Immissioni da traffico nelle aree metropolitane Milano, 14 dicembre 2006 Stazione Sperimentale per i...

Immissioni da traffico nelle aree metropolitane

Milano, 14 dicembre 2006Stazione Sperimentale per i Combustibili

IL CONTROLLO DELLE EMISSIONI IL CONTROLLO DELLE EMISSIONI

DEGLI AUTOVEICOLI DEGLI AUTOVEICOLI


Milano-Palazzo Turati, 14 dicembre 2006

Francesco Avella, Antonio Rolla

Stazione Sperimentale per i Combustibili



INTRODUZIONEINTRODUZIONE

Le emissioni autoveicolari sono una fonte sostanziale di inquinanti generati dalla combustione di carburanti nei motori, i cui effetti incidono particolarmente nelle aree urbane

Norme legislative nei Paesi della Comunità Europea, come anche in diversi altri Paesi, stabiliscono limiti alle emissioni degli autoveicoli dagli anni ‘70

Negli ultimi venti anni è migliorata la qualità dei carburanti, si sono raggiunti notevoli progressi nel campo delle tecnologie motoristiche, sono stati installati sistemi di depurazione dei gas di scarico (marmitte catalitiche, filtri antiparticolato)

I livelli di emissione dei modelli più recenti di autoveicoli sono drasticamente diminuiti rispetto ai modelli precedenti



ANZIANITANZIANITÀÀ DEL PARCO CIRCOLANTE IN ITALIA DEL PARCO CIRCOLANTE IN ITALIA

FONTE DATI: ACI - Annuario statistico 2005

distribuzione dell'anzianità del parco autovetture in Italia nel 2004

0

400

800

1200

1600

2000

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

9-10

10-1

111

-12

12-1

313

-14

14-1

515

-16

16-1

717

-18

18-1

919

-20

oltr

e 20

età autovetture [anni]autovetture a benzina autovetture diesel

numero di autovetture x 1000 nell'anno 2004



Crescita del parco autoveicolare nazionale Crescita del parco autoveicolare nazionale

Fonte: annuario statistico ACI 2003

consistenza del parco automobilistico circolante nazionale

0

50

100

150

200

250

300motocicli

autovetture benzina

autovetture diesel

autobus

autocarri

numero riferito all'anno 1991

4938235239810

944180

2005:numero autoveicoli (X 1000)



INTERAZIONE MOTORE/COMBUSTIBILEINTERAZIONE MOTORE/COMBUSTIBILE

A partire dalla fine degli anni ’90 le strategie messe in campo per ridurre in modo efficace l’impatto degli autoveicoli sull’ambiente hanno riguardato azioni normative congiunte per regolamentare le emissioni inquinanti nei gas di scarico e la qualità dei combustibili

Questa evidenza è stata confermata dai grandi programmi sperimentali svolti negli USA (AQIRP) e in Europa (EPEFE in Auto/Oil I), i cui risultati hanno rilevato l’esistenza di una notevole interazione tra tecnologia motoristica e qualità del combustibile con riguardo alle emissioni inquinanti

Nel corso dell’ultimo ventennio è stato evidenziato sperimentalmente come la qualità dei combustibili influenzi direttamente e indirettamente, in modo statisticamente significativo, le emissioni inquinanti, seppure in modo meno incisivo rispetto alle tecnologie motoristiche



DIRETTIVE EUROPEEDIRETTIVE EUROPEE

Le più recenti Direttive UE in tema di protezione ambientale riguardanti gli autoveicoli sono state basate sui risultati conseguiti nel programma europeo EPEFE

EMISSIONIEMISSIONI

Direttiva 98/69/CEDirettiva 98/69/CE sul livello massimo delle

emissioni regolamentate ammesso per gli autoveicoli a benzina e diesel leggeri (Euro 3, 4)

Direttiva 1999/96/CEDirettiva 1999/96/CE sul livello massimo delle

emissioni regolamentate ammesso per i motori diesel pesanti (Euro 3, 4, 5)

COMBUSTIBILICOMBUSTIBILI

Direttiva 98/70/CEDirettiva 98/70/CE sui limiti alle caratteristiche

chimico-fisiche della benzina e del gasolio che influenzano le emissioni inquinanti nello scarico degli autoveicoli

Direttiva 2003/17/CEDirettiva 2003/17/CE sul tenore massimo di zolfo nella

benzina e nel gasolio



LIMITI ALLE EMISSIONILIMITI ALLE EMISSIONI

autovetture a benzina

autovetture diesel

2.722.72

1.02.2

0.642.3

0.51.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

livello, g/km

EURO I*

EURO II*

EURO III**

EURO IV**

CO

0.970.97

0.70.50

0.560.20

0.300.10

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

livello, g/km

EURO I*

EURO II*

EURO III**

EURO IV**

HC

0.970.97

0.70.5

0.500.15

0.250.08

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

livello, g/km

EURO I*

EURO II*

EURO III**

EURO IV**

NOx

* ciclo di guida standard europeo ECE 15 + EUDC

** nuovo ciclo di guida standard europeo (NEDC) HC +NOx



LIMITI ALLE EMISSIONI DEL PARTICOLATO E LIMITI ALLE EMISSIONI DEL PARTICOLATO E DEGLI OSSIDI DI AZOTODEGLI OSSIDI DI AZOTO

