Valutazione sperimentale delle emissioni di scooter

Valutazione sperimentale delle emissioni di scooter Euro 3
G. Zamboni, C. Carraro, M. Capobianco
Internal Combustion Engines Group (ICEG), Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET) –
Università di Genova
M.V. Prati, M.A. Costagliola, M. Bonfantini
Istituto Motori CNR – Napoli
Abstract
L’attività oggetto del presente lavoro rientra nell’indagine finalizzata allo studio delle emissioni dei
motocicli, congiuntamente sviluppata dall’Istituto Motori del CNR e dall’Internal Combustion Engines
Group operante presso il Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti dell’Università di
Genova. Due scooter 4T, omologati secondo la normativa Euro 3 per le emissioni allo scarico, sono
stati testati su banco a rulli con diversi cicli di guida, sia di omologazione che reali, al fine di
stimarne i fattori di emissione (con riferimento a CO, HC, NOx e CO2) ed il consumo di combustibile
sia in condizioni di funzionamento a caldo (motore e fluidi regimati termicamente) che con partenza
a freddo. Nel lavoro viene analizzata l’influenza dei cicli considerati sui fattori misurati e sul
comportamento a freddo dei veicoli analizzati, in termini di sovraemissioni, durata del transitorio e
relativa distanza percorsa ed effettuato un confronto dei dati sperimentali con quelli applicati in
diversi modelli di calcolo delle emissioni (Copert 4, Artemis).
Introduzione
A seguito dalla larga diffusione di veicoli a due ruote circolanti nelle aree urbane italiane, una
crescente attenzione è rivolta alla valutazione dell’impatto ambientale di questa classe di veicoli.
Nel 2006 il numero dei veicoli a due ruote in Italia è stato stimato essere di circa dieci milioni di
unità delle quali oltre il 50% è rappresentato da motocicli [1]. Rispetto a qualche anno fa, la
composizione del parco circolante dei veicoli a due ruote è cambiata: la maggioranza numerica di
ciclomotori aventi cilindrata pari a 50 cm3 è stata sostituita dalla recente diffusione di mezzi con
cilindrata superiore. I motocicli con cilindrata fino a 250 cm3 rappresentano circa il 60% della flotta
dei motocicli e tra questi una fetta consistente è costituita dagli scooter [1, 2]. Il termine scooter,
sebbene non classificato da una precisa definizione legislativa, indica i veicoli equipaggiati con
cambio automatico e principalmente utilizzati per brevi spostamenti, essenzialmente urbani.
L’utilizzo cittadino caratteristico degli scooter, in unione alla loro crescente diffusione, rende
necessario approfondire il comportamento emissivo di questa classe di motocicli al fine di valutarne
il contributo alla qualità dell’aria in ambito urbano.
A tale scopo, nell’ambito di una collaborazione tra l’Istituto Motori del CNR e l’Internal Combustion
Engines Group (ICEG) operante presso il Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti
1
dell’Università di Genova finalizzata allo studio delle emissioni dei motocicli, due scooter 4T,
rispondenti alla normativa Euro 3 per le emissioni allo scarico, sono stati testati su banco a rulli
dinamometrico al fine di stimarne i fattori di emissione degli inquinanti regolamentati (monossido di
carbonio – CO, idrocarburi incombusti – HC, ossidi di azoto – NOx) ed il consumo di combustibile.
Tale analisi è stata incentrata sulla valutazione dei fattori di emissione nel comportamento a caldo
dei veicoli (ossia con il motore ed i fluidi regimati termicamente ad una temperatura di 80°C) e sulla
valutazione del contributo emissivo dovuto alla partenza a freddo, in termini di sovraemissioni,
durata del transitorio e relativa distanza percorsa. Tali valutazioni sono state condotte sia sui cicli di
guida previsti dalla normativa europea sull’omologazione, sia su cicli reali proposti nell’ambito del
Progetto Artemis per la determinazione della sovraemissione a freddo degli inquinanti gassosi [3]. I
dati sperimentali sono stati inoltre confrontati con i fattori di emissione utilizzati nel modello di
calcolo delle emissioni Copert 4 e riportati in letteratura [3, 4, 5].
