Post-trattamento dei gas di scarico - funzionamento

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Componenti di base

1 Motore

3 Serbatoio AdBlue

4 Modulo pompa

5 Unità di comando dell'aria compressa

6 Silenziatore con catalizzatore di riduzione

7 Iniettore (nel corpo farfallato freno motore)

8 Dosatore

7.03 Valvola di troppo pieno senza riflusso

30.03 Valvola limitatrice di pressione con sfiato

A6 Centralina di comando regolazione motore (MR)

A95 Centralina di comando modulo autotelaio SCR

A113 Sensore NOx con unità di comando

A113a1 Unità di comando sensore NOx

A113b1 Sensore NOx

B115 Sensore di temperatura a monte del catalizzatore SCR

B116 Sensore di temperatura a valle del catalizzatore SCR

B117 Sensore combinato livello di riempimento e temperatura AdBlue SCR

R28 Elemento termico

Y106 Elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (33.01)

Y107 Elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR

Y109 Valvola di dosaggio AdBlue SCR

B128 Sensore di pressione aria compressa SCR

B129 Sensore di pressione AdBlue SCR

B130 Sensore di temperatura AdBlue SCR

B132 Sensore combinato umidità e temperatura dell'aria SCR

M25 Pompa AdBlue SCR

Generalità

Il post-trattamento dei gas di scarico che utilizza la tecnologia diesel BlueTec consente di ridurre le emissioni di sostanze nocive nei gas di scarico prodotti dai motori diesel. A fondamento di questa tecnologia troviamo un procedimento definito "riduzione catalitica selettiva" (SCR), grazie al quale nella fase di post-trattamento dei gas di scarico, gli ossidi di azoto (NOx) nocivi in essi contenuti vengono ridotti in azoto (N2) ed in vapore acqueo (H2O), due sostanze innocue.

I veicoli con tecnologia diesel BlueTec dispongono di speciali componenti e per questa ragione sono dotati di un motore pensato per questo scopo, la cui combustione raggiunge una efficienza massima con basse emissioni di particelle di fuliggine.

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Un presupposto dei motori è il seguente: gli accorgimenti adottati sui motori per ottenere un rendimento ottimale e quindi la massima efficienza - in sintesi: massima potenza e consumi ridotti di carburante (C) producono una quantità maggiore di ossidi di azoto (NOx). Se al contrario si tende a ridurre la generazione di ossidi di azoto (NOx) durante la combustione, si ottiene un incremento del consumo di carburante (C) e quindi una più elevata emissione di residui carboniosi (PM), che non sono nient'altro se non carburante non combusto.

Questo conflitto tecnico non consente pertanto di ottenere rendimenti ottimali riducendo contemporaneamente i NOx e l'emissione di fuliggine, come prevedono le future norme di legge. I gas di scarico devono allora essere sottoposti al cosiddetto post-trattamento.

I veicoli con tecnologia diesel BlueTec dispongono pertanto non solo di un motore specificamente realizzato per questa finalità ma anche di componenti che servono a eliminare successivamente gli ossidi di azoto generati nella combustione. Tali componenti rappresentano parti applicate all'organo propulsore centrale.

I veicoli necessitano inoltre di una sostanza supplementare: il riduttore di NOx AdBlueTM, ottenuto da una soluzione a base di urea contenuta in un apposito serbatoio.

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Per garantire un funzionamento privo di irregolarità, oltre ai componenti del sistema veri e propri il post-trattamento richiede l'integrazione nel sistema dei due seguenti sottosistemi:

 il sistema di riscaldamento AdBlue

 Alimentazione di aria compressa

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Funzionamento del sistema complessivo

Dopo l'avviamento del motore la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) esegue una routine di controllo automatica innanzitutto per verificare l'efficienza del sistema BlueTec.

Ottenuta l'abilitazione del sistema, l'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106) integrata nell'unità di comando dell'aria compressa (5) viene commutata e l'aria compressa viene deviata dal circuito degli utilizzatori secondari 4, che passa nell'ingresso dell'aria compressa del dosatore (8) e attraverso la tubazione di iniezione e l'iniettore (7) disposti a valle. L'aria compressa viene anche convogliata attraverso l'ingresso dell'aria compressa del modulo pompa (4). Grazie alla presenza dell'aria, la valvola pneumatica riduttrice della pressione chiude la tubazione di ritorno dell'AdBlue proveniente dal modulo pompa (4) nel serbatoio AdBlue (3) consentendo di portare in pressione l'AdBlue in corrispondenza del dosatore (8).

