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Giornata di Studio
EMISSIONI AUTOVEICOLARI
QUALITA’ DELL’ARIA E SALUTE
Pavia, 26 ottobre 2007
QUALITA’ DEI COMBUSTIBILI
E
TECNOLOGIE MOTORISTICHE
FRANCESCO AVELLA
Stazione Sperimentale per i Combustibili
SOMMARIO
Introduzione
La qualità dei combustibili e la normativa
La normativa sul controllo delle emissioni
Strategie per l’abbattimento delle emissioni
Principali dispositivi per la ridurre le emissioni inquinanti
Conclusioni
Stazione Sperimentale per i Combustibili
CRESCITA DEL PARCO AUTOVEICOLARE IN ITALIA
consistenza del parco automobilistico circolante nazionale
numero riferito all'anno 1991
300
250
200
motocicli
autovetture benzina
autovetture diesel
autobus
autocarri
150
100
50
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
0
Fonte: annuario statistico ACI 2005
Stazione Sperimentale per i Combustibili
2005:
numero autoveicoli (X 1000)
4938
23523
9810
94
4180
ANZIANITÀ DEL PARCO AUTOVEICOLARE IN ITALIA
distribuzione dell'anzianità del parco autovetture in Italia nel 2004
numero di autovetture /1000 nell'anno 2004
2000
1600
1200
800
400
autovetture a benzina
autovetture diesel
Fonte: annuario statistico ACI 2005
Stazione Sperimentale per i Combustibili
10
-1
1
11
-1
2
12
-1
3
13
-1
4
14
-1
5
15
-1
6
16
-1
7
17
-1
8
18
-1
9
19
-2
ol 0
tr
e2
0
910
89
78
67
56
45
34
23
12
01
0
età autovetture [anni]
FATTORI CHE INFLUENZANO LE EMISSIONI
TIPO DI
COMBUSTIBILE
CONDIZIONI DI
TRAFFICO
CARATTERISTICHE
AUTOVEICOLO
emissioni evaporative
emissioni nei gas esausti
INVECCHIAMENTO
DISPOSITIVI
CATALITICI
TECNOLOGIA
MOTORISTICA
Stazione Sperimentale per i Combustibili
CONDIZIONI
AMBIENTALI
INTERAZIONE MOTORE/COMBUSTIBILE
La qualità dei combustibili influenza le emissioni inquinanti
Negli ultimi venti anni è stato messo in evidenza che la qualità dei
combustibili influenza le emissioni inquinanti degli autoveicoli, sia in
modo diretto che indiretto. Gli effetti risultano, comunque, meno
incisivi rispetto a quelli provocati dalle tecnologie motoristiche
Interazione tra tecnologia motoristica e qualità combustibili
I risultati di grandi programmi sperimentali svolti negli USA (AQIRP) e
in Europa (EPEFE) hanno rilevato l’esistenza di una notevole
interazione tra tecnologia motoristica e qualità del combustibile con
riguardo alle emissioni inquinanti
Regolamentazione delle emissioni inquinanti
A partire dalla fine del secolo scorso le strategie messe in campo per
ridurre in modo efficace l’impatto degli autoveicoli sull’ambiente hanno
riguardato azioni normative congiunte per regolamentare sia le
emissioni inquinanti nei gas di scarico che la qualità dei combustibili
Stazione Sperimentale per i Combustibili
LA QUALITÀ DEI COMBUSTIBILI IN EUROPA
Direttiva 98/70/CE
A partire dall’anno 2000 è stato imposto alle Compagnie Petrolifere di
immettere sul mercato benzina e gasolio aventi proprietà a valenza
ambientale sensibilmente migliori rispetto al passato
Direttiva 2003/17/CE
Si è stabilita una maggiore restrizione al tenore di zolfo nei combustibili
per tenere conto della forte incidenza di questa proprietà sulle emissioni
inquinanti.