Descrizione dell’apparato sperimentale
Il laboratorio emissioni E4 dell’Istituto Motori del CNR è attrezzato per valutare l’impatto ambientale
di veicoli a due ruote (ciclomotori, scooter e motocicli) in funzione della tecnologia (i.e. dispositivi di
post trattamento dei gas di scarico), dei combustibili utilizzati, delle condizioni iniziali del veicolo
(partenza a freddo o regimata) e del comportamento di guida. Il veicolo è posto su un banco a rulli
dinamometrico (monorullo Zollner 20”) in grado di simulare elettricamente gli attriti reali del
motociclo su strada e l’inerzia dello stesso (nel range 80-450 kg). Un guidatore esegue il ciclo di
guida preimpostato e visualizzato tramite il programma AVL driver’s aid, grazie al quale viene
registrato il profilo di velocità eseguito ed è valutato il numero di scostamenti dalla traccia teorica.
Durante l’effettuazione del ciclo di guida un ventilatore a velocità variabile provvede a simulare
l’azione del vento su strada, erogando una portata d’aria di raffreddamento proporzionale alla
velocità del veicolo a due ruote. I gas di scarico sono raccolti e diluiti con aria ambiente con l’ausilio
di un sistema di diluizione a volume costante (CVS-Constant Volume Sampler). Un’aliquota della
corrente dei gas diluiti viene campionata in sacchi di raccolta, analizzati alla fine di ogni test per la
determinazione delle concentrazioni medie degli inquinanti durante ciascun ciclo di guida. Inoltre, le
concentrazioni degli inquinanti gassosi sono misurate in continuo utilizzando un banco di analisi di
tipo dinamico per le emissioni gassose AVL-AMA4000. Lo stesso banco provvede all’analisi nei
sacchi di raccolta al termine del ciclo di guida delle emissioni regolamentate di monossido di
carbonio, idrocarburi incombusti ed ossidi di azoto e di quelle di anidride carbonica. In particolare,
un analizzatore ad infrarosso provvede alla misura di CO e CO2, un analizzatore a
chemiluminescenza misura gli NOx intesi come la somma di NO ed NO2, ed un rivelatore a
ionizzazione di fiamma è utilizzato per la misura degli HC. Uno schema dell’apparato sperimentale
(completo di linee per la misura delle emissioni non regolamentate) è mostrato in Figura 1.
2
L’esecuzione del ciclo di guida è interamente gestita in maniera automatica da un host computer il
quale memorizza tutti i dati del banco freno, del banco analisi e del CVS. Al termine del ciclo di
guida il sistema host stima le emissioni prodotte (in grammi) per chilometro percorso dal veicolo e
calcola i consumi con il metodo del bilancio del carbonio.
Figura 1 – Apparato sperimentale per prove su veicoli a due ruote
Cicli di guida considerati
I due scooter sono stati provati su differenti cicli di guida sia reali che normalizzati. La durata, la
distanza percorsa, la velocità media e le condizioni di partenza di ciascuno di essi sono riportate
nella Tabella 1.
Nome ciclo
UDC
UDC+EUDC
Artemis URBAN COLD
Artemis ROAD COLD
WMTC
Subcicli
Condizioni
di partenza
durata, s
distanza, km
velocità
media, km/h
UDC_a
a freddo
390
2
18
UDC_b
a caldo
780
4
18
UDC_a
a freddo
390
2
18
UDC_b
a caldo
780
4
18
EUDC vmax=90 km/h
a caldo
400
6,6
59
URBAN COLD 1
a freddo
945
5
19
URBAN COLD 2
a caldo
945
5
19
URBAN COLD 3
a caldo
945
5
19
ROAD COLD 1
a freddo
630
7,2
41
ROAD COLD 2
a caldo
630
7,2
41
ROAD COLD 3
a caldo
630
7,2
41
WMTC 1
a freddo
600
4
24
WMTC 2
a caldo
600
8,5
51
Tabella 1 – Caratteristiche dei diversi cicli di guida
Ogni ciclo è stato suddiviso in moduli (nella tabella indicati come subcicli), ognuno dei quali
corrisponde ad un sacco di raccolta dei gas diluiti e quindi caratterizzato da un proprio fattore di
3
emissione. I cicli UDC (Urban Driving Cycle) ed EUDC (Extra-Urban Driving Cycle) sono stabiliti
dalla normativa europea per l’omologazione. La parte EUDC, con velocità massima pari alla
velocità massima raggiunta dal motociclo, è prevista solo per motocicli aventi cilindrata uguale o
superiore a 150 cm3. Artemis Urban (IUFC) e Road (IRC) Cold sono due cicli di guida sviluppati
dall’INRETS, nell’ambito del progetto EU Artemis [3], per la valutazione del comportamento
emissivo a freddo dei veicoli. WMTC (World-wide Motorcycle Emissions Test Cycle) è il nuovo ciclo
armonizzato che può essere usato per l’omologazione dei motocicli in alternativa a quello europeo.
