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EXPERT PANEL EMISSIONI DA TRASPORTO SU STRADA
RIUNIONE STRAORDINARIA
Firenze, 7 febbraio 2006
LE NUOVE TECNOLOGIE PER LA RIDUZIONE
DELLE EMISSIONI INQUINANTI DEGLI
AUTOVEICOLI
FRANCESCO AVELLA
Stazione Sperimentale per i Combustibili
PROBLEMATICHE ATTUALI NELLA RIDUZIONE DELLE
EMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLI
¾ 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 leanburn e del particolato e degli NOx emessi dai motori diesel
¾ 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
¾ 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
¾ 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 INQUINANTI
Riduzione delle emissioni
attraverso il
perfezionamento del
propulsore
Applicazione di
dispositivi di posttrattamento dei gas di
scarico

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

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

catalizzatori ossidanti per motori diesel

catalizzatori de-NOx ¼

filtri per particolato ¼ C-DPF e CR-DPF
SCR e NSC
SCHEMA DI UN CONDOTTO DI SCARICO AVANZATO PER
MOTORE DIESEL A BASSO IMPATTO AMBIENTALE
condizioni
operative del
motore
sensore di
temperatura
catalizzatore ossidante
CPU
EDC
sensore di
∆p
sensore di NOx
filtro del particolato (CR-DPF)
catalizzatore di NO2
catalizzatore selettivo de-NOx (SCR)
CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE
(Three-Way Catalyst - TWC)
Metalli attivi: Pt / Pd / Rh
¾ Il processo di avvelenamento
(accumulo di solfati) è solo
parzialmente reversibile: il
recupero di efficienza non è mai
completo con benzina ULS
VW Jetta a benzina con motore 2.0 l e TWC - US-FTP '75
0,6
6,0
0,5
5,0
0,4
4,0
0,3
RIGENERAZIONE
3,0
0,2
2,0
0,1
1,0
0,0
0,0
0
100
200
300
400
500
600
tenore di zolfo [mg/kg]
NMHC
NOx
CO
700
CO [g/mi]
¾ A differenza del Pt, il Pd è più
sensibile all’avvelenamento da
parte dello zolfo nella benzina
monolito a nido d’ape
isolante termico
involucro
collettore ingresso gas
NMHC, NOx [g/mi]
¾ 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
1.
2.
3.
4.
CATALIZZATORE OSSIDANTE PER MOTORI DIESEL
(Oxy Cat)
¾ Struttura a nido d’ape simile a
quella del TWC
¾ Particolarmente sensibile alla
presenza di zolfo nel gasolio: si
riduce col tempo l’efficienza di
conversione
¾ Recupero di funzionalità mai
completo, anche dopo lungo
esercizio dell’autoveicolo con
gasolio ULS
120
conversione di CO [%]
¾ In grado di ridurre con elevata
efficienza soltanto le emissioni di
CO e di HC e, in parte, del
particolato (SOF)
Metalli attivi: Pt / Pd
motore VW 1.9 TDi
carico parziale
100
80
60
40
20
0
80
120
160
200
240
temperatura dei gas di scarico prima del catalizzatore [°C]
gasolio (S = 350 mg/kg)
catalizzatore nuovo
gasolio svedese (S < 10 mg/kg)
TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO
(NOx Storage Catalyst - NSC)
¾ Dispositivo ceramico a nido d’ape
molto efficace nel cui wash-coat è
presente BaO per “intrappolare” gli
NOx.
¾ Idoneo per i motori G-DI lean-burn e
i propulsori diesel leggeri
Assorbimento (Ossidazione)
Rigenerazione (Riduzione)
Metalli attivi: Pt / Pd - BaO
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 e