La direttiva ha regolamentato anche il limite massimo ammesso per il
contenuto di composti ossigenati nella benzina e nel gasolio
Direttiva 2003/30/CE
Per promuovere e regolamentare l’uso dei biocombustibili (bioetanolo,
biodiesel), originati da fonti rinnovabili, per diminuire il contributo
dato dai trasporti all’effetto serra
Stazione Sperimentale per i Combustibili
LE NORME DI QUALITÀ DEI COMBUSTIBILI
Norme europee
La regolamentazione dei combustibili si estrinseca attraverso la
definizione dei requisiti minimi di qualità riportati in norme
emanate dall’Ente Normativo Europeo (CEN) per armonizzare al
meglio le loro caratteristiche chimico-fisiche con le prestazioni
del motore:
benzina
NORMA EN 228 (15 parametri)
gasolio
NORMA EN 590 (17 parametri)
Parametri a valenza ambientale (Dir. 98/70/CE – Dir 2003/17/CE)
composizionali: benzene (B), aromatici (B), olefine (B), IPA (G), zolfo (B, G)
fisici: volatilità (B, G), densità (G), caratteristiche di accensione (G)
Stazione Sperimentale per i Combustibili
TENORE DI ZOLFO NEI COMBUSTIBILI
Tra i parametri chimici della
benzina e del gasolio che hanno
un effetto sulle emissioni
inquinanti, diretto o indiretto
(durata dei dispositivi catalitici),
il tenore di zolfo è stato quello
che ha subito la riduzione
maggiore, raggiungendo
attualmente valori molto bassi
(< 10 mg/kg)
tenore di zolfo
[mg/kg]
3000
2000
4000
3000
350
50
1000
2000
500
1000
gasolio
150
50
10
benzina
0
pre
1993
1993
2000
benzina
2005
2009
gasolio
Direttiva 2003/17/CE
prima del 1.01.2005
S > 50 mg/kg
1.01.2005
31.12.2008
S < 50 mg/kg +
+ S < 10 mg/kg
Stazione Sperimentale per i Combustibili
10
dopo il 1.01.2009
S < 10 mg/kg
EFFETTO DELLE PROPRIETÀ DEL GASOLIO
LIVELLO DI EMISSIONE DEL PARTICOLATO FINE (PM10)
AUTOVETTURA TD 1.9 (Euro 2)
GASOLIO G1
G2
G3
3,0E+12
150
2,5E+12
100
2,0E+12
50
1,5E+12
0
1,0E+12
-50
5,0E+11
-100
0,0E+00
-150
T95 = 362°C
GASOLIO G2
40 mg/kg S
T95 = 357°C
emissione PM 10, N/s
240 mg/kg S
GASOLIO G3
14 mg/kg S
0
T95 = 304°C
780
UDC
tempo, s
Fonte: Progetto PUMI – dati SSC
Stazione Sperimentale per i Combustibili
EUDC
velocità, km/h
G1
EMISSIONI INQUINANTI
EVOLUZIONE DELLA NORMATIVA EUROPEA
Autoveicoli LD
Motori HD
EURO 4
EURO 5
EURO 4
EURO 5
2005
2009
autovetture a benzina
0
variazione rispetto a
EURO 1
Rispetto al passato le ultime
direttive europee hanno
imposto limiti alle emissioni
inquinanti più severi per
l’omologazione
-20
-19,1-15,4
-27,8
-40
-48,5
-63,2-63,2
-60
-79,4
-89,7-89,7
-80
-84,5
-93,8-93,8
-100
2005
2008
CO
EURO 2
HC
EURO 3
NOx
EURO 4
EURO 5
autovetture diesel
Stazione Sperimentale per i Combustibili
0
variazione rispetto a
EURO 1
In particolare, è stata data
maggiore importanza alla
riduzione delle emissioni del
particolato e degli ossidi di
azoto degli autoveicoli diesel,
che costituiscono tuttora il
maggior problema per
l’industria motoristica
-20
-27,8
-40
-60
-80
-27,8
-42,3
-48,5
-63,2
-76,5
-81,6
-81,6
-28,6
-69,1
-74,2
-64,3
-76,3