Descrizione dei motocicli
La Tabella 2 riporta le caratteristiche tecniche dei motocicli esaminati. Essi, indicati con le lettere A
e B, appartengono entrambi alla categoria degli scooter a 4 tempi omologati secondo la normativa
Euro 3 sulle emissioni. Le differenze sostanziali dei due motocicli risiedono nella cilindrata e nel
peso. In particolare, il motociclo A di cilindrata inferiore a 125 cm3 ha un peso maggiore di 50 kg
rispetto al motociclo B. Quest’ultimo è equipaggiato con un motore di cilindrata superiore a 150 cm3.
Modello
Categoria
Tipo di motore
Numero di cilindri
Numero di valvole per cilindro
3
Cilindrata [cm ]
Alimentazione
Raffreddamento
Trasmissione
Potenza massima all’albero
Coppia massima
Massa a secco [kg]
Velocità massima [km/h]
Sistema di post trattamento dei gas di
scarico
Normativa antiinquinamento
Parametri del banco a rulli:
Inerzia equivalente Ieq,
resistenza all’avanzamento F0,
coefficiente di attrito aerodinamico F2
A
scooter
4-tempi
1
4
124,8
Iniezione elettronica (EFI)
A liquido
Variatore continuo con
frizione centrifuga
11,0 kW a 9750 giri/min
11,8 Nm a 7750 giri/min
160
110-115
catalizzatore a 3 vie e sonda
lambda
Euro 3
B
scooter
4-tempi
1
2
151
Carburatore
Ad aria forzata
Variatore automatico CVT
con asservitore di coppia
8,6 kW a 7750 giri/min
11,6 Nm a 6000 giri/min
110
92-95
catalizzatore a 3 vie e
sistema aria secondaria SAS
Euro 3
Ieq 240 kg:
Ieq 190 kg:
F0 = 21.1 N
F0 = 16.7 N
F2 = 0.0236 N/(km/h)
2
F2 = 0.0229 N/(km/h)
2
Tabella 2 – Caratteristiche dei motocicli
La differente inerzia determina differenti parametri di frenatura utilizzati per simulare correttamente
sul banco a rulli il carico strada. La velocità massima raggiunta su strada è circa di 110 km/h per il
motociclo A e di circa 95 km/h per il motociclo B. Inoltre, i due veicoli si differenziano per i sistemi
utilizzati per il contenimento delle emissioni gassose: infatti, pur essendo entrambi equipaggiati con
4
un catalizzatore a tre vie, il motociclo A è dotato di controllo elettronico dell’iniezione e sonda
lambda, mentre il motociclo B utilizza l’iniezione secondaria di aria nel collettore di scarico dei gas
combusti.
La Tabella 3 riassume i fattori di emissione di CO, HC e NOx valutati durante il ciclo di
omologazione europeo ed il ciclo mondiale con i relativi limiti per ciascuna classe di motocicli. Il
motociclo A, avendo una cilindrata inferiore a 150 cm3, deve essere provato sulla sola parte urbana
(UDC), mentre con il motociclo B deve essere effettuata anche la parte extra-urbana (EUDC). I
relativi limiti da rispettare sono differenti per gli HC. I due motocicli hanno fattori di emissione
sempre superiori ai limiti ad eccezione di HC e NOx del motociclo B. Lo stesso comportamento si
registra per il ciclo WMTC, uguale per i due veicoli poiché entrambi appartenenti alla classe 2-1
(motocicli aventi velocità massima inferiore ai 115 km/h).