Questo processo avviene indipendentemente dall'iniezione dell'AdBlue. Il continuo flusso attraverso il dosatore (8) nonché attraverso la tubazione di iniezione e l'iniettore (7) disposti a valle assicura che la quantità di AdBlue dosata venga alimentata integralmente, in ogni momento e senza ritardo all'iniettore (7) disposto in corrispondenza del corpo farfallato freno motore.

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In tal modo, inoltre, si assicura che non rimangano depositi di AdBlue nel dosatore (8), nell'iniettore (7) e nella tubazioni tubazione di iniezione relativa.

Quando la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) abilita il funzionamento della pompa sulla base di determinati valori forniti dal sensore, l'AdBlue contenuto nel serbatoio AdBlue (3) viene aspirato dal modulo pompa (4), filtrato e convogliato verso il dosatore (8).

Arrivato al dosatore (8) l'AdBlue è disponibile alla pressione di esercizio per la valvola di dosaggio AdBlue SCR (Y109) che al momento è chiusa. Quando questa si apre secondo gli intervalli calcolati dalla centralina di comando regolazione motore (MR) (A6), l'AdBlue può iniziare il proprio percorso verso la tubazione di iniezione e l'iniettore (7) grazie alla pressione e ai fattori fluidodinamici nonché al flusso d'aria.

Poiché l'iniettore (7) è collocato in corrispondenza del corpo farfallato del freno motore, l'AdBlue viene iniettato direttamente nel flusso dei gas di scarico ad alta temperatura.

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La miscela di aria e AdBlue che si ottiene in questo modo nei gas di scarico caldi si trasforma in una prima fase in ammoniaca (NH3). Insieme alle molecole di ossido di azoto generate dalla combustione, l'ammoniaca si sposta ulteriormente verso il silenziatore in cui è integrato il catalizzatore a riduzione (6).

All'interno del catalizzatore si trova un corpo a nido d'ape in ceramica rivestito. È qui che ha luogo la seconda fase del processo di riduzione.

Le molecole di ossido di azoto vengono a contatto con le molecole di ammoniaca; dall'incontro viene liberata energia in forma di calore e dalla reazione chimica conseguente si ottengono delle sostanze innocue per l'ambiente: l'azoto (N2) e il vapore acqueo (H2O). Affinché in ogni ciclo sia sempre iniettata la quantità esatta di AdBlue al momento esatto, è necessario un continuo scambio di dati tra i sensori BlueTec la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6).

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I sensori sul dosatore (8) forniscono ad esempio informazioni continue sulla pressione dell'AdBlue, sulla temperatura dell'AdBlue e sul valore dell'aria compressa. Altri sensori forniscono informazioni sulla temperatura dei gas di scarico all'ingresso e all'uscita del catalizzatore.

Al fine di tenere conto dell'influenza dell'umidità e della temperatura dell'aria di aspirazione sulle emissioni di ossido di azoto, è presente inoltre un sensore combinato dell'umidità dell'aria e della temperatura dell'aria SCR (B132).

I dati analogici forniti dai sensori lato telaio sono registrati dalla centralina di comando SCR-modulo telaio (A95), dove vengono digitalizzati e inoltrati attraverso il bus CAN alla centralina di comando regolazione motore (MR) (A6).

Tramite il sensore di NOx con unità di comando (A113) la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) riceve inoltre indicazioni sulla concentrazione di NOx nei gas di scarico.

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Nella centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) vengono eseguiti continuamente i calcoli per definire i tempi di apertura della valvola di dosaggio AdBlue SCR (Y109) e dell'elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR (Y107) tenendo conto dei dati attuali concernenti il motore nonché dei valori memorizzati nel diagramma caratteristico. In essa vengono inoltre eseguiti i calcoli necessari alla centralina di comando SCR-modulo telaio (A95) per l'attivazione della pompa AdBlue SCR (M25) e dell'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106). Per evitare i danni da congelamento, dopo il disinserimento dell'accensione il dosatore (8) viene ventilato.

