EXPERT PANEL EMISSIONI DA TRASPORTO SU STRADA EXPERT PANEL EMISSIONI DA TRASPORTO SU STRADA RIUNIONE STRAORDINARIARIUNIONE STRAORDINARIA

Firenze, 7 febbraio 2006

LE NUOVE TECNOLOGIE PER LA RIDUZIONE LE NUOVE TECNOLOGIE PER LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI INQUINANTI DEGLI DELLE EMISSIONI INQUINANTI DEGLI

AUTOVEICOLI AUTOVEICOLI

FRANCESCO AVELLA

Stazione Sperimentale per i Combustibili

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

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

Un altro ambizioso 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

Entrambi 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)

STRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTISTRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTI

Riduzione delle emissioni attraverso ilperfezionamento 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 didispositivi di post-trattamento dei gas di scarico

catalizzatori TWC di nuova generazione per auto a benzina e a gascatalizzatori ossidanti per motori dieselcatalizzatori de-NOx SCR e NSCfiltri per particolato C-DPF e CR-DPF

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

catalizzatore selettivo de-NOx (SCR)

catalizzatore ossidante filtro del particolato (CR-DPF)

catalizzatore di NO2

EDC

sensore di NOxsensore di

temperaturasensore di

∆p

condizioni operative del

motoreCPU

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

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 100 200 300 400 500 600 700

tenore di zolfo [mg/kg]

NM

HC

, NO

x [g

/mi]

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

CO

[g/m

i]

NMHC NOx CO

VW Jetta a benzina con motore 2.0 l e TWC - US-FTP '75

RIGENERAZIONE

A differenza del Pt, il Pd è più sensibile all’avvelenamento da parte dello zolfo nella benzina

Il processo di avvelenamento (accumulo di solfati) è solo parzialmente reversibile: il recupero di efficienza non è mai completo con benzina ULS

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

Nei sistemi più avanzati il Pd sostituisce il Pt per aumentare la stabilità termica e permettere di avvicinare il TWC al collettore di scarico del motore per ridurre il tempo (temperatura) di light-off

Metalli attivi:Metalli attivi: PtPt // PdPd / / RhRh

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

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

Recupero di funzionalità mai completo, anche dopo lungo esercizio dell’autoveicolo con gasolio ULS

0

20

40

60

80

100

120

80 120 160 200 240

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

conv

ersio

ne d

i CO

[%]

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

motore VW 1.9 TDicarico parziale

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)

Metalli attivi:Metalli attivi: PtPt // Pd Pd

TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO ((NOxNOx StorageStorage Catalyst Catalyst -- NSC)NSC)

1/21/2

Dispositivo ceramico a nido d’ape molto efficace nel cui wash-coat è presente BaO per “intrappolare” gliNOx.

Idoneo per i motori G-DI lean-burn e i propulsori diesel leggeri

Rigenerazione (Riduzione)

Assorbimento (Ossidazione)

Processo di “assorbimento”

ossidazione dell’NO a NO2

formazione di Ba(NO3)2

Processo di “rigenerazione”

innalzamento della temperatura dei gas di scarico attraverso l’arricchimento momentaneo (pochi secondi) della miscela combustibile /aria

decomposizione del Ba(NO3)2 in N2 eBaO/BaCO3

Metalli attivi:Metalli attivi: PtPt // PdPd -- BaOBaO

TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO ((NOxNOx StorageStorage Catalyst Catalyst -- NSC)NSC)

2/22/2Fortemente sensibile all’avvelenamento da zolfo presente nei combustibili: formazione di BaSO4, sostanza più stabile del Ba(NO3)2, è competitiva con quella del nitrato

Perdita di efficienza molto rapida

0

10

20

30

4050

60

70

80

90

100

0 2000 4000 6000 8000 10000

distanza [km]

conv

ersi

one

di N

Ox

[%]

8 mg/kg S 30 mg/kg S 50 mg/kg S

autovettura a benzina Euro 3 - avviamento a regime termico

Dati VW

Accumulo di BaSO4: maggiore frequenza di rigenerazione della trappola e durata del processo più elevata

Effetto: incremento del consumo di combustibile e dell’emissione della CO2

0

200

400

600

800

1000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

contenuto di zolfo nella benzina [mg/kg]

inte

rval

lo d

i des

olfa

tazi

one

[km

]

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

incr

emen

to d

i con

sum

o [%

]

distanza consumoDati BMW

CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI NOxNOx((SelectiveSelective CatalystCatalyst ReductionReduction System System -- SCR)SCR)

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

Sistema costruttivamente complesso: tre sezioni catalitiche per idrolisi, riduzione SCR e sorveglianza per controllo di emissione in atmosfera di ammoniaca non reagita