CO, g/km
HC, g/km
NOx, g/km
3,77
0,94
0,25
Limiti Euro 3 per motocicli <150cm - ciclo UDC
(motociclo A)
2
0,8
0,15
Fattori di emissione scooter B - ciclo UDC+EUDC
9,59
0,26
0,03
Limiti Euro 3 per motocicli >=150cm - ciclo
UDC+EUDC (motociclo B)
2
0,3
0,15
Fattori di emissione scooter A - ciclo WMTC
3,21
0,75
0,47
Fattori di emissione scooter B - ciclo WMTC
7,24
0,20
0,04
Limiti per motocicli con v<130 km/h - ciclo WMTC
(motociclo A e B)
2,62
0,75
0,17
Fattori di emissione scooter A - ciclo UDC
3
3
Tabella 3 – Fattori di emissione durante il ciclo di omologazione ed il ciclo mondiale
Emissioni a caldo
Nelle Figure 2-5 sono riportati i fattori di emissione di CO, HC, NOx e CO2, espressi in g/km, ottenuti
per i due scooter durante l’esecuzione dei vari cicli in condizioni di partenza a caldo. Nelle figure
sono riportati anche dati di confronto ottenuti dal modello di calcolo dei fattori di emissione Copert 4
e dai dati sperimentali del Progetto Artemis WP500. Mentre il Copert 4 fornisce un’unica legge per il
calcolo dei fattori di emissione per l’intera classe di motocicli 4 tempi Euro 3, i dati Artemis sono
suddivisi per classe di cilindrata (inferiore o uguale a 150 cm3 e compresa tra 150 e 250 cm3). I due
scooter mostrano comportamenti emissivi differenti. Lo scooter A presenta emissioni di CO tra 2-3
g/km ed emissioni di HC e NOx tra 0,3-0,6 g/km. Mentre CO e HC sembrano non essere influenzati
dai diversi cicli di guida, gli NOx mostrano un valore crescente con la velocità media del ciclo. Lo
scooter B presenta valori molto elevati di emissione di CO (da 3 a 11,5 g/km) fortemente influenzati
dal ciclo di guida: al crescere della velocità media del ciclo le emissioni aumentano. Tale
comportamento non concorda con i dati di confronto (Copert e Artemis). Sia le emissioni di HC che
di NOx risultano essere molto inferiori, tra 0,1-0.2 g/km e tra 0,02-0,03 g/km rispettivamente.
5
In generale lo scooter A mostra valori più elevati di quelli stimati con i modelli, mentre B (ad
eccezione del CO) presenta valori più bassi. Nella Figura 6 sono riportati i corrispondenti consumi
espressi in l/100km. B consuma tra 3-4 l/100km sui diversi cicli di guida mentre lo scooter A mostra
consumi più elevati, tra i 4-5 l/100km, che possono essere imputati ai 50 kg di maggiore inerzia
rispetto a B.
Emissioni di CO a caldo
14
Emissioni di HC a caldo
1
SCOOTER A
SCOOTER B
Moto 4 tempi Euro 3 - COPERT 4
Moto 4 tempi Euro 3 <=150cm3 - Artemis WP500
Moto 4 tempi Euro 3 >150cm3 e <=250cm3 - Artemis WP500
12
10
0,8
0,6
g/km
8
g/km
SCOOTER A
SCOOTER B
Moto 4 tempi Euro 3 - COPERT 4
Moto 4 tempi Euro 3 <=150cm3 - Artemis WP500
Moto 4 tempi Euro 3 >150cm3 e <=250cm3 - Artemis WP500
6
0,4
4
0,2
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
10
20
30
velocità media, km/h
40
50
60
70
velocità media, km/h
Figura 2 – Emissioni di CO (in g/km) a caldo
Figura 3 – Emissioni di HC (in g/km) a caldo
Emissioni di NOx a caldo
Emissioni di CO 2 a caldo
1
140
SCOOTER A
SCOOTER B
Moto 4 tempi Euro 3 - COPERT 4
Moto 4 tempi Euro 3 <=150 cm3 - Artemis WP500
Moto 4 tempi Euro 3 >150 cm3 e <=250cm3 - Artemis WP500
0,8
120
100
g/km
g/km
0,6
0,4
80
60
40
SCOOTER A
0,2
SCOOTER B
20
Moto 4 tempi Euro 3 <=150cm3 - Artemis WP500
Moto 4 tempi Euro 3 >150cm3 e <=250cm3 - Artemis WP500
0
0
10
20
30
40
50
60
70
10
20
velocità media, km/h
30
40
50
60
70
velocità media, km/h
Figura 4 – Emissioni di NOx (in g/km) a caldo
Figura 5 – Emissioni di CO2 (in g/km) a caldo
Consumi di combustibile a caldo
6
5
l/100km
4
3
2
SCOOTER A
SCOOTER B
Moto 4 tempi Euro 3 - Copert 4
Moto 4 tempi Euro 3 <=150cc - Artemis WP500
Moto 4 tempi Euro 3 >150cc e <=250cm3 - Artemis WP500
1
0
10
20
30
40
50
60
70
