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Immissioni da traffico
nelle aree metropolitane
Milano-Palazzo Turati, 14 dicembre 2006
IL CONTROLLO DELLE EMISSIONI
DEGLI AUTOVEICOLI
Francesco Avella, Antonio Rolla
Stazione Sperimentale per i Combustibili
Immissioni da traffico nelle aree www.ssc.it
metropolitane
Milano, 14 dicembre 2006
Stazione Sperimentale
per i Combustibili
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INTRODUZIONE
¾ Le emissioni autoveicolari sono una fonte sostanziale di inquinanti generati
dalla combustione di carburanti nei motori, i cui effetti incidono
particolarmente nelle aree urbane
¾ Norme legislative nei Paesi della Comunità Europea, come anche in diversi
altri Paesi, stabiliscono limiti alle emissioni degli autoveicoli dagli anni ‘70
¾ Negli ultimi venti anni è migliorata la qualità dei carburanti, si sono
raggiunti notevoli progressi nel campo delle tecnologie motoristiche, sono
stati installati sistemi di depurazione dei gas di scarico (marmitte
catalitiche, filtri antiparticolato)
¾ I livelli di emissione dei modelli più recenti di autoveicoli sono
drasticamente diminuiti rispetto ai modelli precedenti
Immissioni da traffico nelle aree metropolitane
per i Combustibili
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ANZIANITÀ DEL PARCO CIRCOLANTE IN ITALIA
distribuzione dell'anzianità del parco autovetture in Italia nel 2004
numero di autovetture x 1000 nell'anno 2004
2000
1600
1200
800
400
-2
ol 0
tr
e2
0
19
-1
9
18
-1
8
17
-1
7
16
-1
6
15
9
8-
-1
5
14
8
7-
-1
4
13
7
6-
-1
3
6
5-
autovetture diesel
12
5
4-
-1
2
11
4
3-
10
3
2-
-1
1
10
2
1-
autovetture a benzina
9-
1
0-
0
età autovetture [anni]
FONTE DATI: ACI - Annuario statistico 2005
per i Combustibili
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Crescita del parco autoveicolare nazionale
consistenza del parco automobilistico circolante nazionale
numero riferito all'anno 1991
300
motocicli
autovetture benzina
autovetture diesel
autobus
autocarri
250
200
150
2005:
100
numero autoveicoli (X 1000)
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
4938
23523
9810
94
4180
Fonte: annuario statistico ACI 2003
per i Combustibili
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INTERAZIONE MOTORE/COMBUSTIBILE
¾ Nel corso dell’ultimo ventennio è stato evidenziato sperimentalmente
come la qualità dei combustibili influenzi direttamente e indirettamente,
in modo statisticamente significativo, le emissioni inquinanti, seppure in
modo meno incisivo rispetto alle tecnologie motoristiche
¾ Questa evidenza è stata confermata dai grandi programmi sperimentali
svolti negli USA (AQIRP) e in Europa (EPEFE in Auto/Oil I), i cui
risultati hanno rilevato l’esistenza di una notevole interazione tra
tecnologia motoristica e qualità del combustibile con riguardo alle
emissioni inquinanti
¾ A partire dalla fine degli anni ’90 le strategie messe in campo per ridurre
in modo efficace l’impatto degli autoveicoli sull’ambiente hanno riguardato
azioni normative congiunte per regolamentare le emissioni inquinanti nei
gas di scarico e la qualità dei combustibili
per i Combustibili
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DIRETTIVE EUROPEE
Le più recenti Direttive UE in tema di protezione ambientale riguardanti
gli autoveicoli sono state basate sui risultati conseguiti nel programma
europeo EPEFE
EMISSIONI
¾ Direttiva 98/69/CE
sul livello massimo delle
emissioni regolamentate ammesso
per gli autoveicoli a benzina e
diesel leggeri (Euro 3, 4)
sul livello massimo delle
emissioni regolamentate ammesso
per i motori diesel pesanti (Euro
3, 4, 5)
COMBUSTIBILI
sui limiti alle caratteristiche
chimico-fisiche della benzina e
del gasolio che influenzano le
emissioni inquinanti nello
scarico degli autoveicoli
sul tenore massimo di zolfo nella
benzina e nel gasolio
per i Combustibili
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LIMITI ALLE EMISSIONI
CO
HC
1.0
EURO IV**
EURO IV**
0.5
2.3
EURO III**
EURO III**
