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VALUTAZIONE SPERIMENTALE DELLE EMISSIONI E DEI CONSUMI DI VEICOLI

ALIMENTATI CON MISCELE ETANOLO/BENZINA

M.A. Costagliola, M.V. Prati

Istituto Motori – Consiglio Nazionale delle RicercheNapoli – ITALY

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EXPERT PANEL – EMISSIONI DA TRASPORTO Roma, 7 Dicembre 2012

Summary

…..sull’uso dell’etanolo Combustibili, veicoli e test Risultati e considerazioni

EXPERT PANEL – EMISSIONI DA TRASPORTO STRADALE

Roma, 7 Dicembre 2012

Sull’uso di biocombustibili…

La legislazione nazionale prescrive l’obbligo, per chi immette in consumo benzina e gasolio per autotrazione (incluso agricolo e motopesca), di immettere biocarburanti nella quota del 3% dal 1.1.2009 (su base energetica). Nel 2010 tale quota è passata al 3,5% per poi salire al 4% e al 4,5% nel 2011 e 2012.

Con il recepimento della Direttiva Rinnovabili (Direttiva 2009/28/CE) la quota d’obbligo di miscelazione dei biocarburanti viene portata al valore del 5% su base energetica al 2014.

Il target vincolante, che impone l’uso del 10% di energia da fonti rinnovabili in tutte le forme di trasporto entro il 2020 (con una valutazione della loro sostenibilità ambientale, per ora dal 35 al 50% di GHG saving) comporta una miscelazione di biocarburanti nelle benzine e nei gasoli ben superiore al 10% vol (12-13% per il biodiesel e 15 -16% per il bioetanolo).



Sull’uso del bioetanolo…

Le specifiche europee regolamentano la benzina E5 ed E10 (EN228).

Per il bioetanolo destinato all’impiego in autotrazione per miscele fino al 10% vol. è stata recentemente pubblicata la norma UNI EN 15376.

I limiti distinti per l’etanolo e per l’ossigeno consentono molteplici combinazioni tra i diversi composti ossigenati.

Ad esempio una benzina E5 puo’ essere realizzata con:

5% vol di etanolo oppure 17% vol di ETBE oppure 5% in vol di etanolo +5,5 % in volume di ETBE



Sull’uso di bioetanolo…

Il bioetanolo è un alcol di formula bruta C2H5OH che può essere utilizzato nei motori a combustione interna in diversi modi:

anidro per essere miscelato con la benzina dal 5% all’85% in volume (E5, E10…..E85)Miscele con concentrazione di etanolo fino al 5-10% in volume possono essere utilizzate senza apportare modifiche al motore, mentre percentuali maggiori possono richiedere specifiche modifiche

idrato (95% in volume), utilizzato come sostituto integrale della benzina in autoveicoli con motore opportunamente adattato (ED95, E100).

in emulsione o in soluzione stabile con gasolio a concentrazioni intorno al 12% in volume (E-Diesel, ED Diesel).



NEWS: IN DUAL FUEL SYSTEMS

The main differences between FFVs and petrol vehicles are the materials used in the fuel management system and modifications to the engine calibration system.

Sull’uso dell’etanolo nei motori…

A/F Hi ρ Alcohol C H O gCO2/MJ Hst,mixa Hv

b Cooling

Effectc

kg/kg MJ/kg kg/m3 % mass g/MJ MJ/kg kJ/kg °CGasoline 14.3 42.7 750 0.0 85.2 13.4 1.5 73 2.78 349 24

nB10 14.0 42.0 756 10.7 83.0 13.4 3.6 72 2.80 358 26E10 13.8 41.0 754 10.4 81.7 13.3 4.9 73 2.78 409 30E20 13.2 39.4 757 20.7 78.3 13.3 8.4 73 2.77 468 35E30 12.7 37.8 761 31.0 74.9 13.3 11.8 73 2.76 527 42E85 9.8 29.2 780 85.6 56.9 13.2 29.9 71 2.71 840 86

Butanol 11.2 36.1 810 100.0 52.1 13.1 34.7 66 2.96 430 38Ethanol 9.0 26.9 785 100.0 64.8 13.6 21.6 71 2.69 923 102

