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Come Funziona un FAP-Filtro antiparticolato

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Come Funziona un Filtro Antiparticolato FAP





Schema di funzionamento

Filtro antiparticolato

Da sempre il motore diesel è stato sinonimo di grosse fumate nere allo scarico, nelle quali viene emesso il particolato che è uno dei peggiori inquinanti emessi dal diesel. Proprio per questo motivo, da anni si sta cercando di combatterlo con normative antinquinamento sempre più severe. Il sistema più in voga in questo momento, che sta dando dei buoni risultati e comunque permette agli attuali diesel di rispettare le normative antinquinamento in vigore, è il filtro antiparticolato, chiamato anche FAP o DPF.


Particolato


Con il termine "particolato" s'indica l'insieme di particelle solide e liquide generate dal processo di combustione e portate in sospensione dai gas di scarico. Si tratta di particelle di carbonio su cui si sono condensati alcuni idrocarburi provenienti dal carburante e dal lubrificante. La loro pericolosità deriva dalle ridotte dimensioni, tra 0,1 e 1 micron (un millesimo di millimetro), che ne facilita l'inalazione ed il trattenimento negli alveoli polmonari.
La riduzione del particolato si può ottenere con lo sviluppo di gasoli di più alta qualità e con l'adozione di accorgimenti motoristici quali il miglioramento della geometria della camera di combustione e dei condotti di aspirazione, il controllo elettronico dell'iniezione ed il ricorso ad elevate pressioni di iniezione (raggiunte dai moderni Diesel iniezione diretta). In ogni caso, l'eliminazione totale del particolato può avvenire solo attraverso il filtraggio.



Filtraggio


Questa tecnica d'eliminazione non è una novità, in quanto già applicata in impianti industriali fissi e sui veicoli pesanti. L'innovazione apportata con il FAP (Filtro Anti Particolato) consiste nel processo di rigenerazione del filtro che ne aveva impedito l'applicazione sulle auto.
Il filtro antiparticolato, inserito nell'impianto di scarico integrato nella marmitta catalitica, è costituito da un supporto monolitico a base di carburo di silicio. Esso consente di ridurre a meno di un millesimo la quantità di particolato emesso, anche del più piccolo. Il FAP è quindi un vero e proprio filtro meccanico, costituito da una serie di canali entro i quali viene intrappolato il particolato, mentre i gas di scarico ne attraversano le pareti porose.
L'accumulo del particolato ne provoca, dopo un certo numero di chilometri che dipende dal tipo di guida (mediamente 400-500 Km), il progressivo intasamento. Lo stato di filtro "pieno" quindi da rigenerare viene rilevato attraverso un sensore di pressione differenziale posto tra monte e valle del filtro.



Rigenerazione

La rigenerazione consiste nel bruciare periodicamente il particolato accumulato che, in presenza di ossigeno, brucia ad una temperatura di circa 550°C. La rigenerazione viene fatta con due strategie diverse. Proprio per questo i filtri antiparticolato si dividono in due tipologie: quelli che necessitano di un additivo aggiunto al gasolio e quelli che non ne necessitano.