0.64
2.2
EURO II*
2.72
2.72
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.30
0.20
0.56
0.50
EURO II*
1.0
EURO I*
0.10
3.0
0.7
0.97
0.97
EURO I*
3.5
livello, g/km
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
livello, g/km
NOx
autovetture a benzina
0.08
EURO IV**
autovetture diesel
0.25
0.15
EURO III**
0.50
* ciclo di guida standard
europeo ECE 15 + EUDC
0.5
EURO II*
0.7
0.97
0.97
EURO I*
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
** nuovo ciclo di guida
standard europeo (NEDC)
HC +NOx
livello, g/km
per i Combustibili
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LIMITI ALLE EMISSIONI DEL PARTICOLATO E
DEGLI OSSIDI DI AZOTO
LIMITI UE DI EMISSIONE DEGLI NOx E DEL PARTICOLATO PER I VEICOLI/MOTORI DIESEL
autovetture diesel
motori diesel heavy-duty
8
1,0
8,0
0,7
0,8
0,5
0,6
0,4
0,2
7
0,97
limite omologazione
[g/kWh]
limite omologazione [g/km]
1,2
0,25
0,14
0,10
0,025
0,05
6,0
5
3,5
4,0
2
2,0
0,36
0.02 0,005
0,0
0,15
0,10
0,02
0,02
0,0
EURO 1*
* ciclo di guida ECE 15
EURO 2*
EURO 3^
EURO 5~
EURO 1*
~ proposta UE
* ciclo di prova ECE R49
EURO 4^
^ ciclo di guida NEDC
NOx
EURO 2*
EURO 3^
EURO 4^
EURO 5^
^ ciclo di prova ESC
PM
per i Combustibili
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LA QUALITÁ DEI COMBUSTIBILI
Limiti della concentrazione dello zolfo nei carburanti (Direttiva 2003/17/CE)
3000
tenore di zolfo
[mg/kg]
2000
4000
3000
350
50
1000
2000
500
1000
10
gasolio
150
50
10
benzina
0
pre
1993
1993
2000
benzina
2005
gasolio
2009
per i Combustibili
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Livello medio delle emissioni degli autoveicoli
VALORI INDICATIVI DEL LIVELLO MEDIO DI EMISSIONE DEGLI AUTOVEICOLI
DIPENDONO SENSIBILMENTE DAL TIPO DI PROVA IMPIEGATO PER LE MISURE
CO
THC
NOx
PM
CO2
g/km
g/km
g/km
mg/km
g/km
6,5 - 35
2,8 - 18
2,3 - 18
~ 30
NOTE
valori dipendenti dal livello di
Autovetture benzina non cat
160 - 220 manutenzione, cilindrata e
anzianità modello
Autovetture benzina cat Euro II
1.00
0,1
0,06
1-5
230
Autovetture benzina cat Euro III
0,4
0,1
0,08
1-3
200
Autovetture benzina cat Euro IV
0,3
0,05
0,05
-
160
Autovetture diesel Euro II
0,8
0,1
0,6
37 - 100
260
senza catalizzatore ossidante
Autovetture diesel Euro III
0,4
0,05
0,6
25 - 50
150
con catalizzatore ossidante
Autovetture diesel Euro IV
0,1
0,02
0,2
~2
170
con DPF
Autovetture a GNC non cat
3.0
4
0,4
trascurabile
130
HC quasi esclusivamente CH4
Autovetture a GNC cat
0,5
0,15
0,06
trascurabile
Autobus urbano Euro II
3-6
1,5
20
700
1500
Autobus urbano Euro III
3-5
0,8 - 1,5
18
300 - 500
1500
Ciclomotori non cat (2T)
7 - 15
6-8
0,03 - 0,05
50 - 60
28 - 30
Ciclomotori cat (2T)
2,3
2,0
0,05
15 - 40
50 - 60
Motocicli non cat (4T)
8,5
1,4
0,3
3
85
ciclo UDC, 125 cc
Motocicli cat (4T)
2,1
0,8
0,3
8
85
ciclo UDC, 125 cc
valori dipendenti anche dal
grado di efficienza del TWC
150 - 200 HC quasi esclusivamente CH4
per i Combustibili
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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 è 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 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 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)
per i Combustibili
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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
per i Combustibili
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CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE
(Three-Way Catalyst - TWC)
¾ In grado di ridurre
contemporaneamente le tre
emissioni inquinanti monossido
di carbonio, idrocarburi non
metanici, ossidi di azoto
Metalli attivi: Pt / Pd / Rh
¾ Sostituzione del Pt col Pd nei
sistemi più avanzati per
aumentare la stabilità termica e
permettere di avvicinare il TWC
al collettore di scarico del motore
¾ A differenza del Pt, il Pd è più
sensibile all’avvelenamento da parte
dello zolfo nella benzina.
L’avvelenamento è solo parzialmente
reversibile: recupero di efficienza mai
completo con benzina ULS
1.
2.
3.