-81,4
-82,1
-96,4
-100
CO
EURO 2
NOx
EURO 3
HC+NOx
EURO 4
EURO 5
PM
EFFETTO DELLA TECNOLOGIA MOTORISTICA
LIVELLO DI EMISSIONE DEL PARTICOLATO FINE (PM10)
CONFRONTO AUTOVETTURE DIESEL Euro 1 – Euro 4
UDC
TI
VELOCITÁ
[km/h]
140
120
100
80
60
40
20
0
0
4.0E+12
PM10 [N/s]
Autovettura EURO 1
3.0E+12
2.0E+12
1.0E+12
0.0E+00
4.0E+12
PM10 [N/s]
Autovettura EURO 4
EUDC
3.0E+12
2.0E+12
1.0E+12
0.0E+00
Fonte: Progetto PUMI – dati SSC
Stazione Sperimentale per i Combustibili
1280
Tempo,s
2060
2460
LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLI
Principali problemi dei Costruttori per produrre autoveicoli
conformi agli standard Euro 5 (2009)
riduzione contemporanea dell’emissione degli ossidi di azoto e del
particolato dei motori diesel, contrastata dalla ben nota relazione di
trade-off NOx – PM
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 possono essere raggiunti soltanto se le
nuove tecnologie adottate per la costruzione dei motori sono
combinate con l’applicazione di dispositivi catalitici di nuova
generazione per il post-trattamento dei gas di scarico.
Questi sono sensibili alla presenza di zolfo nei combustibili.
Stazione Sperimentale per i Combustibili
STRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTI
PERFEZIONAMENTO
DEL PROPULSORE
APPLICAZIONE
DISPOSITIVI DI
POST-TRATTAMENTO
GAS DI SCARICO
catalizzatori TWC di nuova
generazione
catalizzatori ossidanti per motori
diesel
catalizzatori de-NOx
filtri per particolato
Stazione Sperimentale per i Combustibili
geometria della camera di
combustione (motori ID e leanburn)
sistemi di iniezione multipla
avanzati (common rail, pompa
iniettore)
controllo elettronico dei parametri
motoristici
CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE
Three-Way Catalyst - TWC
1.
2.
3.
4.
monolito a nido d’ape
isolante termico
involucro
collettore ingresso gas
Il sistema è caratterizzato da
un’elevata efficienza (>90 %)
nella riduzione delle tre specie
inquinanti regolamentate (CO,
HC, NOx)
La sostituzione del Pt col Pd
consente di avere dispositivi
termicamente più stabili e
permette di avvicinare il TWC
al collettore di scarico del
motore per ridurre il tempo di
attivazione
Stazione Sperimentale per i Combustibili
Metalli attivi: Pt / Pd / Rh
Rispetto al Pt, il Pd è più
sensibile all’avvelenamento da
parte dello zolfo nella benzina
Il recupero di efficienza con
benzina a bassissimo tenore di
zolfo non è mai completo
EFFETTO DEL CONVERTITORE CATALITICO
LIVELLO DI EMISSIONE DEGLI INQUINANTI REGOLAMENTATI
dopo un avviamento freddo del motore
AUTOVETTURA A.R. 147 a benzina (Euro 4)
HC
NOx
velocità km/h
emissione [mg/km]
12
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
10
8
6
4
2
0
0
400
FASE FREDDA
Fonte dati: SSC
Stazione Sperimentale per i Combustibili
800
tempo [s]
FASE CALDA
1200
velocità [km/h]
CO
SISTEMI CATALITICI PER I MOTORI DIESEL
Catalizzatore ossidante
Struttura simile a quella del TWC, ma il catalizzatore contiene