Filtri antiparticolato con additivo

Il sistema d'iniezione, durante la fase rigenerativa, attiva un'iniezione supplementare per portare la temperatura iniziale dei gas di scarico da circa 150°C (temperatura normale nella circolazione in città) a 450°C all'entrata nel catalizzatore. Questo aumento di temperatura si effettua con una postiniezione dopo il PMS (Punto Morto Superiore) che crea una postcombustione nel cilindro e determina un aumento della temperatura dei gas di scarico di 200°C e con una postcombustione complementare generata da un catalizzatore ossidante posto a monte del filtro FAP che innalza la temperatura di altri 100°C: ciò permette di raggiungere complessivamente i 450°C. La temperatura di 450°C non è però sufficiente ad innescare la combustione del particolato (550°C) e quindi la rigenerazione del filtro. Per abbassare la soglia di rigenerazione, il carburante è additivato con Eolys che riduce la temperatura di combustione del particolato da 550°C a 450°C.
L'additivo Eolys aggiunto al gasolio in piccolissima quantità, è un prodotto a base di ossido di Cerio (chiamato comunemente cerina).
Il sistema FAP prevede l'impiego di un serbatoio di Eolys da 5 litri (nelle prime versioni sufficiente per 80.000 Km), dal quale l'additivo viene prelevato e miscelato al gasolio. L'additivo viene introdotto nel serbatoio del gasolio attraverso un elettroniettore pilotato dall'apposita centralina di additivazione. Il sistema di additivazione comprende un iniettore che dosa la quantità di additivo da immettere nel serbatoio e un modulo elettronico aggiuntivo che in funzione del livello del carburante presente nel serbatoio (rilevazione fatta attraverso il galleggiante del serbatoio) comanda l'iniettore.
La rigenerazione completa si compie in due o tre minuti e si effettua ogni 400-500 km senza che il conducente se ne accorga grazie a delle sofisticate tecniche di gestione della coppia motrice che altrimenti aumenterebbe. Il particolato raggiunta la corretta temperatura, reagisce con l'ossigeno (O2) e il biossido di azoto (NO2), ossidandosi (bruciando) e producendo anidride carbonica (CO2) e monossido di azoto (NO). Il biossido di azoto viene prodotto dalle reazioni di ossidazione che avvengono nel catalizzatore posto a monte del filtro antiparticolato.
Il catalizzatore ossidante tratta gli idrocarburi incombusti (HC), il monossido di carbonio (CO) e il monossido di azoto (NO), convertendoli in acqua (H2O), anidride carbonica (CO2) e biossido di azoto (NO2).
L'intero controllo del sistema di controllo della rigenerazione del filtro antiparticolato è affidato alla centralina d'iniezione, la quale, interpretando i parametri provenienti da alcuni sensori specifici, attua la rigenerazione.
Il filtro dovrà essere sempre rigenerato contestualmente al rifornimento dell'additivo.
Questo sistema è quello usato da molte Case automobilistiche come Ford, Volvo e Peugeot/Citroën.


Filtri antiparticolato senza additivo


Questo tipo di filtro antiparticolato non utilizza l'additivo perché innalza maggiormente la temperatura dei gas di scarico, che arrivano fino a 600°C. Attraverso, infatti, due post-iniezioni con conseguenti due post-combustioni di cui l'ultima avviene nei collettori di scarico, la temperatura raggiunta è più che sufficiente a bruciare completamente il particolato accumulato nel filtro. Sempre per agevolare il processo di combustione del particolato accumulato, sulle pareti del filtro sono inseriti dei materiali nobili che operano da catalizzatori.
Il sistema senza additivo ha il vantaggio di non richiedere il rifornimento della cerina che, oltre ad essere un prodotto pericoloso per la salute umana, è anche piuttosto costoso. Per contro il FAP senza additivo lavora a temperature più elevate, in particolare il filtro può raggiungere anche i 1000°C, e quindi si deve fare attenzione a dove si parcheggia l'auto se è appena avvenuta la rigenerazione. Inoltre, sempre il FAP senza additivo, a causa della seconda post-iniezione soffre di una certa contaminazione dell'olio motore. In funzione del numero delle rigenerazioni e quindi dello stile guida adottata, l'olio motore si deteriora molto più rapidamente del normale a causa delle infiltrazioni di gasolio.
Questo tipo di filtro antiparticolato è quello utilizzato da: BMW, Audi e Jaguar.
In tutti e due i tipi di filtro avvengono in realtà due tipi di rigenerazione: una passiva ed un'attiva. La prima avviene continuamente quando il veicolo viene guidato ad alta velocità e carico motore con la temperatura del filtro di circa i 250° C. La seconda (rigenerazione attiva) viene invece comandata dalla centralina di gestione motore con la singola o la doppia post-iniezione.




Limiti


Sia in un tipo, sia nell'altro, l'ecologia ha un prezzo che si chiama "rifornimento di cerina" o "precoce sostituzione dell'olio", ed in entrambi i casi "maggiore consumo di carburante in fase di rigenerazione" ma, l'efficienza di questi sistemi di filtraggio raggiunge il 95% d'eliminazione del particolato prodotto che, permette alle auto diesel di rispettare i più severi limiti sulle emissioni inquinanti.

Limiti sulle emissioni inquinanti dei motori diesel secondo le normative europee
Normativa Entrata in vigore Particolato [g/km]
EURO 2 01.10.1996 0.080
EURO 3 01.01.2001 0.050
EURO 4 01.01.2006 0.025
EURO 5 01.01.2008 0.005


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