% mass

Potere calorifico inferiore

L’etanolo puro ha un piu’ basso rapporto (A/F) ed un contenuto energetico (Hi) pari a circa due terzi di quello della benzina. Dal punto di vista teorico questo effetto comporta un incremento del consumo di combustibile però vi sono due effetti che contrastano ciò:1) un più elevato rapporto idrogeno/carbonio delle molecole di etanolo rispetto a quelle

degli idrocarburi della benzina;2) un maggiore calore latente di vaporizzazione (Hv) dell’etanolo (circa tre volte quello della

benzina), che causa un raffreddamento della carica di aria nei cilindri durante l’evaporazione e quindi una maggiore carica di aria viene a riempire i cilindri del motore con la conseguenza di un maggiore incremento di potenza erogata. Infine, anche la velocità di combustione dell’etanolo, che è più alta contribuisce a migliorare il rendimento del propulsore.

Calore latente di vaporizzazioneRapporto

stechiometrico

aria/combustibile

Il butanolo è considerato sostanzialmente simile alla benzina per scopi di miscelazione e puo’ essere miscelato a piu’ elevate concentrazioni rispetto ad un qualsiasi altro biocombustibile senza modifiche all’auto/motore.

Non si separa in presenza di acqua!

Meno aggressivo verso metalli e gomme dell’etanolo.

Ma vi sono aspetti legati alla sua tossicità.EXPERT PANEL – EMISSIONI DA TRASPORTO

STRADALERoma, 7 Dicembre 2012

Sull’uso di etanolo…

100% benzina

100% etanolo

la tensione di vapore del combustibile RVP è il fattore principale che controlla le emissioni evaporative.



Miscele splash di etanolo e benzina: E5, E10, E20, E30…….E85 Miscela splash di n-butanolo e benzina: n-B10



Quali combustibili abbiamo provato?

Miscele di etanolo e benzina: E5, E10, E20, E30 con una benzina di base ad hoc formulata (senza ossigenati)

SOLO PROVE EMISSIONI (regolamentate e non) E CONSUMI.NON PROVE DI COMPATIBILITA’ MATERIALI.NON PROVE DI DURABILITY



http://www.crcao.org/news/Mid%20Level%20Ethanol%20program/index.html

Motore Euro 4 Fiat Multipla 1.6litri 16V (76 kW 5750 rpm)



Quali veicoli/motori sono stati testati?

“Combustion efficiency and engine out emissions of a S.I. engine fueled with alcohol/gasoline blends”M.A. Costagliola, L. De Simio, S. Iannaccone, M.V. PratiAppl Energy (2012),http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.042

Questa attività è stata svolta nell’ambito di un progetto finanziato dal 7th FWP (Seventh Framework Programme) nel periodo 2009-2010

Titolo del progetto: “Bio-ethanol engine for advanced urban transport by light commercial vehicle & heavy duty” - BEAUTY

Research area: SST-2007-1.1-01 Promoting the use of bio-fuels and alternative hydrocarbon fuels

Leader partner: Centro Ricerche Fiat

Motore Euro 4 Fiat Multipla 1.6litri 16V



Quali principali risultati?

Il comportamento di un motore convenzionale ad accensione comandata non sembra essere particolarmente influenzato dalla composizione del combustibile. Durante i test è stato leggermente modificato l’anticipo di accensione al variare delle miscele ma la standard Electronic Control Unit (ECU) era capace di controllare il rapporto aria/combustibile mantenendo il valore stechiometrico di target. Quindi il motore ha funzionato in condizioni di closed loop con tutti i combustibili.Non sono state riscontrate apprezzabili differenze nel comportamento di combustione.

CO, HC e NOx sono risultate piu’ basse (20-30%) con l’E85 rispetto alla benzina a monte del catalizzatore.

Una significativa riduzione del Numero di Particelle (PN) di quasi il 70-90% è stata raggiunta con tutte le miscele.

L’uso di combustibili ossigenati comporta emissioni di composti carbonilici piu’ elevate; il piu’ forte incremento è stato rilevato con E85 principalmente dovuto al contributo dell’acetaldeide. Per le altre miscele (tra il 10-30 %v), la somma di questi composti diventa il doppio rispetto alla benzina..

Fino a E20 non sono state notate grandi variazioni del tempo di iniezione e della massa di combustibile iniettata, mentre con E30 e E85 è stato osservato un piu’ lungo tempo di iniezione.

