Le progettazioni dei sistemi di post-trattamento si evolveranno per soddisfare i requisiti dei clienti e delle emissioni

Oggigiorno, i sistemi di post-trattamento sono diventati parte integrante dei motori per via dell'implementazione di normative sulle emissioni sempre più stringenti. "Nell'ultimo decennio, i sistemi di post-trattamento utilizzati dai nostri clienti OEM globali sono diventati sempre più complessi e imballati in modo più denso", afferma il Dr. Korneel De Rudder, responsabile dello sviluppo per l'Europa presso Donaldson Co. Inc.

Questa maggiore complessità è necessaria per soddisfare gli standard sulle emissioni sempre più rigorosi che vengono implementati negli Stati Uniti, in Europa e in altre parti del mondo, afferma. "Di conseguenza, vi sono più catalizzatori e sensori incorporati in una data dimensione di imballaggio", spiega De Rudder. "In molte macchine fuoristrada, lo spazio sotto il cofano è limitato, quindi dobbiamo essere creativi per adattare questi nuovi componenti sulle macchine e i componenti devono essere imballati in modo più denso".

Per affrontare questo problema, De Rudder afferma che Donaldson si è concentrata sullo sviluppo di componenti e sistemi che consentono un volume "morto" inferiore all'interno del sistema di post-trattamento. "Nei sistemi di generazione precedente, il volume 'morto' veniva spesso utilizzato per aumentare il tempo di permanenza del DEF (diesel exhaust fluid; chiamato anche AdBlue), che ne migliorava la decomposizione e la miscelazione nei gas di scarico", afferma. "I sistemi moderni hanno meno spazio per il volume 'morto', il che si traduce in un minor tempo di permanenza e determina la necessità di migliorare le prestazioni del miscelatore. Noi di Donaldson abbiamo sviluppato una gamma completa di sistemi di miscelazione DEF/AdBlue compatti e avanzati, progettati specificamente per essere più efficienti nel raggiungere una miscelazione efficace in spazi più esigui".

La combinazione delle funzioni SCR e DPF in un singolo substrato SCR su filtro (SCR-on-Filter, SCRoF) sta diventando sempre più comune nel settore come mezzo per affrontare le sfide dell'imballaggio dei sistemi, afferma Gary Simons, direttore tecnico per l'America del Nord presso Donaldson Co. Inc. "I substrati SCRoF hanno una porosità maggiore rispetto a DPF e SCR, quindi sono più fragili. L'inscatolamento richiede un'attenta gestione delle forze di installazione e delle pressioni di tenuta del supporto di substrato".

Gli imballaggi del sistema di post-trattamento diventano più grandi e più complessi, e De Rudder osserva anche che essi tendono ad avere un'area maggiore. Questa superficie esterna più grande può comportare problemi di rigetto del calore. Un isolamento adeguato diventerà più importante e quelle progettazioni che sono già state implementate dovranno essere ulteriormente perfezionate.

Anche la miscelazione DEF/AdBlue è un aspetto importante dei sistemi di post-trattamento, afferma De Rudder. "Si prevede di norma che i requisiti di uniformità di ammoniaca (NH3) debbano superare 0,990 per soddisfare gli standard di emissione. Questo livello di prestazioni è previsto privo di cristallizzazione di DEF/AdBlue o con cristallizzazione ridotta."

Questa cristallizzazione è una sfida ricorrente con molti sistemi di post-trattamento, afferma. Sebbene sia possibile una certa quantità di cristallizzazione, ridurne al minimo la comparsa e l'impatto è l'obiettivo di tutti i produttori di apparecchiature. De Rudder afferma che il settore attualmente fatica a definire una specifica per test di cristallizzazione coerenti. Tuttavia, Donaldson ha sviluppato il proprio ciclo di test per misurare la cristallizzazione in modo da poter applicare soluzioni di miscelazione appropriate per ridurne al minimo la comparsa.  

"Poiché è più probabile che cristallizzazione/depositi si generino durante cicli di lavoro impegnativi, noi di Donaldson consigliamo spesso che i miscelatori siano progettati per consentire un funzionamento efficace anche durante cicli di lavoro impegnativi, piuttosto che un sistema non ottimizzato che comporterà un rischio maggiore di depositi", dichiara De Rudder.