Questa fase ha luogo nel periodo di funzionamento ritardato della centralina (max. 300 s) mediante l'apertura e la chiusura in base a determinati intervalli dell'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106) e della valvola di dosaggio AdBlue SCR (Y109). I fattori che influenzano in maniera determinante la durata della ventilazione sono la pressione presente in corrispondenza del sensore di pressione AdBlue SCR (B129) e la pressione rilevata dal sensore di pressione aria compressa SCR (B128). Se in base a tali valori la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) riconosce una presenza sufficiente di aria in corrispondenza del dosatore, la ventilazione viene interrotta.

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Sistema di riscaldamento AdBlue

Illustrazione riferita al motore 541.9

Y107 Elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR

Il riscaldamento AdBlue è costituito da un'elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR (Y107), che si trova sul lato destro del motore, e da un sistema di tubazioni del liquido di raffreddamento che collegano il motore al serbatoio AdBlue.

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Schema di funzionamento riscaldamento AdBlue

3 Serbatoio AdBlue

4 Modulo pompa

5 Unità di comando dell'aria compressa

7 Iniettore

8 Dosatore

7.03 Valvola di troppo pieno senza riflusso

30.03 Valvola limitatrice di pressione con sfiato

M25 Pompa AdBlue SCR

Y106 Elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (33.01)

Y107 Elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR

A Mandata liquido di raffreddamento (dal motore)

B Ritorno liquido di raffreddamento (verso il motore)

Nei singoli componenti BlueTec, come ad es. nel modulo pompa (4), il liquido di raffreddamento passa direttamente attraverso condotti o tubazioni.

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L'alimentazione di calore delle tubazioni AdBlue viene ottenuta mediante posa intrecciata delle tubazioni e guaine isolanti.

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Funzionamento del riscaldamento AdBlue

Il riscaldamento AdBlue consente di riportare allo stato liquido l'AdBlue congelatosi nel periodo di fermo del veicolo impedendo inoltre che esso possa congelarsi durante la marcia a causa delle basse temperature esterne.

L'elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR (Y107) viene attivata dalla centralina di comando regolazione motore (MR) (A6). Tramite il sensore combinato livello di riempimento e temperatura AdBlue SCR (B117) integrato nel serbatoio AdBlue (3) è possibile riconoscere se la temperatura del contenuto del serbatoio è prossima al valore limite predefinito di ca. 8 °C. Non appena il liquido di raffreddamento ha raggiunto una temperatura di  65 °C, l'elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR (Y107) riceve dalla centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) il segnale di apertura ed il liquido di raffreddamento può essere deviato dal circuito del liquido di raffreddamento del motore.

A seguito dell'apertura il liquido di raffreddamento scorre attraverso le tubazioni in direzione del modulo pompa (4). Nel modulo pompa (4) e nel serbatoio AdBlue (3) si trova un canale in cui passa il liquido di raffreddamento che in tal modo consente di attraversare direttamente il componente. Successivamente il liquido di raffreddamento torna nuovamente verso il motore.

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Alimentazione di aria compressa

Illustrazione riferita al motore 541.9

5 Unità di comando dell'aria compressa

7.03 Valvola di troppo pieno senza riflusso

30.03 Valvola limitatrice di pressione con sfiato

Y106 Elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (33.01)

L'alimentazione di aria compressa avviene tramite l'unità di comando aria compressa (5), fissata sul lato interno del longherone del telaio sinistro all'altezza del silenziatore ed un sistema di tubazioni che collegano il modulo pompa (4) al dosatore (8).

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Schema di funzionamento alimentazione di aria compressa

3 Serbatoio AdBlue

4 Modulo pompa

5 Unità di comando dell'aria compressa

7 Iniettore

8 Dosatore

7.03 Valvola di troppo pieno senza riflusso

30.03 Valvola limitatrice di pressione con sfiato

M25 Pompa AdBlue SCR

Y106 Elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (33.01)

Y107 Elettrovalvola riscaldamento serbatoio carburante SCR

A Aria compressa

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Funzionamento alimentazione di aria compressa

L'aria compressa consente di trasportare l'AdBlue dal dosatore (8) all'iniettore (7) nonché di farlo passare nel percorso di ritorno dal modulo pompa (4) al serbatoio AdBlue (3).

Dopo l'avviamento del motore la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) attiva tramite la centralina di comando SCR-modulo telaio (A95) l'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106).