BaO/BaCO3
1/2
TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO
(NOx Storage Catalyst - NSC)
¾ Perdita di efficienza molto rapida
autovettura a benzina Euro 3 - avviamento a regime termico
100
90
conversione di NOx [%]
¾ Fortemente sensibile all’avvelenamento
da zolfo presente nei combustibili:
formazione di BaSO4, sostanza più
stabile del Ba(NO3)2, è competitiva con
quella del nitrato
2/2
80
70
60
50
40
30
20
10
0
5,0
800
4,0
600
3,0
400
2,0
200
1,0
0
0,0
0
20
40
60
80
100
120
140
contenuto di zolfo nella benzina [mg/kg]
Dati BMW
distanza
consumo
160
0
incremento di consumo [%]
intervallo di desolfatazione
[km]
1000
2000
4000
6000
8000
10000
distanza [km]
Dati VW
8 mg/kg S
30 mg/kg S
50 mg/kg S
¾ Accumulo di BaSO4: maggiore
frequenza di rigenerazione della
trappola e durata del processo più
elevata
¾ Effetto: incremento del consumo di
combustibile e dell’emissione della CO2
CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI NOx
(Selective Catalyst Reduction System - SCR)
¾ Principio di funzionamento basato sulle proprietà riducenti dell’ammoniaca
(generata da urea in soluzione acquosa) per formare azoto e acqua
INIEZIONE DI UREA
GAS ESAUSTI
oxycat
idrolisi di
urea UREA
catalizzatore
SCR
clean up
Metalli attivi:
V / W / Ti
¾ Sistema costruttivamente complesso: tre sezioni catalitiche per idrolisi,
riduzione SCR e sorveglianza per controllo di emissione in atmosfera di
ammoniaca non reagita
¾ Iniezione della soluzione controllata tramite OBD e sensore di NOx
¾ Bassa sensibilità allo zolfo nel gasolio: deattivazione (reversibile) causata dalla
formazione di bisolfato di ammonio
FILTRO CATALITICO PER IL PARTICOLATO
(Catalytic Diesel Particulate Filter - C-DPF)
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
diffusione normale
e turbolenta
(Dp < 200 nm)
intercettazione e
impatto inerziale
(Dp > 200 nm)
1/2
Uscita gas di
scarico
Monolito in SiC
a nido d’ape
Ingresso gas di
scarico
dinamica della deposizione del particolato sul filtro
contropressione, kPa
16
flusso
14
12
10
8
flusso
6
4
2
0
0
20
40
60
massa di particolato raccolta sul filtro, g
80
100
PROCESSO DI RIGENERAZIONE DEL FILTRO
(Catalytic Diesel Particulate Filter - C-DPF)
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
2/2
alcuni sistemi impiegano anche un
catalizzatore a base di cerio
disperso nel combustibile (fuelborn catalyst) per favorire la
combustione della coltre di
fuliggine
principio di rigenerazione del CDPF (FAP)
temperatura, °C
600
500
400
300
200
100
0
effetto del catalizzatore al cerio
post combustione catalitica degli HC
effetto dell'iniezione secondaria
∆T = 100 °C
∆T = 100 °C
∆T = 200 °C
TRAPPOLA A RIGENERAZIONE CONTINUA
(Continuous Regenerating Diesel Particulate Filter - CR-DPF)
¾ 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
meccanismo di funzionamento
NO + ½ O2 → NO2
2NO2 + 2C → N2 + 2CO2
catalizzatore
ossidante
ossidante
al Pt
CRT® (Johnson Matthey)
uscita gas
depurati
¾ 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
filtro a nido
d’ape
¾ Sistema applicabile anche come
retrofit per autoveicoli diesel
pesanti (bus, veicoli commerciali)
CAUSE DI PERDITA DI EFFICIENZA DEI FILTRI
