Dal primo ottobre 2022 i motori di ogni classe di potenza montati sui nuovi trattori devono rispettare lo standard Stage V che impone limiti rigidi per le emissioni di Particulate Matter PM, Particulate Number PN e ossidi di azoto NOx.
I propulsori Stage V riducono i valori di PM e PN mediante il catalizzatore DOC e il filtro DPF. Gli NOx vengono abbattuti dal dispositivo di ricircolo dei gas di scarico EGR e dal sistema di riduzione catalitica selettiva SCR. Tuttavia, DPF e SCR funzionano in modo ottimale solo con gas di scarico molto caldi. Ma come vengono gestite queste alte temperature generate sotto cofano, necessarie al funzionamento dei sistemi di abbattimento delle emissioni?
DPF e SCR molto esigenti
Il DPF lavora bene con gas intorno ai 300-400 gradi che possono provocare aumenti di temperatura dei vari componenti vicini dovuti allo scambio termico per convezione. "Le temperature - spiega Michele Mattetti, professore associato del Distal dell'Università di Bologna - salgono ulteriormente quando si va a pulire il filtro con la rigenerazione attiva iniettando carburante per permettere ai gas di raggiungere i 650 gradi centigradi e bruciare le particelle intrappolate nella rete".
L'SCR aumenta la contropressione all'uscita dello scarico, rendendo i condotti più caldi e obbligando ad un raffreddamento con fluido refrigerante. La trasformazione degli NOx in N2 e H2O, efficiente se fatta con gas da 250 a 570 gradi e ridotta sotto i 200 gradi, favorisce l'aumento di temperatura dei componenti vicini. Inoltre, la necessità di lavorare ad alte temperature dei sistemi DPF e SCR, non rende possibile il raffreddamento dei gas in uscita dal motore che, passando attraverso la turbina e i condotti prima di raggiungere i sistemi di trattamento, scaldano il circuito.
L'aumento delle temperature dei gas in ingresso nell'SCR, si ottiene con strozzature nei condotti di aspirazione e di scarico, variando il momento di apertura e chiusura delle valvole motore, prevedendo iniettate successive all'inizio della fase di espansione per prolungare la combustione o con fonti di riscaldamento aggiuntive. Anche l'uso del turbocompressore a geometria variabile può aumentare efficacemente la temperatura dei gas.
Temperature, gestirle bene è possibile
Seppur necessarie, le alte temperature devono rimanere sempre sotto controllo, soprattutto nei motori sopra i 75 cavalli che montano sia DPF sia SCR. Per questo, problemi, i costruttori di propulsori utilizzano materiali termicamente resistenti e sistemi di raffreddamento più grandi rispetto al passato.
"Un condotto di scarico in acciaio - precisa Mattetti - è più resistente alle alte temperature rispetto a uno in ghisa e, se sottoposto a un trattamento ceramico sulla superficie esterna, limita le perdite di calore dei gas". La girante interna alla turbina è invece realizzata in una superlega a base di nichel - con elevato tenore di cromo, molibdeno e alluminio - o in materiale ceramico per resistere a temperature ancora più alte.
Inoltre, innovative centraline elettroniche monitorano ogni parte del sistema e specifiche coperture isolanti, minimizzano la dispersione del calore e proteggendo i componenti vicini a DPF e SCR.
La strategia di FPT
Ogni produttore ha la sua strategia di controllo delle temperature. Ad esempio, FPT Industrial sviluppa motori EGR free per ridurre la generazione di calore sotto cofano. L'EGR porta alla formazione di residui carboniosi in camera di combustione con aumento localizzato della temperatura e quindi, per gestire il calore, sottrae acqua di raffreddamento del motore.
"La combustione nei nostri propulsori - spiega Massimo Della Valle, Ag & CE Customer Management global director di FPT - che avviene a temperature più basse, genera gas di scarico meno caldi - circa 30 gradi in meno - ma produce più NOx che convertiamo ad alta efficienza, grazie al il nostro sistema brevettato HI-eSCR2 con SCR on filter".
Funzionamento del sistema HI-eSCR2 di FPT Industrial
I sensori che monitorano la temperatura e gli NOx, inviano informazioni al software Integrated Thermal Energy Management (Item) che gestisce il controllo delle temperature tra motore e HI-eSCR2.
"Sulla base dei dati ricevuti dai sensori installati all'uscita del propulsore, all'uscita del DOC e all'ingresso dell'SCR on filter, l'Item decide autonomamente se variare la combustione per massimizzare l'efficienza di conversione degli NOx o migliorare i consumi", specifica Della Valle.
Da SDF il post trattamento senza pensieri
I motori Farmotion del Gruppo SDF montano EGR e DOC sotto cofano oltre a DPF e SCR esterni. "Il DOC con opportuno rivestimento catalizzante, posto a monte del DPF, abbassa le temperature dei gas di scarico alla quale inizia l'ossidazione del particolato nel filtro (a partire già da circa 260 gradi) - afferma Manlio Mattei, R&D & Quality Powertrain group manager di SDF - ottimizzando il funzionamento del propulsore e delle parti prossime ai sistemi di post trattamento".