velocità media, km/h
Figura 6 – Consumo di carburante (in l/100km
Sovraemissioni a freddo
L’attività svolta nell’ambito della collaborazione tra l’Istituto Motori e l’ICEG sulle emissioni a freddo
dei motocicli ha in una prima fase evidenziato la crescente importanza di questo aspetto:
6
considerando un tipico percorso urbano, l’incidenza delle sovraemissioni sui quantitativi di
inquinanti complessivamente rilasciati allo scarico cresce con l’evoluzione della fase normativa,
probabilmente a causa della progressiva diffusione dei catalizzatori, necessari a rispettare i limiti
sempre più restrittivi [5]. Per questo motivo l’attività sperimentale descritta nei paragrafi precedenti è
stata focalizzata sull’esecuzione di cicli di guida reali appositamente definiti per analizzare il
comportamento a freddo dei veicoli, mentre la scelta di motocicli omologati Euro 3 è motivata dal
fatto che le informazioni su questa classe di veicoli sono ancora limitate, come evidenziato
dall’indagine bibliografica presentata in [5].
La disponibilità di dati sperimentali misurati sia analizzando i gas di scarico raccolti nei sacchi sia
valutando le concentrazioni di inquinanti in continuo, ha permesso di applicare due procedure
alternative di valutazione delle sovraemissioni a freddo [6]. Il primo approccio è il seguente: nel
caso di misure in continuo eseguite su cicli di guida ripetitivi, è possibile individuare la fase a caldo
sulla curva che rappresenta le emissioni cumulative in funzione del tempo ed approssimarla
mediante una retta. Estrapolando la retta sino all’asse delle ordinate, l’intersezione individua il
valore della sovraemissione a freddo; per un esempio applicativo di questo metodo si rimanda a [5].
La seconda procedura è basata sulla valutazione della differenza tra le emissioni nei diversi sacchi
di raccolta nell’esecuzione di cicli con partenza a freddo; più precisamente la sovraemissione è data
dalla differenza tra la quantità emessa nelle ripetizioni necessarie al warm-up del motore e quella
emessa nello stesso numero di ripetizioni eseguite con il motore regimato termicamente; nel caso
del ciclo di omologazione europeo si considerano quindi il sacco 1 (UDC_a) e la metà del sacco 2
(UDC_b), mentre per i cicli reali (IUFC ed IRC) si utilizzano i dati del sacco 1 per la fase a freddo
(Urban Cold 1 e Road Cold 1) e la media dei valori dei sacchi 2 e 3 (Urban Cold 2 e 3 e Road Cold
2 e 3) per la fase a caldo.
La prima procedura consente tra l’altro di individuare in modo accurato l’effettiva durata del
transitorio a freddo e la relativa distanza percorsa, in quanto vengono analizzate le misure in
continuo effettuate con frequenza pari ad 1 Hz. Naturalmente questo comporta un maggiore
impegno nell’esecuzione e nell’elaborazione delle misure, richiedendo tra l’altro di fasare
accuratamente i segnali provenienti dagli analizzatori di gas di scarico con il profilo di velocità
eseguito al banco, tenendo conto del tempo di ritardo introdotto dalla linea di campionamento dei
gas di scarico. La seconda procedura è quella comunemente applicata, in quanto utilizza i dati
misurati nell’esecuzione della prova di omologazione fissata dalla normativa europea per la fase
Euro 3. In precedenza, le emissioni nelle prime due ripetizioni a freddo del ciclo urbano venivano
generalmente misurate [7, 8, 9, 10], anche se queste non erano incluse nella valutazione dei fattori
di emissione da confrontare con i limiti normativi, ed era quindi comunque possibile valutare la
sovraemissione a freddo. Questo approccio non consente di determinare la durata del transitorio in
modo accurato, perché i dati sono disponibili solo per valori discreti delle ripetizioni dei cicli.