¾ 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
¾ accumulo progressivo di ceneri che
tendono a intasare i pori del filtro e ad
aumentare la contropressione allo
scarico del motore
emisisone particolato [g/kWh]
Deterioramento nel tempo (accumulo
chilometraggio) del DPF causato da:
0,035
emissione di particolato dopo il CRT (prova ESC)
0,030
0,025
limite Euro 4 - Euro 5
0,020
0,015
JM = Johnson Matthey
0,010
IMF = Iveco Motorenforschung Arborn
0,005
0,000
0
10
20
30
tenore di zolfo [mg/kg]
40
50
Origine delle ceneri
zolfo nel combustibile
additivi a base metallica nel lubrificante
materiali metallici da usura
materiali minerali dispersi nell’aria di
combustione aspirata dal motore
ESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRI
1/2
Progetti 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)
¾ Tutti gli autoveicoli erano equipaggiati con CRTTM (retrofit) e alimentati con
gasolio ULS (S < 30 mg/kg)
¾ 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 FILTRI
2/2
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
EMISSIONI INQUINANTI
riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRT® e del FAP
NYC
CARB
EniTecnologie/ATM
20,0
4,0 2,0 0,4
0,0
variazione %
Quattroruote/SSC
-20,0
-19,3
-40,0
-60,0
-80,0
-100,0
-66,6
-73,8
-90,0-88,1
-94,0
-86,2
-88,0
-94,0-95,7
-93,0
-94,9
-100,0
-120,0
CO
THC
NOx
PM
ULTERIORI RISULTATI DEL
PROGRAMMA DI NEW YORK CITY
TM
riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRT
20,0
variazione %
0,0
-20,0
-40,0
-60,0
-80,0
-100,0
-80,0
-90,0
-90,0
-93,0
N-IPA
numero particelle
-120,0
aldeidi
IPA
30 nm - 1 µ m
EFFETTO DEL FAP SULL’EMISSIONE DEL PM10
Ciclo di guida NEDC
DETERMINATO DALLA
APPLICAZIONE DI UN FILTRO
CDPF (FAP) SUL CONDOTTO DI
SCARICO DI UNA AUTOVETTURA
DIESEL DI NUOVA GENERAZIONE
80
40
0
GASOLIO ULSD
1,0E+13
PM 10 [N/s]
EFFETTO SULL’EMISSIONE DI
PARTICOLATO FINE (< 10 µm)
Velocità [km/h]
120
1,0E+12
1,0E+11
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+10
x 10000
Peugeot 406
Peugeot 307 FAP nuova
Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
1,0E+09
1,0E+08
1,0E+07
1,0E+06
0
780
Tempo [s]
DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PM10
PROVE QUATTRORUOTE / SSC
1/2
Distribuzione dimensionale del particolato in numero - gasolio ULS
1,5E+12
6,0E+07
Numero [N/s]
8,0E+07
1,0E+12
5,0E+11
4,0E+07
2,0E+07
0,1
Dp [µm]
1
0,0E+00
0,01
10
2,0E+12
2,0E+07
1,5E+12
1,5E+07
Numero [N/s]
Numero [N/s]
PEUGEOT 307 FAP
2,0E+12
0,0E+00
0,01
Numero [N/s]
ciclo di guida extraurbano
ciclo di guida urbano
PEUGEOT 406
1,0E+12
5,0E+11
0,0E+00
0,01
0,1
1
Dp [µm]
10
0,1
Dp [µm]
1
10
1
10
1,0E+07
5,0E+06
0,0E+00
0,01
0,1
Dp [µm]
DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PM10
PROVE QUATTRORUOTE / SSC
2/2
ciclo di guida UDC
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
1,00E+13
1,00E+11
1,00E+09
1,00E+07
1,00E+05
1,00E+03
0,010
Peugeot 406
0,100
1,000
10,000
diametro aerodinamico medio [µm]
ciclo di guida EUDC
1,00E+15
SI PUÓ GENERALIZZARE
QUESTO RISULTATO?
dN/dLogDp [N/km]
dN/dLogDp [N/km]
1,00E+15
1,00E+13
1,00E+11
1,00E+09
1,00E+07
1,00E+05
1,00E+03
0,010
Peugeot 406
0,100
1,000
diametro aerodinamico medio [µm]
10,000