L'apertura consente di deviare l'aria compressa dal circuito degli utilizzatori secondari 4. L'aria compressa alimenta l'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106), passa successivamente dalla valvola di troppo pieno senza riflusso (7.03) e dalla valvola limitatrice di pressione con sfiato (30.03). Nella valvola limitatrice di pressione con sfiato (30.03) la pressione originaria di ca. 8 bar proveniente dal circuito degli utilizzatori secondari 4 viene portata alla pressione di esercizio per eseguire l'alimentazione di aria compressa pari a ca. 5,5 bar.

L'aria compressa del circuito degli utilizzatori secondari passa da una tubazione pneumatica attraversando il dosatore (8) e l'iniettore disposto a valle (7). L'aria compressa viene anche convogliata attraverso l'attacco dell'aria compressa del modulo pompa (4). L'aria compressa consente alla valvola di comando pneumatica di chiudere il percorso di ritorno dell'AdBlue dal modulo pompa (4) al serbatoio AdBlue (3). Questa valvola è chiusa quando viene alimentata con aria compressa.

Sfiato e riduzione della pressione dei singoli componenti BlueTec

Per evitare i danni da congelamento, dopo il disinserimento dell'accensione il dosatore (8) viene ventilato. Questa fase ha luogo nel periodo di funzionamento ritardato della centralina (max. 300s) mediante l'apertura e la chiusura in base a determinati intervalli dell'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106) e della valvola di dosaggio AdBlue SCR (Y109) in corrispondenza del dosatore (8).

Quando l'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106) si chiude, la valvola pneumatica di riduzione della pressione sul modulo pompa (4) si apre in quanto in corrispondenza di essa viene a mancare l'aria compressa.

Di conseguenza il canale di ritorno verso il serbatoio AdBlue (3) nel modulo pompa (4) viene abilitato.

I fattori che influenzano in maniera determinante la durata della ventilazione del dosatore (8) sono la pressione presente in corrispondenza del sensore di pressione AdBlue SCR (B129) e la pressione rilevata dal sensore di pressione aria compressa SCR (B128).

Dapprima viene misurata la pressione in corrispondenza del sensore di pressione aria compressa SCR (B128) e la pressione in corrispondenza del sensore di pressione AdBlue (B129).

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Se la differenza di pressione è superiore alla soglia predefinita o se la pressione dell'AdBlue rilevata è superiore al valore dell'aria compressa, l'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106) si apre.

L'aria compressa passa dal circuito degli utilizzatori secondari 4 al dosatore (8) e poi, contro il flusso della valvola di dosaggio AdBlue SCR (Y109), attraverso il dosatore (8) sospingendo l'AdBlue residuo di nuovo nella tubazione tra dosatore (8) e modulo pompa (4).

All'intervallo successivo l'elettrovalvola di limitazione dell'aria compressa SCR (Y106) si chiude. Ora il dosatore (8) e la valvola di comando pneumatica del modulo pompa (4) non sono più alimentati con aria compressa.

La valvola di dosaggio AdBlue SCR (Y109) è chiusa e l'AdBlue non può rifluire. La pressione dell'AdBlue generata nella tubazione AdBlue viene ridotta mediante l'apertura del canale di ritorno diretto al serbatoio AdBlue (3) poiché ora la valvola di comando pneumatica del modulo pompa (4) non è più alimentata con aria compressa.

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L'AdBlue rifluisce così nel serbatoio AdBlue (3) e la pressione nelle tubazioni AdBlue viene ridotta portandosi all'incirca sul valore della pressione atmosferica.

La tubazione AdBlue tra modulo pompa (4) e dosatore (8) è una tubazione flessibile di tipo elastico. Questa caratteristica consente di assorbire la sollecitazione derivante dall'incremento del volume che si ha per effetto del congelamento dell'AdBlue residuo nella tubazione.

Le fasi alternate di apertura e chiusura delle valvole proseguono finché la pressione misurata in corrispondenza del sensore di pressione aria compressa SCR (B128) è superiore alla pressione presente in corrispondenza del sensore di pressione AdBlue SCR (B129).

Se in base ai segnali generati dai sensori la centralina di comando regolazione motore (MR) (A6) riconosce una presenza sufficiente di aria in corrispondenza del dosatore (8) e se la pressione nelle tubazioni AdBlue si è ridotta in modo sufficiente, la ventilazione viene interrotta.

La ventilazione del dosatore (8) e del modulo pompa (4) dopo lo spegnimento del motore è percepibile.