Valutazione sperimentale delle emissioni di scooter Euro 3

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1 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, NO x e CO 2 ) 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 26 il numero dei veicoli a due ruote in Italia è stato stimato essere di circa dieci milioni di unità delle quali oltre il 5% 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 5 cm 3 è stata sostituita dalla recente diffusione di mezzi con cilindrata superiore. I motocicli con cilindrata fino a 25 cm 3 rappresentano circa il 6% 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

2 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 NO x ) 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 8 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 2 ) in grado di simulare elettricamente gli attriti reali del motociclo su strada e l inerzia dello stesso (nel range 8-45 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-AMA4. 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 CO 2, un analizzatore a chemiluminescenza misura gli NO x intesi come la somma di NO ed NO 2, 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

3 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 Subcicli Condizioni di partenza durata, s distanza, km velocità media, km/h UDC UDC+EUDC Artemis URBAN COLD Artemis ROAD COLD WMTC UDC_a a freddo UDC_b a caldo UDC_a a freddo UDC_b a caldo EUDC vmax=9 km/h a caldo 4 6,6 59 URBAN COLD 1 a freddo URBAN COLD 2 a caldo URBAN COLD 3 a caldo ROAD COLD 1 a freddo 63 7,2 41 ROAD COLD 2 a caldo 63 7,2 41 ROAD COLD 3 a caldo 63 7,2 41 WMTC 1 a freddo WMTC 2 a caldo 6 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

4 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 15 cm 3. 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 cm 3 ha un peso maggiore di 5 kg rispetto al motociclo B. Quest ultimo è equipaggiato con un motore di cilindrata superiore a 15 cm 3. Modello A B Categoria scooter scooter Tipo di motore 4-tempi 4-tempi Numero di cilindri 1 1 Numero di valvole per cilindro 4 2 Cilindrata [cm 3 ] 124,8 151 Alimentazione Iniezione elettronica (EFI) Carburatore Raffreddamento A liquido Ad aria forzata Trasmissione Variatore continuo con Variatore automatico CVT frizione centrifuga con asservitore di coppia Potenza massima all albero 11, kw a 975 giri/min 8,6 kw a 775 giri/min Coppia massima 11,8 Nm a 775 giri/min 11,6 Nm a 6 giri/min Massa a secco [kg] Velocità massima [km/h] Sistema di post trattamento dei gas di scarico catalizzatore a 3 vie e sonda lambda catalizzatore a 3 vie e sistema aria secondaria SAS Normativa antiinquinamento Euro 3 Euro 3 Parametri del banco a rulli: Inerzia equivalente I eq, I eq 24 kg: I eq 19 kg: resistenza all avanzamento F, coefficiente di attrito aerodinamico F 2 F = 21.1 N F 2 =.236 N/(km/h) 2 Tabella 2 Caratteristiche dei motocicli F = 16.7 N F 2 =.229 N/(km/h) 2 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 11 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

5 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 NO x 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 15 cm 3, 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 NO x 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 Fattori di emissione scooter A - ciclo UDC 3,77,94,25 Limiti Euro 3 per motocicli <15cm 3 - ciclo UDC (motociclo A) 2,8,15 Fattori di emissione scooter B - ciclo UDC+EUDC 9,59,26,3 Limiti Euro 3 per motocicli >=15cm 3 - ciclo UDC+EUDC (motociclo B) 2,3,15 Fattori di emissione scooter A - ciclo WMTC 3,21,75,47 Fattori di emissione scooter B - ciclo WMTC 7,24,2,4 Limiti per motocicli con v<13 km/h - ciclo WMTC (motociclo A e B) 2,62,75,17 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, NO x e CO 2, 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 WP5. 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 15 cm 3 e compresa tra 15 e 25 cm 3 ). I due scooter mostrano comportamenti emissivi differenti. Lo scooter A presenta emissioni di CO tra 2-3 g/km ed emissioni di HC e NO x tra,3-,6 g/km. Mentre CO e HC sembrano non essere influenzati dai diversi cicli di guida, gli NO x 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,1-.2 g/km e tra,2-,3 g/km rispettivamente. 5

6 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/1km. B consuma tra 3-4 l/1km sui diversi cicli di guida mentre lo scooter A mostra consumi più elevati, tra i 4-5 l/1km, che possono essere imputati ai 5 kg di maggiore inerzia rispetto a B. Emissioni di CO a caldo Emissioni di HC a caldo SCOOTER A SCOOTER B Moto 4 tempi Euro 3 - COPERT 4 Moto 4 tempi Euro 3 <=15cm3 - Artemis WP5 Moto 4 tempi Euro 3 >15cm3 e <=25cm3 - Artemis WP5 1,8 SCOOTER A SCOOTER B Moto 4 tempi Euro 3 - COPERT 4 Moto 4 tempi Euro 3 <=15cm3 - Artemis WP5 Moto 4 tempi Euro 3 >15cm3 e <=25cm3 - Artemis WP5 g/km g/km,6,4, velocità media, km/h Figura 2 Emissioni di CO (in g/km) a caldo velocità media, km/h Figura 3 Emissioni di HC (in g/km) a caldo Emissioni di NOx a caldo Emissioni di CO 2 a caldo 1,8 SCOOTER A SCOOTER B Moto 4 tempi Euro 3 - COPERT 4 Moto 4 tempi Euro 3 <=15 cm3 - Artemis WP5 Moto 4 tempi Euro 3 >15 cm3 e <=25cm3 - Artemis WP g/km,6,4 g/km SCOOTER A,2 SCOOTER B 2 Moto 4 tempi Euro 3 <=15cm3 - Artemis WP5 Moto 4 tempi Euro 3 >15cm3 e <=25cm3 - Artemis WP velocità media, km/h velocità media, km/h Figura 4 Emissioni di NO x (in g/km) a caldo Figura 5 Emissioni di CO 2 (in g/km) a caldo 6 Consumi di combustibile a caldo 5 4 l/1km SCOOTER A SCOOTER B Moto 4 tempi Euro 3 - Copert 4 Moto 4 tempi Euro 3 <=15cc - Artemis WP5 Moto 4 tempi Euro 3 >15cc e <=25cm3 - Artemis WP velocità media, km/h Figura 6 Consumo di carburante (in l/1km 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

