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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
EMISSIONE DI INQUINANTI NON CONVENZIONALI DI AUTOVETTURE A BENZINA E DIESEL
Francesco Avella, Davide Faedo, Simone Casadei
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
IL PROGETTO PARFIL (Particolato Atmosferico Fine nella Regione Lombardia) - www.progettoparfil.it (1)
Caratteristiche:
• Progetto triennale (2006 – 2008)
• Progetto finanziato da Regione Lombardia e promosso e coordinato da Regione Lombardia, ARPA Lombardia e Fondazione Lombardia per l’Ambiente – finanziamento complessivo di 1.050.000 €
• Compartecipazione di numerose Università ed enti di ricerca lombardi
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
IL PROGETTO PARFIL (Particolato Atmosferico Fine nella Regione Lombardia) - www.progettoparfil.it (2)
PLG1: Laboratorio Motori della SSC
Obiettivi:
• Raccolta ed elaborazione di tutti i dati di particolato atmosferico fine rilevati in Lombardia per l'analisi della distribuzione (spaziale e temporale) e delle correlazioni con parametri meteorologici ed altri inquinanti.
• Caratterizzazione chimico-fisica dei campioni di particolato per l'identificazione dei profili caratteristici della composizione della frazione fine in funzione della distribuzione spaziale, temporale e dimensionale.
• Elaborazione di un indice per la tossicità del particolato.
• Riformulazione dei fattori di emissione delle principali tipologie di sorgenti attive nella Regione Lombardia
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Obiettivi del PLG1
Determinare il livello di emissione di inquinanti non convenzionali nei gas di scarico di autovetture a benzina e diesel con tecnologie motoristiche avanzate (Euro 3 e Euro 4), in particolare di:
• ammoniaca [NH3]: sostanza fortemente reattiva, precursore del particolato di origine secondaria (sali di ammonio) • protossido d’azoto [N2O]: gas serra con GWP 300 volte quello della ∼CO2 su orizzonte temporale di 100 anni
• particolato primario:
frazione carboniosa elementare (soot)
distribuzione dimensionale del particolato fine (PM10) dopo l’eliminazione della frazione volatile che lo
costituisce
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Programma Sperimentale (1)
Autovetture di provaAutoveicolo A B C D
Modello Fiat Stilo
JTD A.R.
159 JTDm Ford
Mondeo 1.8
Renault Clio 1.2 16V
Livello di omologazione
Euro 3 Euro 4 Euro 3 Euro 4
Alimentazione gasolio gasolio benzina benzina
Targa BX 445 DT DK 357 VW CT 839 XK DG 180 SS
Chilometraggio ~ 90.800 km ~ 7.050 km ~ 78.200 km ~ 14.500 km
Motore 4 cilindri in
linea, ID, TC 4 cilindri in
linea , ID, TC 4 cilindri in
linea ID, ASP 4 cilindri in linea
ID, ASP
Cilindrata (cc) 1910 1910 1798 1149
Sistema di alimentazione
common rail common rail iniezione iniezione
Dispositivi antinquinamento
Oxy Cat + EGR
Oxy Cat + EGR + DPF TWC TWC
Potenza max 74 kW @ 4000 giri/min
110 kW @ 4000 giri/min
92 kW @ 6000 giri/min
55 kW @ 5500 giri/min
Coppia max 200 Nm 320 Nm 170 Nm 105.Nm
TWC = catalizzatore a tre vie ID = iniezione diretta EGR = Exhaust Gas Recirculation ASP = aspirato TC = turbocompresso
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Programma Sperimentale (2)
0
10
20
30
40
50
60
70
1180 1380 1580 1780 1980 2180 2380 2580 2780 2980 3180 3380
tempo, s
velo
cità
, km
/h
URBAN TI
0
20
40
60
80
100
120
140
0 200 400 600 800 1000
tempo, s
velo
cità
, km
/h
EUDCUDC
Cicli di guida
Ciclo di guida UDC* EUDC URBAN TI
durata s 780 400 993 1276
velocità media km/h 19,0 62,6 17,7 11,4
velocità massima km/h 50 120 57,7 46,0
percorso km 4,052 6,955 4,870 4,040
tempo a regime minimo % 30,8 10,0 28,0 39,2
* = Ciclo con partenza a freddo
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Programma Sperimentale (3)
Sistema di campionamento
MMSMMS
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Analisi dei risultati (1)
Confronto con i limiti di emissione ciclo di guida NEDC con avviamento a freddo
autovettura A C Limiti CE Euro 3
tipodiesel Euro 3
benzina Euro 3
diesel benzina
CO g/km 0,68 0,95 0,64 2,3
THC g/km 0,08 0,48 - 0,20
NOx g/km 0,35 0,04 0,50 0,15
HC + NOx g/km 0,43 - 0,56 -
autovettura B D Limiti CE Euro 4
tipodiesel Euro 4
benzina Euro 4
diesel benzina
CO g/km 0,17 0,26 0,50 1,0
THC g/km 0,04 0,04 - 0,10
NOx g/km 0,21 0,01 0,25 0,08
HC + NOx g/km 0,25 - 0,30 -
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Analisi dei risultati (2)
