Affinché alcuni veicoli diesel soddisfino gli standard sulle emissioni, ciò che deve essere aggiunto è qualcosa a cui la maggior parte delle persone non riesce a pensare. A causa dei problemi di emissioni, è necessario affrontare il problema degli ossidi di azoto. Esistono due modi per risolvere il problema delle emissioni. Il primo è la prevenzione, che consiste nel frenare l’insorgenza dei problemi nella fase iniziale del loro sviluppo. Un approccio è la governance, che prevede una conclusione-efficace dopo che si è verificato un problema. Questi due metodi sono chiamati rispettivamente preelaborazione e postelaborazione. Il pre-trattamento affronta la causa principale, mentre il post-trattamento tratta i sintomi. Le emissioni dei motori diesel sono costituite principalmente da ossidi di azoto (NOx) e particolato (PM) (compresa la fuliggine (DS)), seguiti da HC. Rispetto ai motori a benzina, i motori diesel producono molto meno CO e HC, ma molto più PM.
Gli standard europei sulle emissioni per i motori diesel sono i seguenti: All'inizio degli anni '90, molte tecnologie si svilupparono rapidamente con l'assistenza del controllo elettronico (ad esempio, il giapponese Denso ha avviato il common rail ad alta-pressione). Attraverso miglioramenti nella camera di combustione, nelle regole di iniezione del carburante, nell'aspirazione e nello scarico, ecc., è stato possibile completare la purificazione all'interno della macchina. Tuttavia, sia in Europa che in Cina, nella quarta fase delle norme sulle emissioni si è sostanzialmente completata una svolta. Affidarsi esclusivamente al pretrattamento per soddisfare gli standard attuali non è più fattibile. La CO serve come prova della combustione completa o meno.
Gli standard sono rimasti invariati nelle fasi successive, il che indica sostanzialmente che continuare a ottimizzare la combustione per ridurre le emissioni è un compito piuttosto difficile. Come accennato in precedenza, le emissioni più importanti dei motori diesel sono NOx e PM. Il trattamento del particolato si avvale principalmente di filtri antiparticolato (DPF), mentre gli NOx vengono trattati principalmente attraverso la riduzione catalitica. Anche gli NOx rappresentano un’emissione relativamente cruciale per i motori a benzina. Le emissioni di NOx dei motori a benzina e dei motori diesel non sono molto diverse. Certo, il controllo dei motori diesel è più difficile, ma sostanzialmente sono dello stesso ordine di grandezza. Fu solo nella terza fase degli standard europei sulle emissioni che le emissioni di NOx furono ufficialmente elencate come una voce separata.
Le condizioni principali per la formazione di NOx sono l'alta temperatura e la ricchezza di ossigeno. La temperatura di scarico di un motore a benzina è leggermente superiore di 100-200 gradi rispetto a quella di un motore diesel, ma è sostanzialmente la stessa quando si passa attraverso una sezione di tubazione fino alla sezione di post-trattamento. Il successivo trattamento per il controllo degli NOx avviene principalmente attraverso un catalizzatore a tre vie. Tra i tre metalli preziosi, il rodio e l'Rh possono catalizzare la riduzione di NOx in azoto gassoso mediante un agente riducente a una temperatura relativamente bassa. L'agente riducente può essere H2 o CO.
Tuttavia, questo tipo di reazione di riduzione dipende fortemente dalla concentrazione di ossigeno nell'ambiente. Una volta che la concentrazione di ossigeno supera un certo limite, questa reazione REDOX è difficile da eseguire in modo efficace. Questo è il prerequisito. Che si tratti di un motore a benzina o di un motore diesel, il processo di combustione può essere sostanzialmente suddiviso in periodo di ritardo (preparazione dell'accensione), periodo di accensione rapida (rilascio rapido di energia) e periodo di postcombustione (il carburante che non è stato completamente bruciato nel periodo di accensione rapida continua a rilasciare energia). Tuttavia, prima del periodo di postcombustione di un motore diesel, si ritiene generalmente che vi sia un periodo di combustione lenta-. Durante questo periodo la combustione è ancora rapida e la pressione all'interno del cilindro continua ad aumentare. Ma il pistone ha superato il punto morto superiore e ha iniziato a scendere, e il volume del cilindro continua ad aumentare. La combustione deve essere sufficientemente veloce affinché l'aumento di pressione possa contrastare l'effetto dell'espansione del volume del cilindro. Pertanto, nel complesso, la velocità di aumento della pressione è più lenta rispetto a quella durante il periodo di combustione veloce-.