7
Il risultato della valutazione delle sovraemissioni a freddo per i due scooter testati, ottenuti
applicando le due procedure considerate ai dati relativi ai tre cicli ripetitivi effettuati (ECE, IUFC e
IRC) sono presentati nelle Figure 7-10, relative rispettivamente a CO, HC, NOx e CO2. Come valori
di riferimento, sui grafici sono indicate le sovraemissioni valutate per le moto Euro 3 sia nell’ambito
del progetto Artemis [3, 7] sia nella prima fase di questo studio [5].
Dall’analisi degli andamenti si possono sviluppare le seguenti considerazioni:

è evidente una grande variabilità dei valori a seconda della procedura e del veicolo considerato
ed è difficile individuare delle tendenze consolidate; questo potrebbe essere dovuto alla
differente cilindrata dei due veicoli, che comporta l’esecuzione di cicli diversi in fase di
omologazione e che probabilmente influisce sulla taratura del sistema di alimentazione del
combustibile, ed al diverso sistema di post trattamento dei gas di scarico (Tabella 2);

le sovraemissioni di CO e HC per lo scooter A aumentano applicando la procedura 1 e
passando dal ciclo di omologazione a quello reale urbano ed a quello reale extra-urbano; in
questo caso occorre tenere conto delle diverse caratteristiche cinematiche dei cicli, in termini di
accelerazioni e di velocità media. Il primo parametro raggiunge valori più elevati nei due cicli
reali, comportando un maggiore arricchimento della miscela con conseguenti picchi di
emissione, mentre la velocità media più elevata per il ciclo IRC corrisponde ad una maggiore
distanza percorsa nel transitorio a freddo relativo alle due specie (fig.11);

le sovraemissioni di CO e HC dello scooter B presentano generalmente una minore variabilità,
con riferimento sia ai due metodi di valutazione sia ai tre cicli considerati, mentre le
sovraemissioni di NOx sui due cicli reali sono decisamente superiori rispetto a quelle valutate sul
ciclo normalizzato;

il confronto con i dati relativi ad altri veicoli Euro 3 porta a conclusioni differenti: per il CO tutti i
valori sperimentali sono superiori a quelli di riferimento; nel caso degli HC lo scooter A presenta
livelli più elevati, mentre quelli dello scooter B sono paragonabili alle sovraemissioni degli altri
motocicli. Per gli NOx vi è una certa omogeneità dei valori, pur con qualche eccezione, mentre
per la CO2 i livelli di riferimento sono maggiori di quelli sperimentali.
18
6
Procedura 1 scooter A
Procedura 1 scooter B
Procedura 2 scooter A
Procedura 2 scooter B
Procedura 1 scooter A
Sovraemissione a freddo HC [g]
Sovraemissione a freddo CO [g]
16
14
12
10
8
6
Valore per 8 veicoli Euro 3 [5]
4
2
Valore da modello Artemis [3]
5
Procedura 1 scooter B
Procedura 2 scooter A
4
Procedura 2 scooter B
3
Valore per 8
veicoli Euro
3 [5]
2
1
Valore da modello Artemis [3]
0
0
ECE
IUFC
IRC
Figura 7 – Sovraemissioni a freddo di CO (in g)
ECE
IUFC
IRC
Figura 8 – Sovraemissioni a freddo di HC (in g)
8
45
Procedura 1 scooter A
Procedura 1 scooter B
Procedura 2 scooter A
Procedura 2 scooter B
0,3
Valore per
4 veicoli
Euro 3 [5]
Valore da modello Artemis [3]
0,2
0,1
Valore per 6 veicoli Euro 3 [5]: 137.5 g
40
Sovraemissione a freddo CO2 [g]
Sovraemissione a freddo NOx [g]
0,4
Valore da modello
Artemis [3]
Procedura 1 scooter A
35
Procedura 1 scooter B
30
Procedura 2 scooter A
25
Procedura 2 scooter B
20
15
10
5
0
0
ECE
IUFC
IRC
Figura 9 – Sovraemissioni a freddo di NOx (in g)
ECE
IUFC
IRC
Figura 10 – Sovraemissioni a freddo di CO2 (in g)
Un’informazione che è interessante valutare è l’incidenza della sovraemissione a freddo
sull’emissione totale misurata su un determinato percorso: in generale, questa valutazione dipende
ovviamente dalla distanza complessiva ed il contributo diminuirà al crescere di questo parametro,
ma considerando i tre cicli eseguiti al banco a rulli è possibile evidenziare l’importanza del
transitorio iniziale in termini di quantità emesse (Tabella 4). Si sottolinea che nel caso dello scooter
B si è considerato per il calcolo l’intero ciclo di omologazione, che, come già evidenziato, richiede
l’esecuzione anche della parte extra-urbana.
