
1. Accumulo di ceneri: gli additivi dell'olio motore (come calcio, zinco, fosforo, zolfo, ecc.) producono ceneri non combustibili durante la combustione. La cenere ostruisce permanentemente i canali del DPF provocando un graduale aumento della contropressione. Questo è il fattore limitante ultimo per la durata del DPF e richiede uno smontaggio, una pulizia o una sostituzione periodici (in genere dopo diverse centinaia di migliaia di chilometri).
2. Avvelenamento del catalizzatore: sostanze come zolfo e fosforo possono avvelenare il rivestimento del catalizzatore sul DPF, riducendone l'attività catalitica.
3. Gestione termica: il controllo della temperatura durante la rigenerazione attiva è fondamentale. Temperature eccessive possono causare lo scioglimento o la rottura del substrato del DPF a causa dello stress termico.
4. Qualità del carburante: il carburante ad alto contenuto di zolfo può degradare gravemente le prestazioni del catalizzatore e generare un aumento di ceneri solfate.