7 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, 1], 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

8 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 7-1, relative rispettivamente a CO, HC, NO x e CO 2. 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 NO x 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 NO x vi è una certa omogeneità dei valori, pur con qualche eccezione, mentre per la CO 2 i livelli di riferimento sono maggiori di quelli sperimentali. Sovraemissione a freddo CO [g] Procedura 1 scooter A Procedura 1 scooter B Procedura 2 scooter A Procedura 2 scooter B Valore per 8 veicoli Euro 3 [5] Valore da modello Artemis [3] Sovraemissione a freddo HC [g] Procedura 1 scooter A Procedura 1 scooter B Procedura 2 scooter A Procedura 2 scooter B Valore da modello Artemis [3] Valore per 8 veicoli Euro 3 [5] ECE IUFC IRC ECE IUFC IRC Figura 7 Sovraemissioni a freddo di CO (in g) Figura 8 Sovraemissioni a freddo di HC (in g) 8

9 Sovraemissione a freddo NO x [g],4,3,2,1 Valore da modello Artemis [3] Procedura 1 scooter A Procedura 2 scooter A Procedura 1 scooter B Procedura 2 scooter B Valore per 4 veicoli Euro 3 [5] Sovraemissione a freddo CO 2 [g] Procedura 1 scooter A Procedura 1 scooter B Procedura 2 scooter A Procedura 2 scooter B Valore per 6 veicoli Euro 3 [5]: g Valore da modello Artemis [3] 5 ECE IUFC IRC ECE IUFC IRC Figura 9 Sovraemissioni a freddo di NO x (in g) Figura 1 Sovraemissioni a freddo di CO 2 (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. Contributo della sovraemissione a freddo [%] Scooter A Scooter B CO HC NO x CO 2 CO HC NO x CO 2 ECE 4,1 5,4 2,5,5 1,1 44,4 24,,3 IUFC 19,2 37,1 5,7 2,3 15,4 42,6 35,2 1,5 IRC 2,9 31,6 1,7 1,2 6,5 38,2 38,2 2, 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 NO x 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 CO 2 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

10 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. 4 4 Scooter A Scooter B Distanza percorsa nel transitorio [m] CO NOx HC CO2 Distanza percorsa nel transitorio [m] CO NOx HC CO2 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 NO x è opposto, confermando ancora una volta le differenze impiantistiche tra i due veicoli (Tabella 2). Fattori di emissione a freddo [g/km] Scooter A Scooter B CO HC NO x CO 2 CO HC NO x CO 2 ECE 1,8 1,8,42 4,1 16,7,8,4 1,8 IUFC 7,2 2,6,23 16,7 13,4,6,8 9,4 IRC 6,5 2,1,18 8,3 8,1,4,7 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 1

11 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 CO 2 e dei livelli relativi agli NO x 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. 11

12 Bibliografia [1]. ANCMA (Associazione Nazionale Ciclo Motociclo Accessori), Statistical data on market and production in Italy and abroad (27), sito [2]. ACI Autoritratto 26 (27) sito [3]. TNO- Automotive, TUV Artemis WP5 Final report. ARTEMIS project - deliverable D5 Report progetto Artemis disponibile sul sito [4]. Dimitrios Gkatzoflias, L. Ntziachristos, Z. Samaras Methodology for the calculation of exhaust emissions SNAPs 71-75, NFRs 1A3bi-iv Metodologia modello Copert 4 disponibile sul sito [5]. Zamboni G., Carraro C., Prati M. V., Costagliola M. A., Bonfantini M., Cold Emissive Behaviour of Motorcycles, 8th International Conference on «Engines for Automobile» (ICE27), SAE Paper , SAE Naples Section, Capri Napoli, 9/27. [6]. Weilenmann M., Soltic P., Saxer C., Forss A. & Heeb N., Regulated and Nonregulated Diesel and Gasoline Cold Start Emissions at Different Temperatures, Atmospheric Environment, vol 39, Issue 13, p , 25. [7]. Gense R., Elst D., TNO Automotive presentation on basic emissions factors programme, 5th Meeting of Artemis WP5, Delft, The Netherlands, [8]. Steven H., Worldwide Harmonised Motorcycle Emissions Certification Procedure, UN/ECE- WP 29 GRPE, WMTC Working Group Draft Technical Report, 22. [9]. Bonnel P., Martini G., Krasenbrink A., Euro 3 Stage for motorcycles: Derivation of equivalent limits for the WMTC driving cycle, JRC Technical Note No.I.3.94, 23. [1]. Bonnel P., Martini G., Krasenbrink A., Euro 3 Stage for motorcycles: Derivation of equivalent limits for the WMTC driving cycle, JRC report, 25. Contatti: Ing. Maria Vittoria Prati Istituto Motori CNR viale Marconi, Napoli Tel Fax m.v.prati@im.cnr.it Dr. Giorgio Zamboni Internal Combustion Engines Group (ICEG) Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET) Università di Genova Via Montallegro, Genova Tel Fax giorgio.zamboni@unige.it 12