INIEZIONE DI UREA

GAS ESAUSTI

oxycat idrolisi di

urea UREA catalizzatore

SCR clean up Metalli attivi:Metalli attivi:V / W / TiV / W / Ti

Iniezione della soluzione controllata tramite OBD e sensore di NOxBassa sensibilità allo zolfo nel gasolio: deattivazione (reversibile) causata dalla formazione di bisolfato di ammonio

FILTRO CATALITICO PER IL PARTICOLATO FILTRO CATALITICO PER IL PARTICOLATO ((Catalytic Catalytic Diesel Diesel Particulate FilterParticulate Filter -- CC--DPF)DPF)

1/21/2

Costituito da un monolito a nido d’ape di SiC, in cui le celle sono chiuse in modo alternativo da un lato per potere filtrare in continuo i gas di scarico trattenendo il particolato Ingresso gas di

scarico

Uscita gas di scarico

Monolito in SiC a nido d’ape

dinamica della deposizione del particolato sul filtro

02468

10121416

0 20 40 60 80 100

massa di particolato raccolta sul filtro, g

contropressione, kPa

flusso

flusso

diffusione normale e turbolenta

(Dp < 200 nm)

intercettazione e impatto inerziale

(Dp > 200 nm)

PROCESSO DI RIGENERAZIONE DEL FILTRO PROCESSO DI RIGENERAZIONE DEL FILTRO ((Catalytic Catalytic Diesel Diesel Particulate FilterParticulate Filter -- CC--DPF)DPF)

2/22/2

principio di rigenerazione del CDPF (FAP)

0

100

200

300

400

500

600

∆T = 100 °Ceffetto del catalizzatore al cerio

post combustione catalitica degli HC

effetto dell'iniezione secondaria

∆T = 100 °C

∆T = 200 °C

temperatura, °C

alcuni sistemi impiegano anche un catalizzatore a base di cerio disperso nel combustibile (fuel-born catalyst) per favorire la combustione della coltre di fuliggine

Processo di “rigenerazione”

innalzamento della temperatura dei gas di scarico a valori > 600 °C attraverso l’arricchimento momentaneo (pochi secondi) della miscela combustibile /aria

l’arricchimento della miscela è realizzato attraverso la gestione pilotata elettronicamente di alcuni organi del motore che intervengono sul processo di combustione: attuazione di iniezioni multiple, regolazioni di: fasatura di iniezione, flusso d’aria aspirata, sovralimentazione

TRAPPOLA A RIGENERAZIONE CONTINUA TRAPPOLA A RIGENERAZIONE CONTINUA ((Continuous RegeneratingContinuous Regenerating Diesel Diesel Particulate FilterParticulate Filter -- CRCR--DPF)DPF)

Dispositivo filtrante, noto anche come CRT©, in grado di ossidare in continuo il particolato trattenuto sulla sua superficie impiegando come comburente NO2 in sostituzione dell’O2

ingresso gas

sezione catalitica

sezione filtrante

uscita gas depurati

catalizzatore ossidante

filtro a nido d’ape

ingresso gas

sezione catalitica

sezione filtrante

uscita gas depurati

catalizzatore ossidante al Pt

filtro a nido d’ape

CRT® (Johnson Matthey)

meccanismo di funzionamento

NO + ½ O2 → NO2

2NO2 + 2C → N2 + 2CO2

NO2 generato dall’ossidazione di una parte di NO presente nei gas di scarico, mediante un catalizzatore ossidante a base di Pt posto prima del filtro

Sistema applicabile anche come retrofit per autoveicoli diesel pesanti (bus, veicoli commerciali)

CAUSE DI PERDITA DI EFFICIENZA DEI FILTRICAUSE DI PERDITA DI EFFICIENZA DEI FILTRI

Deterioramento nel tempo (accumulo chilometraggio) del DPF causato da:

Origine delle cenerizolfo nel combustibileadditivi a base metallica nel lubrificantemateriali metallici da usura materiali minerali dispersi nell’aria di combustione aspirata dal motore

emissione di particolato dopo il CRT (prova ESC)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0 10 20 30 40 50tenore di zolfo [mg/kg]

emis

isone

par

ticol

ato

[g/k

Wh]

JM = Johnson Matthey

IMF = Iveco Motorenforschung Arborn

limite Euro 4 - Euro 5

zolfo nel combustibile: porta a una perdita di efficienza di rigenerazione determinata dalla reazione competitiva dell’ossidazione dell’SO2 a SO3 rispetto a quella dell’NO a NO2 con incremento del consumo

accumulo progressivo di ceneri che tendono a intasare i pori del filtro e ad aumentare la contropressione allo scarico del motore

ESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRIESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRI1/21/2

Progetti sperimentali dimostrativi su autoveicoli diesel pesantiProgetti sperimentali dimostrativi su autoveicoli diesel pesanti

Programma MTA 2000/2001 in New York City[SAE technical paper 2001-01-0511, SAE 2002-01-0430]25 autobus urbani dello stesso modello in servizio a New York City