* ciclo di guida ECE 15 ^ ciclo di guida NEDC ~ proposta UE * ciclo di prova ECE R49 ^ ciclo di prova ESC

LIMITI UE DI EMISSIONE DEGLI NOx E DEL PARTICOLATO PER I VEICOLI/MOTORI DIESEL

0,97

0,14

0,7

0,10

0,5

0,05

0,25

0,0250.02 0,005

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

lim

ite

omol

ogaz

ion

e [g

/km

]

EURO 1* EURO 2* EURO 3^ EURO 4^ EURO 5~

autovetture diesel 8

0,36

7

0,15

5

0,10

3,5

0,02

2

0,02

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

limit

e om

olog

azio

ne

[g/k

Wh]

EURO 1* EURO 2* EURO 3^ EURO 4^ EURO 5^

motori diesel heavy-duty

PMNOx



LA QUALITÁ DEI COMBUSTIBILILA QUALITÁ DEI COMBUSTIBILI

Limiti della concentrazione dello zolfo nei carburanti (Direttiva 2003/17/CE)

3000

2000

35050 10

1000500

150 50 10

0

1000

2000

3000

4000

tenore di zolfo[mg/kg]

pre1993

1993 2000 2005 2009

benzina

gasolio

benzina gasolio



Livello medio delle emissioni degli autoveicoli Livello medio delle emissioni degli autoveicoli

CO THC NOx PM CO2 NOTE

g/km g/km g/km mg/km g/km

Autovetture benzina non cat 6,5 - 35 2,8 - 18 2,3 - 18 ~ 30 160 - 220valori dipendenti dal livello di manutenzione, cilindrata e anzianità modello

Autovetture benzina cat Euro II 1.00 0,1 0,06 1 - 5 230

Autovetture benzina cat Euro III 0,4 0,1 0,08 1 - 3 200

Autovetture benzina cat Euro IV 0,3 0,05 0,05 - 160

Autovetture diesel Euro II 0,8 0,1 0,6 37 - 100 260 senza catalizzatore ossidante

Autovetture diesel Euro III 0,4 0,05 0,6 25 - 50 150 con catalizzatore ossidante

Autovetture diesel Euro IV 0,1 0,02 0,2 ~ 2 170 con DPF

Autovetture a GNC non cat 3.0 4 0,4 trascurabile 130 HC quasi esclusivamente CH4

Autovetture a GNC cat 0,5 0,15 0,06 trascurabile 150 - 200 HC quasi esclusivamente CH4

Autobus urbano Euro II 3 - 6 1,5 20 700 1500

Autobus urbano Euro III 3 - 5 0,8 - 1,5 18 300 - 500 1500

Ciclomotori non cat (2T) 7 - 15 6 - 8 0,03 - 0,05 50 - 60 28 - 30

Ciclomotori cat (2T) 2,3 2,0 0,05 15 - 40 50 - 60

Motocicli non cat (4T) 8,5 1,4 0,3 3 85 ciclo UDC, 125 cc

Motocicli cat (4T) 2,1 0,8 0,3 8 85 ciclo UDC, 125 cc

VALORI INDICATIVI DEL LIVELLO MEDIO DI EMISSIONE DEGLI AUTOVEICOLI

DIPENDONO SENSIBILMENTE DAL TIPO DI PROVA IMPIEGATO PER LE MISURE

valori dipendenti anche dal grado di efficienza del TWC



PROBLEMATICHE ATTUALI NELLA RIDUZIONE DELLE PROBLEMATICHE ATTUALI NELLA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLIEMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLI

Il principale obiettivo che il costruttore si propone per porre sul mercato autoveicoli conformi agli standard Euro 4 (dal 2006) ed Euro 5 (dal 2008) riguarda la riduzione degli NOx emessi dai motori a benzina G-DI lean-burn e del particolato e degli NOx emessi dai motori diesel

Un altro obiettivo riguarda il contenimento dei consumi di combustibile al fine di limitare l’emissione dell’anidride carbonica, in ottemperanza al Protocollo di Kyoto, al valore auspicato di 140 g/km entro il 2008 e 120 g/km entro il 2012

Questi obiettivi non possono essere raggiunti soltanto attraverso l’applicazione delle nuove tecnologie motoristiche, ma occorre ricorrere anche all’introduzione di dispositivi catalitici di post-trattamento dei gas di scarico, sensibili alla qualità dei combustibili (World-Wide Fuel Charter)