Emissione di ammoniaca e di protossido di azoto
∼ 11 mg/km
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Analisi dei risultati (3)
Emissione di ammoniaca
Azione riducente del catalizzatore TWC delle autovetture a benzina favorisce la formazione di NH3
Maggiore differenza diesel/benzina in condizioni di guida urbana, con efficienza elevata del catalizzatore (motore a regime termico)
Picchi di emissione delle auto a benzina in corrispondenza delle frequenti accelerazioni della guida urbana (cicli Urban e TI)
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Analisi dei risultati (4)
Emissione di protossido di azoto
Azione ossidante del catalizzatore delle autovetture diesel favorisce la formazione di N2O
Maggiore differenza diesel/benzina in condizioni di guida urbana, con efficienza elevata del catalizzatore (motore a regime termico)
Picchi di emissione delle auto diesel in corrispondenza delle frequenti accelerazioni della guida urbana (cicli Urban e TI) e in particolare per la vettura Euro 4 con DPF
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Analisi dei risultati (5)
Emissione di particolato totale
< 5 mg/km - Inferiore standard Euro 585 ~ 95 % PM di A costituito da frazione carboniosa - soot
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
0%
10%
20%
30%
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60%
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90%
100%
0.010 0.100 1.000 10.000
Dp [m]
fra
zio
ne
cu
mu
lati
va
senza TD
A.R. 159 JTDm - Euro 4 DPF
Dp [mm]
fraz
ion
e cu
mu
lati
va
senza TD
URBAN
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]
fra
zio
ne
cu
mu
lati
va
senza TD con TD
Fiat Stilo 1.9 JTD - Euro 3 diesel
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [mm]
URBAN
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
1.0E+12
1.0E+13
1.0E+14
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]
dN
/dL
og
Dp
[N
/km
]
senza TD con TD
Fiat Stilo 1.9 JTD - Euro 3 diesel
URBAN
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
1.0E+12
1.0E+13
1.0E+14
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]
dN
/dL
og
Dp
[N
/km
]
senza TD bianco
A.R. 159 JTDm - Euro 4 DPF
Analisi dei risultati (6)
Emissione di particolato fine – autovetture diesel
260 nm 430 nm
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
URBAN
0%
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20%
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40%
50%
60%
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80%
90%
100%
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]
fra
zio
ne
cu
mu
lati
va
senza TD con TD
Renault Clio 1.2 - Euro 4 benzina
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]
fraz
ion
e cu
mu
lati
va
senza TD con TD
URBAN
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.01 0.1 1 10
Dp [m]
fraz
ion
e cu
mu
lati
va
senza TD con TD
Ford Mondeo 1.8 - Euro 3 benzina0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.01 0.1 1 10
Dp [m]
fraz
ion
e cu
mu
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va
senza TD con TD
URBAN
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
1.0E+12
0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]
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/dL
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Dp
[N
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]
senza TD con TD bianco
Renault Clio 1.2 - Euro 4 benzina
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
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1.0E+11
1.0E+12
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Dp [m]
URBAN
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
1.0E+12
0.01 0.1 1 10Dp [m]
dN
/dL
og
Dp
[N
/km
]
senza TD con TD bianco
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
1.0E+12
0.01 0.1 1 10Dp [mm]
Ford Mondeo 1.8 - Euro 3 benzina
Analisi dei risultati (7)
Emissione di particolato fine – autovetture a benzina
Con TD (Thermodenuder): scomparsa di una parte delle particelle più fini, costituite da COV
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Analisi dei risultati (8)
Consumo di combustibile ed emissione di CO2
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Conclusioni (1)
• Emissione di specie inquinanti regolamentate gassose e particolato: diminuisce sensibilmente con il livello tecnologico del
propulsore e dei dispositivi anti-inquinamento.