Programma CARB 2000/2001 in Sud California[SAE technical paper 2001-01-0512]32 autoveicoli di varia tipologia (bus, scuola bus, autocarri, furgoni)

Tutti gli autoveicoli erano equipaggiati con CRTTM (retrofit) e alimentati con gasolio ULS (S < 30 mg/kg)

Eseguito il controllo in esercizio dei parametri di funzionamento del CRT e delle emissioni a intervalli regolari con differenti cicli di guida reali di alcuni autoveicoli campione

ESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRIESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRI

2/22/2

Progetti sperimentali dimostrativi nazionali Progetti sperimentali dimostrativi nazionali

Programma di prove (EniTecnologie – ATM Milano)[Forum Mobilità e Territorio, Milano, 19 febbraio 2003]

Prove su uno dei 30 autobus Euro 2 di ATM equipaggiati con CRTTM in servizio a Milano e alimentati con gasolio ULS (S < 10 mg/kg)

Controllo delle emissioni impiegando il ciclo di guida reale ATM 61

Prove su autovettura Peugeot FAP (QuattroRuote - SSC)[La Rivista dei Combustibili, 56, 4-5, 2002]

Peugeot 307 FAP a confronto con un’autovettura diesel convenzionale Euro 3, entrambe alimentate con gasolio convenzionale e con gasolio ULS

Controllo delle emissioni con il ciclo di guida standard europeo (NEDC)

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

ULTERIORI RISULTATI DEL ULTERIORI RISULTATI DEL

PROGRAMMA DI NEW YORK CITYPROGRAMMA DI NEW YORK CITY

riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRTTM

-90,0

-80,0

-90,0 -93,0

-120,0

-100,0

-80,0

-60,0

-40,0

-20,0

0,0

20,0

aldeidi IPA N-IPA numero particelle

varia

zion

e %

30 nm - 1 µm

EFFETTO DEL FAP SULL’EMISSIONE DEL PMEFFETTO DEL FAP SULL’EMISSIONE DEL PM1010

EFFETTO SULL’EMISSIONE DI EFFETTO SULL’EMISSIONE DI PARTICOLATO FINE (< 10 PARTICOLATO FINE (< 10 µµm)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 AUTOVETTURA SCARICO DI UNA AUTOVETTURA DIESEL DI NUOVA GENERAZIONEDIESEL DI NUOVA GENERAZIONE

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 NUOVA E DOPO 100.000 KM PERCORSI SU STRADA, A

CONFRONTO CON QUELLE DI UNA AUTOVETTURA PEUGEOT 406

CONVENZIONALE 1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

0 780Tempo [s]

PM10

[N/s

]

x 10000

GASOLIO ULSD

Peugeot 406 Peugeot 307 FAP nuova Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km

Ciclo di guida NEDC

0

40

80

120

Velo

cità

[km

/h]

DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PMDISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PM1010PROVE QUATTRORUOTE / SSC PROVE QUATTRORUOTE / SSC

1/21/2

0,0E+00

5,0E+11

1,0E+12

1,5E+12

2,0E+12

0,01 0,1 1 10

Dp [µm]

Num

ero

[N/s

]

0,0E+00

5,0E+11

1,0E+12

1,5E+12

2,0E+12

0,01 0,1 1 10Dp [µm]

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 [µm]

Num

ero

[N/s

]

0,0E+00

5,0E+06

1,0E+07

1,5E+07

2,0E+07

0,01 0,1 1 10

Dp [µm]

Num

ero

[N/s

]

Distribuzione dimensionale del particolato in numero - gasolio ULSPEUGEOT 406

cicl

odi

guid

aur

bano

cicl

o di

gui

da e

xtra

urba

no

PEUGEOT 307 FAP

ciclo di guida UDC

1,00E+03

1,00E+05

1,00E+07

1,00E+09

1,00E+11

1,00E+13

1,00E+15

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

diametro aerodinamico medio [µm]

dN/d

Log

Dp

[N/k

m]

Peugeot 406 Peugeot 307 FAP nuova Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km

ciclo di guida EUDC

1,00E+03

1,00E+05

1,00E+07

1,00E+09

1,00E+11

1,00E+13

1,00E+15

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

diametro aerodinamico medio [µm]

dN/d

Log

Dp

[N/k

m]

Peugeot 406 Peugeot 307 FAP nuova Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km

Dopo 100.000 km percorsi è stata osservata una perdita di efficienza del filtro antiparticolato in tutta la gamma dimensionale delle particelle soltanto nel ciclo extraurbano

SI PUSI PUÓÓ GENERALIZZARE GENERALIZZARE QUESTO RISULTATO?QUESTO RISULTATO?

DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PMDISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PM1010PROVE QUATTRORUOTE / SSC PROVE QUATTRORUOTE / SSC

2/22/2