Particolarmente difficile è la riduzione contemporanea delle emissioni di queste due specie inquinanti dei motori diesel perché ostacolata dalla ben nota relazione di trade-off NOx - PM



STRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTISTRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTI

Riduzione delle emissioni attraverso il perfezionamento del propulsore

nuovo disegno della camera di combustione (motori ID e lean-burn)

impiego di sistemi di iniezione a elevata pressione (common rail, pompa iniettore)

elettronica per il controllo di: EGR, fasatura di accensione e di iniezione, fasatura valvole

Applicazione di dispositivi di post-trattamento dei gas di scarico

catalizzatori TWC di nuova generazione per auto a benzina e a gas

catalizzatori ossidanti per motori diesel

catalizzatori de-NOx SCR e NSC

filtri per particolato C-DPF e CR-DPF



CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE (Three-Way Catalyst - TWC)(Three-Way Catalyst - TWC)

A differenza del Pt, il Pd è più sensibile all’avvelenamento da parte dello zolfo nella benzina. L’avvelenamento è solo parzialmente reversibile: recupero di efficienza mai completo con benzina ULS

Sostituzione del Pt col Pd nei sistemi più avanzati per aumentare la stabilità termica e permettere di avvicinare il TWC al collettore di scarico del motore

1. monolito a nido d’ape2. isolante termico3. involucro4. collettore ingresso gas

In grado di ridurre contemporaneamente le tre emissioni inquinanti monossido di carbonio, idrocarburi non metanici, ossidi di azoto

Metalli attivi:Metalli attivi: Pt / Pd / Rh Pt / Pd / Rh



CATALIZZATORE OSSIDANTE PER MOTORI DIESEL CATALIZZATORE OSSIDANTE PER MOTORI DIESEL (Oxy Cat)(Oxy Cat)

Particolarmente sensibile alla presenza di zolfo nel gasolio: si riduce col tempo l’efficienza di conversione

Struttura a nido d’ape simile a quella del TWC

In grado di ridurre con elevata efficienza soltanto le emissioni di CO e di HC e, in parte, del particolato (SOF)

0

20

40

60

80

100

120

80 120 160 200 240

temperatura dei gas di scarico prima del catalizzatore [°C]

con

ver

sio

ne

di

CO

[%

]

gasolio (S = 350 mg/kg) gasolio svedese (S < 10 mg/kg)

catalizzatore nuovo

motore VW 1.9 TDicarico parziale

Metalli attivi:Metalli attivi: Pt / Pd Pt / Pd



catalizzatore selettivo de-NOx (SCR)

catalizzatore ossidante filtro del particolato (CR-DPF)

catalizzatore di NO2

EDC

SCHEMA DI UN CONDOTTO DI SCARICO AVANZATO PER SCHEMA DI UN CONDOTTO DI SCARICO AVANZATO PER MOTORE DIESEL A BASSO IMPATTO AMBIENTALEMOTORE DIESEL A BASSO IMPATTO AMBIENTALE

sensore di NOxsensore di

temperaturasensore di

p

condizioni operative del

motoreCPU



CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI NOx CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI NOx (Selective Catalyst Reduction System - SCR)(Selective Catalyst Reduction System - SCR)

INIEZIONE DI UREA

GAS ESAUSTI

oxycat idrolisi di

urea UREA catalizzatore

SCR clean up

Principio di funzionamento basato sulle proprietà riducenti dell’ammoniaca (generata da urea in soluzione acquosa) per formare azoto e acqua

Metalli attivi:Metalli attivi: V / W / Ti V / W / Ti



EFFETTO DEL FILTRO ANTIPARTICOLATO SULLE EFFETTO DEL FILTRO ANTIPARTICOLATO SULLE EMISSIONI INQUINANTIEMISSIONI INQUINANTI

riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRT® e del FAP

-94,0 -93,0

4,0

-88,0-90,0-100,0

2,0

-94,0-88,1

-94,9

0,4

-95,7

-73,8-66,6

-19,3

-86,2

-120,0

-100,0

-80,0

-60,0

-40,0

-20,0

0,0

20,0

CO THC NOx PM

vari

azio

ne %

NYC CARB EniTecnologie/ATM Quattroruote/SSC

Confronto del livello di emissione degli inquinanti di autoveicoli dotati di filtro antiparticolato con quello di autoveicoli convenzionali dello stesso modello a parità di condizioni sperimentali di prova



Prove Quattroruote / SSC Prove Quattroruote / SSC

0,0E+00

5,0E+11

1,0E+12

1,5E+12

2,0E+12

0,01 0,1 1 10

Dp [m]

Nu

mer

o [N

/s]