Infatti l’E85 ha un piu’ basso contenuto energetico per unità di massa ed una densità non molto differente dalle altre formulazioni, quindi la massa iniettata deve essere piu’ alta.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Fuel massfolw rate

InjectionTime

Fuel volumeflow rate

[%]

E10 vs. GasolineE20 vs. GasolineE30 vs. GasolineE85 vs. Gasoline

Mean values of the experimental grid

Una riduzione del 50% per le emissioni di benzene e 1,3-butadiene, classificati come cancerogeni, è stata ottenuta con l’E85.

Riguardo le emissioni di PAHs, B(a)P e il TEQ valutati per le miscele con etanolo sono ridotti del 30-70% rispetto alla benzina (con i migliori risultati ottenuti con l’E85)

Ma una significativa riduzione del numero di particelle è stata misurata a valle del catalizzatore con tutte le miscele contenenti etanolo rispetto alla benzina.

A valle del catalizzatore (tailpipe) alcune differenze (specie per le miscele E10, E20) sono difficili da valutare a causa dei bassi valori misurati e della variabilità della determinazione.

I valori elencati sono stati quelli misurati a monte del catalizzatore (engine-out) . Per l’uso reale ovviamente bisogna considerare l’effetto del catalizzatore three-way (TWC).

Altre attività: effetto su scooter e sistemi GDI



Motore Euro 4 Fiat Multipla 1.6litri 16V

Quali principali risultati?

Nelle stesse condizioni di carico le emissioni del numero di particelle (PN) chiaramente diminuiscono di quasi un ordine di grandezza passando dalla benzina all’E85.

CON LE MISCELE DI ETANOLO SI E’ MISURATA UNA RIDUZIONE MEDIA DI PN TRA 60-90% RISPETTO ALLA BENZINA (sia a monte che a valle del catalizzatore)

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

E10 E20 E30 E85

% PN variationethanol blends vs gasoline

all experiments

low load - 1750-2050-3000rpm/20Nm, idle

medium load - 1750-2050-3000rpm/50Nm

high load - 1750-2050-3000rpm/80Nm

Risultati: Numero di particelle emesse

I risultati per la miscela con butanolo (B10) sono simili all’E10.

Questo puo’ essere un aspetto importante per il rispetto dei prossimi limiti Euro 6 sul Numero di Particelle (PN) che dovranno essere introdotti per i veicoli Spark Ignition (dal 2014-15).

ETANOLO

Hanno analizzato dati di letteratura e di prove di certificazione dell’EPA su veicoli alimentati con E85 (85% etanolo e 15% di benzina) sia FFV che non rispondenti a diversi standard emissivi.



ETANOLO

CO: -20% circa

HC: -10% circa

NOx: -20-30% circa

CONSUMO: +25% circa



In generale nelle nostre sperimentazioni sul banco a rulli con vetture non FFV non riscontriamo particolari problemi di guidabilità fino al 20% in volume circa di etanolo. A valle di catalizzatori ben condizionati è difficile valutare delle differenze significative tra le emissioni di CO, HC e NOX con le miscele e la benzina.

Pochi sono i dati sul PN e PM.

Diversa è la situazione su ciclomotori o scooter non dotati di sistema a loop chiuso.

Generalmente il CO diminuisce ma l’effetto su HC e NOx è contrastante. Tutto dipende dalla regolazione del motore di partenza!

ETANOLO



Aprilia RSV 4 R 1000 cc, Euro 3



Quali veicoli/motori sono stati testati?

BMW K 100 LT 1000 cc, Euro 0

PARVISA MYSPACE 4T 125 cc, Euro 3

VESPA 4T 4V 50 cc , Euro 2

MOTOCICLI A 4 TEMPIINIEZIONE DI ARIA SECONDARIA (SAI)CATALIZZATORI OSSIDANTI (OC) con o senza SAICATALIZZATORI A TRE VIE (TWC) A LOOP CHIUSO. Ciò permette di ridurre gli NOx

Avl Mobile CVS

AVL AMA 4000 –gas analyser bench

Dilution tunnel

Unregulatedcompoundssampling

Dilution air

Blower

Fan

Driver’s aid

Chassis dyno

Avl Mobile CVS

AVL AMA 4000 –gas analyser bench

Dilution tunnel

Unregulatedcompoundssampling

Dilution air

Blower

Fan

Driver’s aid

Chassis dyno

Continuous measuraments

Durante il test i gas di scarico sono stati diluiti con aria ambiente depurata da un’unità di miscelazione collegata ad un campionamento a volume costante (Costante Volume Sampling) tramite il Venturi a portata critica. Un flusso continuo del campione della miscela riempie uno o più sacchi in modo da determinare la concentrazione media di CO, HC, NX e CO2.Le emissioni in continuo sono misurate ad 1 Hz con un sistema di analisi dei gas di scarico secondo la procedura prevista nella normativa 97/24/EC.Le sostanze inquinanti di scarico sono state raccolte nel tunnel di diluizione ed i segnali sono stati corretti nel ritardo rispetto alla velocità.