Durante il periodo di postcombustione, a causa della presenza di gas di scarico e prodotti intermedi generati durante i periodi di combustione rapida e combustione lenta, la concentrazione di ossigeno ha già iniziato a diminuire. Se la concentrazione di ossigeno è insufficiente, ciò causerà un netto deterioramento nella combustione del carburante rimanente, con conseguente combustione incompleta, ridotta efficienza economica, aumento delle emissioni di particolato e altri effetti. Questo fenomeno dei motori diesel è piuttosto serio. L'effetto della sovralimentazione porterà molti vantaggi in questo caso (in effetti, al giorno d'oggi i turbocompressori sono quasi standard per i motori diesel), quindi i motori diesel necessitano di una combustione arricchita di ossigeno. Tuttavia, la combustione arricchita di ossigeno-è il motivo per cui il controllo degli NOx nei motori diesel è più difficile. Data la dipendenza dei convertitori catalitici a tre vie dalla concentrazione di ossigeno, menzionata in precedenza, non è realistico che i motori diesel utilizzino i convertitori catalitici a tre vie dei motori a benzina.
Naturalmente c'è anche una contraddizione nel regolare la combustione nel cilindro, cioè la difficoltà di conciliare NOx e PM, con uno che sale e l'altro che scende. Il metodo di trattamento degli NOx con urea è chiamato SCR (riduzione catalitica selettiva), che ha una selettività catalitica estremamente forte. Gli agenti riducenti utilizzati nell'SCR possono essere varie sostanze a base di ammoniaca-, come gas di ammoniaca (NH3), acqua di ammoniaca (NH4OH), urea (NH2) (2CO) e persino alcuni HC. Quando si utilizza l'ammoniaca, la temperatura di lavoro dovrebbe essere compresa tra 250 e 500 gradi C. Le reazioni rilevanti sono le seguenti: Se la temperatura è troppo bassa, la reazione non può procedere in modo efficace; se è troppo elevato, danneggerà il convertitore catalitico e causerà l'ossidazione diretta dell'agente riducente, con conseguente maggiore consumo dell'agente riducente e formazione di nuovi NOx.
Se come agente riducente viene utilizzata acqua ammoniacale, l'effetto è eccezionale. Può ridurre le emissioni di NOx di oltre il 95%. Tuttavia, l’intera macchina richiede un sistema di controllo molto complesso e l’odore dell’acqua ammoniacata è estremamente difficile da accettare. Quindi in generale è più conveniente usare l’urea. Quando la soluzione acquosa di urea è superiore a 200 gradi, verrà prodotta NH3. In questo modo, attraverso il sistema di iniezione e controllo, è possibile trattare efficacemente gli NOx.
L'ECU calcola la concentrazione delle emissioni di NOx in base alla velocità di rotazione del motore diesel e al volume di iniezione del carburante, stima il tasso di conversione degli NOx attraverso la teoria dell'urea e la temperatura del convertitore catalitico SCR e calcola la quantità di NH3 richiesta. Infine, il volume di iniezione di urea attualmente richiesto si ottiene attraverso il rapporto tra NH3 e urea.
L'efficienza è piuttosto considerevole. Il tasso di conversione richiesto dall'Euro IV è solo del 50%.
Per le emissioni, anche la combinazione delle tecnologie di pre-trattamento e post-trattamento è piuttosto particolare ed è necessario trovare un compromesso tra prestazioni e costi.