Nuovi regolamenti determinano nuove esigenze di progettazione

Sebbene attualmente non siano in programma nuove normative sulle emissioni per le attrezzature fuoristrada negli Stati Uniti e in Europa, il California Air Resources Board (CARB) ha proposto una potenziale normativa Tier 5. E con molti paesi che cercano di ridurre le emissioni di tutti i settori, in futuro sono possibili normative più severe.

Sebbene la normativa sulle emissioni CARB Tier 5 proposta non sia stata ancora formalmente accettata, De Rudder e Simons di Donaldson affermano che le modifiche che potrebbero essere incluse nella norma finale avranno probabilmente un impatto sulla progettazione dei sistemi di post-trattamento. Si prevede che riduzioni di NOx, particolato (PM), anidride carbonica (CO2) nonché aumenti di vita utile/limiti di garanzia e test di ciclo di lavoro più freddi facciano parte della normativa. "La riduzione dei criteri di inquinanti e CO2 determinerà un cambiamento nella strategia relativa alle emissioni", affermano. "Sono possibili sistemi di iniezione DEF/AdBlue doppi e un accoppiamento più stretto del sistema di post-trattamento al motore."

Inoltre, De Rudder e Simons affermano che vi è un crescente consenso nel settore riguardo al fatto che l'uso di EGR sarà necessario per rispettare la prossima generazione di limiti di emissioni. "Ciò significa che i motori calibrati per NOx grezzi molto elevati e PM ridotti diventeranno meno diffusi", spiegano. "Questo comporterà una riduzione del carico sui miscelatori DEF/AdBlue, determinando altri compromessi/sfide come la necessità di una maggiore rigenerazione dei DPF".

"I motori fuoristrada attuali tendono a fare affidamento sulla rigenerazione DPF passiva con una rigenerazione attiva fuori linea quando necessario, mentre molti motori ad uso stradale possono avere rigenerazioni attive durante il normale funzionamento con un impatto minimo per l'utilizzatore", aggiungono De Rudder e Simons.

Essi affermano inoltre che il PM grezzo più elevato risultante dalla reintroduzione di EGR aumenterà la necessità di una rigenerazione attiva più frequente. Probabilmente, ciò richiederà che gli OEM sviluppino strategie di rigenerazione simili utilizzate per i motori ad uso stradale.      

Saranno necessari ulteriori sviluppi tecnologici

"Negli ultimi 15 anni, le normative globali sulle emissioni si sono evolute rapidamente", dichiara De Rudder. "Poiché il settore è passato velocemente da una legislazione all'altra, ciò potrebbe aver comportato un'eccessiva ingegnerizzazione, con poco tempo dedicato all'ottimizzazione dei costi e del prodotto".

Tuttavia, ora vi è più tempo a disposizione tra le normative sulle emissioni, il che consente al settore di ottimizzare i sistemi di post-trattamento e armonizzare tra piattaforme diverse, afferma. Anche gli OEM sono stati in grado di concentrare in modo migliore gli sforzi di progettazione su prodotti e funzionalità ottimizzati invece di rispettare scadenze ravvicinate per le normative relative alle emissioni, il che ha anche apportato benefici al settore e probabilmente continuerà ad essere così in futuro.

Inoltre, nel settore in molti prevedono la fusione degli standard per autovetture e stradali per carico pesante a livello EURO 7/VII. "Se, e quando, ciò accadrà, vi saranno domande sul modo in cui armonizzare gli standard fuoristrada Stage/Tier successivi con i limiti EURO VII per uso stradale", affermano De Rudder e Simons.

In generale, saranno necessari ulteriori sviluppi tecnologici per le progettazioni dei sistemi di post-trattamento, o per soddisfare i requisiti dei clienti o le future normative sulle emissioni.

"Prevediamo anche cambiamenti significativi sul lato del mercato a bassa potenza", conclude De Rudder. "In particolare, l'elettrificazione avrà un ruolo significativo, sostituendo alcuni motori diesel e l'ibridazione di motori e macchine renderà disponibile elettricità ad alta potenza da utilizzare durante la fase di riscaldamento dello scarico", il che favorirà le prestazioni del sistema di post-trattamento.