L’ APPARATO SPERIMENTALE

Piezoelectric sensor

Amplifier

Experimental setupcombustion analysis

ethernet

Chassis dynamometer

I cicli di guida

• Distanza=12,9 Km• Durata=1570 s• Velocità media=29,7 Km/h• Velocità massima=120 Km/h

• Distanza=28,15 Km• Durata=1800 s• Velocità media=57,8 Km/h• Velocità massima=125 Km/h

• Distanza=15 Km• Durata=2835 s (15 moduli da 190 s)• Velocità media=19 Km/h• Velocità massima=43,1 Km/h



Risultati sperimentali: Tabelle valori per Aprilia Euro 3

Sigla COm HC*m NOxm CO2m ConsumoMedia prove benzina ciclo ECE+EUDC g/km g/km g/km g/km l/100kmECE_a 8,73 1,36 0,16 298,67 13,97ECE_b 1,08 0,28 0,13 279,69 12,45EUDC 0,54 0,15 0,16 159,83 7,11Totale 1,97 0,37 0,15 218,44 9,83Limiti EURO 3 2,00 0,30 0,15

Valori della provaSigla COm HC*m NOxm CO2m consumoMedia prove a benzina WMTC g/km g/km g/km g/km l/100kmWMTC_1 4,52 0,73 0,13 237,00 10,87WMTC_2 1,34 0,12 0,08 164,77 7,38WMTC_3 0,90 0,12 0,29 155,16 6,92Totale 2,03 0,27 0,15 180,43 8,14Limiti WMTC 2,62 0,33 0,22 0

PROBABILMENTE CALIBRATA SU WMTC



-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

UDC_cold UDC_hot EUDC TotaleCO [%

]

Variazione % della CO per le miscele rispetto alla G 0-Ciclo ECE+EUDC per Aprilia RSV4

G 10 G 20 G 30

-94 -181 -148

-80

-60

-40

-20

0

20

UDC_cold UDC_hot EUDC Totale

HC

[%]

Variazione % degli HC degli per le miscele rispetto alla G 0-Ciclo ECE+EUDC Aprilia RSV4

G 10 G 20 G 30

ECE-cold ECE-hot EUDC NEDC



-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

UDC_cold UDC_hot EUDC TotaleCO2

[%]

Variazione % della CO2 per le miscele rispetto alla G 0-Ciclo ECE+EUDC Aprilia RSV4

G 10 G 20 G 30

- 12

-10

-5

0

5

10

15

UDC_cold UDC_hot EUDC Totale

Cons

umi [

%]

Variazione % dei consumi per le miscele rispetto alla G 0-Ciclo ECE+EUDC Aprilia RSV4

G 10 G 20 G 30

ECE-cold ECE-hot EUDC NEDC

Analisi combustione: Aprilia prove a velocità costante

Particolato Aprilia

Aspetti interessanti

CONCLUDONO:1. mass and black carbon

concentrations diminuiscono significativamente passando da E0 a E85, congruentemente con la minore formazione di carbonio elementare nel combustibile ossigenato.

2. contestualmente le misure di mobility distribution mostrano un forte decremento nel numero di particelle emesse nella modalità di accumulazione;

3. Single particle mass spectra mostrano che le specie che derivano dalla benzina (ad esempio zolfo) diminuiscono all’aumentare del tenore di etanolo, mentre le specie che derivano dall’olio lubrificante (ceneri metalliche e idrocarburi pesanti) tendono ad aumentare



Nell’articolo “Emissions from Ethanol-Gasoline Blends: A Single Particle Perspective”Dabrina D. Dutcher , David B. Kittelson et alt.Atmosphere 2011, 2, 182-200; doi:10.3390/atmos2020182

Grazie per l’attenzione!



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