4.
monolito a nido d’ape
isolante termico
involucro
collettore ingresso gas
per i Combustibili
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CATALIZZATORE OSSIDANTE PER MOTORI DIESEL
(Oxy Cat)
Metalli attivi: Pt / Pd
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
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)
motore VW 1.9 TDi
carico parz iale
100
80
60
40
20
0
80
120
160
200
240
temperatura dei gas di scarico prima del catalizzatore [°C]
gasol i o (S = 350 mg/kg)
catal i zzatore nuovo
gasol i o svedese (S < 10 mg/kg)
per i Combustibili
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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)
per i Combustibili
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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
per i Combustibili
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EFFETTO DEL FILTRO ANTIPARTICOLATO SULLE
EMISSIONI INQUINANTI
Confronto del livello di emissione degli inquinanti di autoveicoli dotati di filtro
antiparticolato con quello di autoveicoli convenzionali dello stesso modello a
parità di condizioni sperimentali di prova
riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRT® e del FAP
NYC
CARB
EniTecnologie/ATM
Quattroruote/SSC
20,0
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
THC
NOx
PM
per i Combustibili
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Prove Quattroruote / SSC
Distribuzione dimensionale del particolato in numero - gasolio ULS
8,0E+07
1,5E+12
6,0E+07
Numero [N/s]
Numero [N/s]
2,0E+12
1,0E+12
5,0E+11
0,0E+00
0,01
ciclo di guida extraurbano
PEUGEOT 307 FAP
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]
ciclo di guida urbano
PEUGEOT 406
1,0E+12
5,0E+06
0,0E+00
0,01
0,0E+00
0,01
1
10
Dp [µm]
Dp [µm]
1
10
1
10
1,0E+07
5,0E+11
0,1
0,1
0,1
Dp [µm]
per i Combustibili
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DETERMINATO DALLA
APPLICAZIONE DI UN FILTRO
CDPF (FAP) SUL CONDOTTO DI
SCARICO DI UNA VETTURA
DIESEL
Ciclo di guida ECE 15
120
80
40
0
1.E+13
PM10 [N/s]
EFFETTO SULL’EMISSIONE DI
PARTICOLATO FINE (< 10 µm)
Velocità [km/h]
Effetto del FAP sull’emissione di PM10
1.E+12
1.E+11
PEUGEOT 406
1.E+10
PEUGEOT 307
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 A
CONFRONTO CON QUELLE DI UNA
AUTOVETTURA PEUGEOT 406
Aria di diluizione
1.E+09
1.E+08
1.E+07
1.E+06
0
780
Tempo [s]
per i Combustibili
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CAPACITÀ FILTRANTE DEL DPF
Autovettura a gasolio
NUMERO DI PARTICELLE / KM
ciclo di guida UDC
¾ Sistemi filtranti presentati in
grado di abbattere particelle
comprese in tutto lo spettro
dimensionale misurabile
dN/dLogDp [N/km]
1,00E+14
¾ Grado di efficienza elevato sia
per le particelle in modo
accumulazione (Dp > 50 nm)
che per quelle in modo
nucleazione (Dp < 50 nm)
1,00E+10
1,00E+08
1,00E+06
1,00E+04
senza filtro
0,010
0,100
1,000
10,000
diametro aerodinamico medio [µm]
con filtro
ciclo di guida EUDC
¾ Nell’esempio riportato:
1,00E+14
dN/dLogDp [N/km]
il livello di emissione in numero
del particolato fine di
un’autovettura dotata di FAP è
circa 10.000 volte inferiore a
quello di un’autovettura
convenzionale
1,00E+12
1,00E+12
1,00E+10
1,00E+08
1,00E+06
1,00E+04
0,010
Fonte dati: SSC
0,100
1,000
10,000
diametro aerodinamico medio [µm]
per i Combustibili
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CONCLUSIONI
¾
Negli ultimi quindici anni il problema dell’inquinamento dell’aria provocato dai mezzi
di trasporto a motore a ciclo “Otto” e Diesel è stato affrontato mediante la emanazione
di Direttive Europee che riguardano sia il controllo delle emissioni inquinanti scaricate
dagli autoveicoli sia la qualità dei carburanti. A seguito di questo sono stati raggiunti
significativi risultati attraverso:

sviluppo di propulsori tecnologicamente avanzati con elevati rendimenti

sistemi di trattamento dei gas di scarico ad alta efficienza che hanno consentito di
ridurre ai livelli di emissione dei composti più importanti (ossidi di azoto, monossido
di carbonio, sostanze organiche, particolato) per soddisfare gli standard europei via
via sempre più restrittivi

produzione di benzina e gasolio a bassissimo tenore di zolfo, già disponibili sul
mercato, e maggiore attenzione verso l’impiego di combustibili alternativi a basso
impatto ambientale, sia di origine fossile (GN, GPL) che da fonti rinnovabili
In ogni caso il rinnovo rapido del parco circolante con autovetture di ultima generazione ad
alto contenuto tecnologico produrrà un grande beneficio per la qualità dell’aria
per i Combustibili
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IMMISSIONI DA TRAFFICO
NELLE AREE METROPOLITANE
Milano-Palazzo Turati, 14 dicembre 2006
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
FRANCESCO AVELLA, ANTONIO ROLLA
per i Combustibili
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