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XV Expert Panel Trasporti Stradali, Roma - 29 aprile 2010

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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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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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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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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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



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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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

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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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Sistema di campionamento

MMSMMS

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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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Emissione di ammoniaca e di protossido di azoto

∼ 11 mg/km

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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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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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Emissione di particolato totale

< 5 mg/km - Inferiore standard Euro 585 ~ 95 % PM di A costituito da frazione carboniosa - soot

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0.010 0.100 1.000 10.000

Dp [m]

fra

zio

ne

cu

mu

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va

senza TD

A.R. 159 JTDm - Euro 4 DPF

Dp [mm]

fraz

ion

e cu

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senza TD

URBAN

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0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]

fra

zio

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lati

va

senza TD con TD

Fiat Stilo 1.9 JTD - Euro 3 diesel

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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


Emissione di particolato fine – autovetture diesel

260 nm 430 nm

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URBAN

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0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]

fra

zio

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senza TD con TD

Renault Clio 1.2 - Euro 4 benzina

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0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]

fraz

ion

e cu

mu

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senza TD con TD

URBAN

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Dp [m]

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ion

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senza TD con TD

Ford Mondeo 1.8 - Euro 3 benzina0%

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Dp [m]

fraz

ion

e cu

mu

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senza TD con TD

URBAN

1.0E+06

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0.010 0.100 1.000 10.000Dp [m]

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Dp

[N

/km

]

senza TD con TD bianco

Renault Clio 1.2 - Euro 4 benzina

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

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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

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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


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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Consumo di combustibile ed emissione di CO2

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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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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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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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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!

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