Normalmente la tecnologia CRT opera la rigenerazione passiva continua del DPF a basse temperature. Nei casi di uso discontinuo del trattore o di impiego a basse potenze, si riduce la temperatura dei gas per tempi troppo lunghi e la rigenerazione viene impedita.
Il sistema di diagnostica segnala la necessità di una rigenerazione di servizio che avviene in automatico a mezzo fermo. "Sebbene la rigenerazione di servizio richieda temperature molto elevate, l'impiego di tecnologie Computational fluid dynamic e materiali avanzati evita complicanze" aggiunge Mattei.
Motore SDF Farmotion con DPF e SCR esterni
(Fonte foto: SDF)
Una valvola a farfalla in aspirazione controlla le temperature dei gas in arrivo nell'SCR, soprattutto quando la potenza richiesta al motore è bassa. "La parte hardware dei sistemi di post trattamento e il software di gestione sono progettati sulla base dei cicli di utilizzo registrati presso i clienti finali in modo da garantire la massima affidabilità" conclude Mattei.
Piccoli trattori, grandi sfide
Le alte temperature sono più difficili da gestire nei trattori compatti dove lo spazio sotto cofano è ridotto e i componenti vicini ai condotti di scarico e ai sistemi di post trattamento possono scaldarsi facilmente.
"In questo caso - chiarisce Mattetti - è possibile usare un sistema di coibentazione dello scarico per ridurre la dispersione di calore dal condotto verso l'esterno. Una corretta coibentazione permette anche di evitare eccessive dissipazioni termiche nei tratti che precedono i sistemi di trattamento".
Meno stringente il problema sui trattori compatti con motori di potenza inferiore a 75 cavalli, per i quali il legislatore ha imposto l'ulteriore riduzione delle emissioni di PM e PN ma non quelle di NOx. Lo Stage V qui viene rispettato con il solo impiego del DPF. L'assenza dell'SCR permette ai gas in uscita dal motore di avere una temperatura più bassa e quindi di scaldare meno le componenti sotto il cofano.
Kohler, tutto sotto controllo anche in spazi piccoli
Allo scopo di andare incontro alle esigenze dei trattori compatti, Kohler ha sviluppato sistemi di post trattamento modulari, componibili per offrire la massima flessibilità di installazione e ben isolati da una capsula che mantiene l'intero involucro a temperature superficiali sotto i 200 gradi.
"Su molti trattori compatti equipaggiati con i nostri motori, DOC e DPF sono posizionati sotto cofano, vicino a componenti sensibili al calore: batteria, cruscotto, serbatoio. Non abbiamo mai riscontrato problemi e le temperature di esercizio son accettabili anche nelle applicazioni più critiche", spiega Stefano Mailli, Platform Engineering Diesel Engines senior project engineer di Kohler
Filtro DPF di Kohler a rigenerazione automatica
(Fonte foto: Kohler)
I sistemi funzionano sempre al meglio grazie alla rigenerazione automatica. "In caso di cicli di lavoro medi e medio pesanti il DOC, opportunamente dimensionato, promuove la rigenerazione passiva del DPF a cui si aggiunge, in condizioni di carico leggero o molto discontinuo, una rigenerazione attiva impercettibile all’operatore - specifica Mailli.
Il sistema è in grado di generare le temperature necessarie alla rigenerazione in ogni contesto e la centralina elettronica di controllo gestisce in modo intelligente l'aumento di temperatura senza impattare significativamente sull’agibilità termica del mezzo".
Cosa riserva il futuro?
Il percorso di emissionamento dei motori agricoli non si ferma e prossimamente - secondo Mattetti - "potrebbe divenire ancora più complicato gestire le temperature dei gas mantenendo gli After treatment system attuali".
"È difficile prevedere come sarà lo Stage VI e come dovremo intervenire sui gas di scarico - commenta Della Valle di FPT. Seguiamo con attenzione il lavoro del California air resources board Carb che intende modificare gli standard dei motori diesel off road con la normativa Tier 5 (Stage VI per noi), ma non è detto che le modifiche valgano per tutte le classi di potenza e arrivino anche in Europa".
Anche SDF - fa sapere Mattei - "monitora l'eventuale introduzione di normative più stringenti delle attuali, ma per ora ci sono solo ipotesi". Kohler - sostiene Mailli - "adatterà i propri prodotti alle nuove esigenze probabilmente combinando in modo diverso le tecnologie attuali e gestendo con ulteriori livelli di sofisticazione i catalizzatori. La vera sfida però sarà quella di mantenere sistemi compatti e costi contenuti, per non snaturare i trattori, più che quella di gestire le temperature".