soltanto Pt e/o Pd. E’ in grado di ridurre con elevata efficienza
soltanto le emissioni di CO e di HC e, in parte, del particolato
(SOF). Sensibile alla presenza di zolfo nel gasolio
Catalizzatore selettivo per gli NOx (catalizzatore de-NOx)
E’ un sistema innovativo complesso in grado di ridurre in modo
efficace (>70 %) l’emissione degli NOx dei motori diesel HD,
basato sulle proprietà riducenti dell’ammoniaca generata da
urea in soluzione acquosa iniettata nel condotto di scarico
INIEZIO NE DI UREA
G AS ESAUST I
oxycat
idrolisi di
ure a UREA
catalizzatore
SCR
Metalli attivi: V / W / Ti
Stazione Sperimentale per i Combustibili
cle an up
già applicato sui modelli
più recenti di autoveicoli
pesanti (autoveicoli
commerciali, bus)
CARATTERISTICHE DEL PARTICOLATO DIESEL
Distribuzione dimensionale del PM10 in
accelerazione da 0 a 50 km/h - EURO 3
CHIMICA
DIMENSIONALE
le particelle emesse dai motori diesel
sono assimilabili al PM1, piuttosto
che al PM10 – più del 99 % è
costituito da particelle ultrafini (Dp <
0,1 µm)
1,0E+14
dN/dLogDp [N/km]
frazione carboniosa associata con
sostanze organiche condensabili, tra
cui gli IPA e i nitro-IPA, solfati ed
acqua
1,0E+12
1,0E+10
1,0E+08
1,0E+06
1,0E+04
0,010
0,100
1,000
10,000
Diametro aerodinamico Dp [µ
µ m]
D14 (PDF)
D2
D6
D7
D8
D9
Fonte dati: SSC
MORFOLOGICA
il particolato è costituito da aggregati
di nanoparticelle (Dp < 5 nm) in
strutture articolate a catena con
geometria complessa
Fonte dati: SSC / ARPAL
Stazione Sperimentale per i Combustibili
FILTRO ANTIPARTICOLATO PER AUTOVETTURE DIESEL
Il DPF è una struttura monolitica
a nido d’ape di cordierite, carburo
di silicio (SiC) o metallo
sinterizzato, in cui le celle sono
chiuse alternativamente da un
lato e dall’altro in modo da filtrare
in continuo i gas di scarico per
trattenere le particelle sospese in
essi.
Diesel Particulate Filter - DPF
Uscita gas di
scarico
Ingresso gas di
scarico
Monolito in SiC
a nido d’ape
Processo di “rigenerazione”
canale di ingresso
strato di fuliggine
Stazione Sperimentale per i Combustibili
canale di uscita
innalzamento della temperatura
dei gas di scarico (T > 600 °C)
attraverso l’arricchimento
momentaneo della miscela
combustibile /aria realizzato
attraverso la modifica della
regolazione del motore con o
senza l’ausilio di un catalizzatore
nel gasolio
TRAPPOLA A RIGENERAZIONE CONTINUA
Continuous Regenerating Diesel
Particulate Filter - CR-DPF
ingresso
gas
sezione
catalitica
sezione
filtrante
uscita gas
depurati
catalizzatore filtro a nido
d’ape
ossidante
ossidante
al Pt
CRT® (Johnson Matthey)
Il sistema è applicabile anche
come retrofit per gli autoveicoli
diesel pesanti (bus, autoveicoli
commerciali)
Stazione Sperimentale per i Combustibili
Il dispositivo filtrante, noto anche
come CRT©, brucia in continuo il
particolato trattenuto sulla sua
superficie impiegando come
comburente NO2 generato
dall’ossidazione catalitica di una
parte del NO presente nei gas di
scarico.