• Emissione di ammoniaca: Autovetture a benzina ~ decine di mg/km
Autovetture diesel ~ unità di mg/km
Diminuisce all’aumentare della velocità media del ciclo di guida (picchi di emissione nelle fasi di accelerazione dei cicli di guida urbana)
Dipende dalle condizioni operative del TWC e del motore (a freddo, a regime termico)
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Conclusioni (2)
• Emissione di protossido di azoto:
Autovetture diesel ≤ 10 mg/km
Autovetture a benzina < 1 mg/km
Diminuisce all’aumentare della velocità media del ciclo di guida (picchi di emissione nelle fasi di accelerazione dei cicli di guida urbana)
Dipende dall’ossidazione (incompleta) dell’N2 durante la combustione del motore diesel
• Emissione di CO2 e consumo di combustibile: rilevati valori simili tra loro per le due autovetture diesel e per l’autovettura
benzina Euro 4, inferiori a quelli dell’autovettura a benzina Euro 3.
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Conclusioni (3)
• Particolato fine e ultrafine: Emissione dell’autovettura diesel senza DPF nettamente superiore, autovettura con DPF paragonabile a quella delle autovetture a benzina
Emissione dell’autovettura diesel Euro 3 costituita al 90% circa da frazione carboniosa, che è praticamente assente nel PM emesso dalle autovetture a benzina
La frazione PM10 emessa è costituita per il 99% da particelle con Dpmedio < 260 nm o Dpmedio < 430 nm in dipendenza del modello. Il picco di emissione dell’autovettura diesel Euro 3 è intorno ai 40 nm, delle altre tre autovetture tra 40 e 144 nm
L’emissione maggiore di PM10 si verifica in fase di accelerazione, soprattutto ad alta velocità
il # di particelle emesse dalle autovetture a benzina è più elevato dopo un avviamento a freddo del motore (transitorio termico) quando il catalizzatore TWC non è ancora pienamente attivo (azione ossidante del catalizzatore sulle particelle)
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Emissioni non convenzionali di autovetture a benzina e diesel
Prospettive (1)
Valutazione dell’impatto del traffico autoveicolare sull’emissione di
ammoniaca e protossido d’azoto:
• Ulteriori sperimentazioni su una flotta più ampia di autoveicoli benzina e diesel con differenti tecnologie motoristiche, dispositivi anti-inquinamento, cilindrata, potenza, età, etc.
• Sperimentazioni su autoveicoli con tecnologia motoristica Euro 5 (e, in futuro, Euro 6)
• Sperimentazioni su autoveicoli bifuel benzina-metano, benzina-GPL e ibridi
• Sperimentazioni con l’utilizzo di biocarburanti nelle miscele di alimentazione in diverse percentuali (B10 – B20 – B30, E5 – E10,…)
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Prospettive (2)
Ulteriori indagini con strumento FT-IR
1. Water 2. Carbon Dioxide 3. Methane 4. Nitric Oxide 5. Nitrogen
Dioxide 6. Nitrous Oxide 7. Ammonia 8. Ethane 9. Ethene 10. Acetylene 11. Propane 12. Propene 13. 1,3-Butadiene14. IsoButylene
15. n-Pentane 16. Iso-octane 17. Benzene 18. Formaldehyde 19. Acetaldehyde 20. Sulfur Dioxide 21. NOX 22. Total
Hydrocarbon 23. Carbon
Monoxide24. Toluene25. Xilene26. Ethylbenzene27. Sulfur
hexafluoride
Elenco specie gassose emessemisurabili tramite FT-IR
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Grazie per l’attenzione!