0,0E+00

5,0E+11

1,0E+12

1,5E+12

2,0E+12

0,01 0,1 1 10Dp [m]

Num

ero

[N/s

]

0,0E+00

2,0E+07

4,0E+07

6,0E+07

8,0E+07

0,01 0,1 1 10Dp [m]

Nu

mer

o [N

/s]

0,0E+00

5,0E+06

1,0E+07

1,5E+07

2,0E+07

0,01 0,1 1 10

Dp [m]

Num

ero

[N/s

]

Distribuzione dimensionale del particolato in numero - gasolio ULS

PEUGEOT 406

cicl

o di

gu

ida

urb

ano

cicl

o di

gu

ida

extr

aurb

ano

PEUGEOT 307 FAP



Effetto del FAP sull’emissione di PMEffetto del FAP sull’emissione di PM1010

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

1.E+10

1.E+11

1.E+12

1.E+13

0 780Tempo [s]

PM

10 [

N/s

]

PEUGEOT 406

PEUGEOT 307

Aria di diluizione

Ciclo di guida ECE 15

0

40

80

120

Vel

oci

tà [

km/h

]

EFFETTO SULL’EMISSIONE DI EFFETTO SULL’EMISSIONE DI PARTICOLATO FINE (< 10 PARTICOLATO FINE (< 10 m)m)

DETERMINATO DALLA DETERMINATO DALLA APPLICAZIONE DI UN FILTRO APPLICAZIONE DI UN FILTRO CDPF (FAP) SUL CONDOTTO DI CDPF (FAP) SUL CONDOTTO DI

SCARICO DI UNA VETTURA SCARICO DI UNA VETTURA DIESELDIESEL

MISURE DI EMISSIONE ISTANTANEA DEL NUMERO DI PARTICELLE ESEGUITE ALLA

STAZIONE SPERIMENTALE PER I COMBUSTIBILI (SSC) PER CONTO DELLA

RIVISTA “QUATTRORUOTE” SU UNA AUTOVETTURA PEUGEOT 307 FAP A CONFRONTO CON QUELLE DI UNA

AUTOVETTURA PEUGEOT 406



CAPACITCAPACITÀÀ FILTRANTE DEL DPF FILTRANTE DEL DPF

Sistemi filtranti presentati in grado di abbattere particelle comprese in tutto lo spettro dimensionale misurabile

Grado di efficienza elevato sia per le particelle in modo accumulazione (Dp > 50 nm) che per quelle in modo nucleazione (Dp < 50 nm)

Nell’esempio riportato:

il livello di emissione in numero del particolato fine di un’autovettura dotata di FAP è circa 10.000 volte inferiore a quello di un’autovettura convenzionale

ciclo di guida UDC

1,00E+04

1,00E+06

1,00E+08

1,00E+10

1,00E+12

1,00E+14

0,010 0,100 1,000 10,000

diametro aerodinamico medio [m]

dN

/dL

ogD

p [

N/k

m]

ciclo di guida EUDC

1,00E+04

1,00E+06

1,00E+08

1,00E+10

1,00E+12

1,00E+14

0,010 0,100 1,000 10,000

diametro aerodinamico medio [m]

dN

/dL

ogD

p [

N/k

m]

Fonte dati: SSC

senza filtro

con filtro

Autovettura a gasolioAutovettura a gasolioNUMERO DI PARTICELLE / KMNUMERO DI PARTICELLE / KM



Negli ultimi quindici anni il problema dell’inquinamento dell’aria provocato dai mezzi di trasporto a motore a ciclo “Otto” e Diesel è stato affrontato mediante la emanazione di Direttive Europee che riguardano sia il controllo delle emissioni inquinanti scaricate dagli autoveicoli sia la qualità dei carburanti. A seguito di questo sono stati raggiunti significativi risultati attraverso:

CONCLUSIONI CONCLUSIONI

sviluppo di propulsori tecnologicamente avanzati con elevati rendimenti

sistemi di trattamento dei gas di scarico ad alta efficienza che hanno consentito di ridurre ai livelli di emissione dei composti più importanti (ossidi di azoto, monossido di carbonio, sostanze organiche, particolato) per soddisfare gli standard europei via via sempre più restrittivi

produzione di benzina e gasolio a bassissimo tenore di zolfo, già disponibili sul mercato, e maggiore attenzione verso l’impiego di combustibili alternativi a basso impatto ambientale, sia di origine fossile (GN, GPL) che da fonti rinnovabili

In ogni caso il rinnovo rapido del parco circolante con autovetture di ultima generazione ad alto contenuto tecnologico produrrà un grande beneficio per la qualità dell’aria



GRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L’ATTENZIONE

FRANCESCO AVELLA, ANTONIO ROLLA

IMMISSIONI DA TRAFFICO

NELLE AREE METROPOLITANE

Milano-Palazzo Turati, 14 dicembre 2006

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