ECE
IUFC
IRC
CO
40,1
19,2
20,9
Contributo della sovraemissione a freddo [%]
Scooter A
Scooter B
NO
CO
NOx
HC
CO
HC
x
2
50,4
20,5
0,5
10,1
44,4
24,0
37,1
5,7
2,3
15,4
42,6
35,2
31,6
1,7
1,2
6,5
38,2
38,2
CO2
0,3
1,5
2,0
Tabella 4 – Incidenza della sovraemissione a freddo sull’emissione totale misurata nei 3 cicli
Per le emissioni regolamentate l’incidenza dell’emissione a freddo risulta generalmente significativa,
con le uniche eccezioni delle emissioni di NOx sui cicli IUFC ed IRC per lo scooter A e di quelle di
CO sul ciclo IRC per lo scooter B. Per entrambi gli scooter i contributi più elevati si riscontrano nel
caso degli HC, mentre per la CO2 la sovraemissione a freddo è trascurabile. I valori della Tabella 4
confermano le differenze tra i due scooter in termini di gestione dei sistemi di iniezione del
combustibile e di post trattamento dei gas di scarico. Occorre infine ricordare che, con la sola
eccezione del ciclo di omologazione per lo scooter A, le distanze percorse nei tre cicli sono
sensibilmente più elevate di quelle tipiche degli spostamenti urbani [5], per i quali ci si può quindi
attendere un’incidenza della sovraemissione a freddo ancora maggiore.
Un ulteriore aspetto analizzato nell’elaborazione dei dati riguarda la determinazione della durata del
transitorio a freddo all’avviamento del motore e della relativa distanza percorsa: come già
richiamato, solamente la disponibilità dei dati misurati in continuo consente una valutazione
9
puntuale di questi parametri, secondo la procedura basata sull’estrapolazione della retta a caldo
descritta in precedenza. In questa fase si è assunto come istante di fine del transitorio quello
corrispondente all’errore minimo tra l’emissione cumulativa misurata e quella calcolata utilizzando la
retta rappresentativa dell’emissione a caldo: si è però verificato che in alcuni casi la convergenza
tra le due quantità procede rapidamente fino ad esaurire quasi completamente il transitorio, per poi
prolungarsi per tempi significativi; la conseguenza è che ad una quota cospicua del transitorio in
termini di durata e di distanza percorsa corrispondono quantità emesse estremamente limitate.
Occorrerà quindi un’ulteriore analisi di questo aspetto per affinare la metodologia di calcolo, anche
attraverso il confronto dei risultati con gli andamenti istantanei delle emissioni.
4000
4000
Scooter B
3000
CO
NOx
Distanza percorsa nel transitorio [m]
Distanza percorsa nel transitorio [m]
Scooter A
HC
CO2
2000
1000
0
3000
CO
HC
NOx
CO2
2000
1000
0
ECE
IUFC
IRC
ECE
IUFC
IRC
Figura 11 – Distanze percorse nel transitorio a freddo per le differenti specie nei vari cicli
In ogni caso la Figura 11 riporta le distanze percorse nel transitorio a freddo con riferimento ai tre
cicli ed alle quattro specie considerate: è evidente che queste dipendono da entrambi i parametri,
evidenziando generalmente un incremento al variare del ciclo, in particolare per l’IRC, che presenta
una velocità media più elevata. I due scooter presentano valori simili nel caso degli HC, mentre il
comportamento per il CO e gli NOx è opposto, confermando ancora una volta le differenze
impiantistiche tra i due veicoli (Tabella 2).