Perdita di efficienza
Causata dalla presenza di zolfo nel
gasolio per l’accumulo progressivo di
ceneri che tendono a intasare i pori
del sistema filtrante: aumento della
frequenza di rigenerazione e
incremento del consumo di
combustibile
EFFETTO DEL DPF/CRT SULLE EMISSIONI INQUINANTI
riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRT® e del FAP
NYC
CARB
EniTecnologie/ATM
20,0
Quattroruote/SSC
4,0 2,0 0,4
variazione %
0,0
-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
Stazione Sperimentale per i Combustibili
THC
NOx
PM
EFFICIENZA DI RIDUZIONE DELL’EMISSIONE DEL PM10
Ciclo di guida NEDC
LIVELLO DI EMISSIONE DEL
PARTICOLATO FINE (PM10)
Velocità [km/h]
120
AUTOVETTURA CON FAP A CONFRONTO CON
UNA CONVENZIONALE
80
40
0
GASOLIO ULSD
L’efficienza di filtrazione si
mantiene ancora elevata dopo
una lunga percorrenza (diverse
migliaia di km)
Fonte dati: SSC / QUATTRORUOTE
Stazione Sperimentale per i Combustibili
1,0E+13
PM 10 [N/s]
Il livello di emissione del
particolato fine (< 10 µm ) di
un’autovettura diesel dotata di
filtro antiparticolato (DPF)
risulta generalmente circa
10.000 volte inferiore a quello di
un’autovettura convenzionale
dello stesso segmento
1,0E+12
1,0E+11
1,0E+10
x 10000
1,0E+09
Peugeot 406
Peugeot 307 FAP nuova
Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
aria di diluizione CVS
1,0E+08
1,0E+07
1,0E+06
0
780
Tempo [s]
CAPACITÀ DI FILTRAZIONE DEL DPF
L’efficienza di trattenimento
delle particelle ultrafini può
risultare ancora elevata
dopo una lunga percorrenza
senza DPF
con DPF
ciclo di guida UDC
1,00E+15
dN/dLogDp [N/km]
Anche particelle in modo
nucleazione (Dp < 50 nm)
rimangono intrappolate
NUMERO DI PARTICELLE / KM
1,00E+13
1,00E+11
1,00E+09
1,00E+07
1,00E+05
1,00E+03
0,010
Peugeot 406
Peugeot 307 FAP nuova
Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
0,100
1,000
10,000
diametro aerodinamico medio [µ
µ m]
ciclo di guida EUDC
1,00E+15
dN/dLogDp [N/km]
L’efficienza di abbattimento
del particolato è elevata in
tutto lo spettro dimensionale
misurabile delle particelle
(da pochi nm ad alcuni µm)
1,00E+13
1,00E+11
1,00E+09
1,00E+07
1,00E+05
Peugeot 406
Peugeot 307 FAP nuova
Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
1,00E+03
0,010
Fonte dati: SSC / QUATTRORUOTE
Stazione Sperimentale per i Combustibili
0,100
1,000
µ m]
diametro aerodinamico medio [µ
10,000
SCHEMA DI UN CONDOTTO DI SCARICO AVANZATO
MOTORE DIESEL
combinazione di uno o più dispositivi catalitici in dipendenza della
configurazione/regolazione del propulsore
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
Stazione Sperimentale per i Combustibili
catalizzatore selettivo de-NOx (SCR)
CONCLUSIONI
Negli ultimi quindici anni la lotta all’inquinamento atmosferico
causato dai trasporti ha visto l’attuazione di direttive europee sulla
qualità dei combustibili e sul controllo delle emissioni inquinanti
degli autoveicoli.
Su entrambi i fronti (combustibili/motori) sono stati fatti sinora
notevoli progressi. Abbiamo assistito a:
un notevole miglioramento delle caratteristiche fisiche e
composizionali della benzina e del gasolio
a un forte impulso verso l’impiego di combustibili cosiddetti
“alternativi” a basso impatto ambientale, quali quelli gassosi
(GNC, GPL) e quelli originati da fonti rinnovabili (biodiesel,
bioetanolo e derivati)
a un progressivo perfezionamento dei propulsori grazie
all’impiego massiccio di tecnologie chimiche ed elettroniche per
il controllo delle emissioni inquinanti
Stazione Sperimentale per i Combustibili
Giornata di Studio
EMISSIONI AUTOVEICOLARI
QUALITA’ DELL’ARIA E SALUTE
Pavia, 26 ottobre 2007
Grazie per l’attenzione
FRANCESCO AVELLA
[email protected]
Stazione Sperimentale per i Combustibili