ECE
IUFC
IRC
CO
10,8
7,2
6,5
Fattori di emissione a freddo [g/km]
Scooter A
Scooter B
NOx
CO2
NOx
HC
CO
HC
1,8
0,42
4,1
16,7
0,8
0,04
2,6
0,23
16,7
13,4
0,6
0,08
2,1
0,18
8,3
8,1
0,4
0,07
CO2
1,8
9,4
7,9
Tabella 5 – Fattori di emissione a freddo sui diversi cicli di guida
Note le quantità emesse e le distanze percorse nel transitorio a freddo, è possibile valutare i relativi
fattori di emissione, presentati nella Tabella 5. Oltre ad evidenziare l’andamento generalmente
decrescente dei fattori per le tre specie normalizzate all’aumentare della velocità media dei cicli
10
considerati (da correlare all’incremento della distanza percorsa nel transitorio, Fig.11), è
interessante confrontare i valori con i corrispondenti fattori a caldo (Figure 2-5) che, ad eccezione
della CO2 e dei livelli relativi agli NOx sui cicli reali per lo scooter A, risultano sempre inferiori: nel
caso dello scooter A i fattori a freddo sono da 2 a 5 volte superiori a quelli a caldo, mentre per lo
scooter B tali rapporti variano da 1,5 a 8, confermando quindi l’importanza del transitorio
all’avviamento del motore.
Conclusioni
L’attività sperimentale sviluppata su due scooter Euro 3 e la successiva elaborazione dei dati hanno
permesso di caratterizzare il comportamento emissivo a caldo ed a freddo dei due veicoli,
evidenziando l’influenza della configurazione impiantistica del propulsore e del sistema di controllo
delle emissioni su tale comportamento, e di applicare diverse procedure di calcolo delle
sovraemissioni a freddo, permettendo il confronto tra tali procedure ed i dati di sovraemissione
disponibili in letteratura per motocicli di analoga classe normativa.
Tra i risultati di maggiore interesse dell’attività svolta è opportuno evidenziare la conferma della
variabilità delle emissioni da veicolo a veicolo, legata anche alle diverse caratteristiche del motore e
dei dispositivi di controllo degli inquinanti, e quindi la necessità di un ulteriore sviluppo delle indagini,
finalizzato a definire un ampio database sperimentale per consentire un’appropriata valutazione del
comportamento emissivo dei motocicli, sia per i fattori di emissione a caldo sia per le
sovraemissioni a freddo. Analogamente, risulta evidente l’influenza di differenti tipologie di cicli di
guida, a cui è quindi necessario fare riferimento nell’attività sperimentale, anche per un migliore
confronto dei dati misurati in diversi studi sull’argomento.
Relativamente alle diverse metodologie di calcolo delle sovraemissioni a freddo, è probabile che la
procedura tipicamente utilizzata per la valutazione delle sovraemissioni, basata sul confronto delle
quantità emesse nelle ripetizioni del ciclo di omologazione eseguite a freddo ed a caldo, comporti
una loro sottostima, soprattutto per determinate tipologie di veicoli, ma anche in questo caso sono
necessarie ulteriori conferme sperimentali.
Pertanto la collaborazione tra l’Istituto Motori e l’ICEG proseguirà, con l’obiettivo di estendere il
database sperimentale e di approfondire l’analisi dei dati sperimentali per una migliore
comprensione dei fenomeni correlati al comportamento emissivo dei motocicli.
Ringraziamenti
Si ringrazia il Centro di Competenza Trasporti della Regione Campania per l’allestimento della Sala
Emissioni E4 dell’Istituto Motori e la Dell’Orto S.p.A. per avere messo a disposizione uno degli
scooter.
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[10]. Bonnel P., Martini G., Krasenbrink A., “Euro 3 Stage for motorcycles: Derivation of equivalent
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Contatti:
Ing. Maria Vittoria Prati
Istituto Motori CNR
viale Marconi, 8
80125 Napoli
Tel.
081 7177210
Fax
081 2396097
e-mail [email protected]
Dr. Giorgio Zamboni
Internal Combustion Engines Group (ICEG)
Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET)
Università di Genova
Via Montallegro, 1
16145 Genova
Tel.
010 353 2457
Fax
010 353 2566
e-mail [email protected]
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