Francesco Avella, Davide Faedo, Simone Casadei. PM2010 Venezia, 20 maggio

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1 INFLUENZA DEL LIVELLO TECNOLOGICO DI AUTOVETTURE A BENZINA E DIESEL E DELLE CONDIZIONI DI GUIDA SULL EMISSIONE DI PARTICOLATO FINE, AMMONIACA E PROTOSSIDO DI AZOTO Francesco Avella, Davide Faedo, Simone Casadei 1

2 Indice Il Progetto PARFIL Programma sperimentale Analisi dei risultati Conclusioni Prospettive di ricerca 2

3 IL PROGETTO PARFIL (Particolato Atmosferico Fine nella Regione Lombardia) - (1) Caratteristiche: Progetto triennale ( ) Progetto finanziato da Regione Lombardia e promosso e coordinato da Regione Lombardia, ARPA Lombardia e Fondazione Lombardia per l Ambiente finanziamento complessivo di Compartecipazione di numerose Università ed enti di ricerca lombardi 3

4 IL PROGETTO PARFIL (Particolato Atmosferico Fine nella Regione Lombardia) - (2) Alcuni dei principali obiettivi: Raccolta ed elaborazione di tutti i dati di particolato atmosferico fine rilevati in Lombardia per l'analisi della distribuzione (spaziale e temporale) e delle correlazioni con parametri meteorologici ed altri inquinanti. Caratterizzazione chimico-fisica dei campioni di particolato per l'identificazione dei profili caratteristici della composizione della frazione fine in funzione della distribuzione spaziale, temporale e dimensionale. Profili verticali (1 km) sia di concentrazione che di composizione chimico-fisica del particolato atmosferico sia in ambito urbano che in aree remote. Applicazioni di tecniche statistiche incrociate ai dati di composizione per identificare il contributo delle principali sorgenti, compresa la produzione secondaria in atmosfera. Riformulazione dei fattori di emissione delle principali tipologie di sorgenti attive nella regione Lombardia PLG1: Laboratorio Motori - SSC 4

5 Obiettivi del PLG1 Determinare il livello di emissione di inquinanti non convenzionali nei gas di scarico di autovetture a benzina e diesel con tecnologie motoristiche avanzate (Euro 3 e Euro 4), in particolare di: particolato primario: frazione carboniosa elementare (soot) distribuzione dimensionale del particolato fine (PM 10 ) dopo l eliminazione della frazione volatile che lo costituisce ammoniaca [NH 3 ]: sostanza fortemente reattiva, precursore del particolato di origine secondaria (sali di ammonio) protossido d azoto [N 2 O]: gas serra con GWP 300 volte la CO 2 su orizzonte temporale di 100 anni 5

6 Programma Sperimentale (1) Autovetture di prova Autoveicolo A B C D Modello Fiat Stilo JTD A.R. 159 JTDm Ford Mondeo 1.8 Renault Clio V Livello di omologazione Euro 3 Euro 4 Euro 3 Euro 4 Alimentazione gasolio gasolio benzina benzina Targa BX 445 DT DK 357 VW CT 839 XK DG 180 SS Chilometraggio ~ km ~ km ~ km ~ km Motore 4 cilindri in linea, ID, TC 4 cilindri in linea, ID, TC 4 cilindri in linea ID, ASP 4 cilindri in linea ID, ASP Cilindrata (cc) Sistema di alimentazione common rail common rail iniezione iniezione Dispositivi antinquinamento Oxy Cat + EGR Oxy Cat + EGR + DPF TWC TWC Potenza max giri/min giri/min giri/min giri/min Coppia max 200 Nm 320 Nm 170 Nm 105.Nm TWC = catalizzatore a tre vie ID = iniezione diretta EGR = Exhaust Gas Recirculation ASP = aspirato TC = turbocompresso 6

7 Programma Sperimentale (2) Cicli di guida UDC EUDC velocità, km/h tempo, s URBAN TI velocità, km/h tempo, s 7

8 Programma Sperimentale (2) Cicli di guida 8

9 Programma Sperimentale (3) Sistema di campionamento MSS MMS 9

10 Programma Sperimentale (3) Sistema di campionamento 10

11 Analisi dei risultati (1) Emissioni di particolato totale < 5 mg/km - Inferiore standard Euro 5 11

12 Analisi dei risultati (1) Emissioni di particolato totale 12

13 Analisi dei risultati (1) Emissioni di particolato totale < 5 mg/km - Inferiore standard Euro 5 85 ~ 95 % costituito da frazione carboniosa - soot 13

14 Analisi dei risultati (2) Autovettura: FIAT STILO JTD (Euro 3) emissione della frazione soot del particolato totale 6,0 60 UDC emissione [mg/s] 5,0 4,0 3,0 2,0 1, velocità [km/h] 0, ,0 120 EUDC emissione [mg/s] 5,0 4,0 3,0 2,0 1, velocità [km/h] 0, ,0 60 URBAN emissione [mg/s] 5,0 4,0 3,0 2,0 1, velocità [km/h] 0,

15 Analisi dei risultati (2) UDC EUDC Autovettura: FIAT STILO JTD (Euro 3) emissione della frazione soot del particolato totale emissione [mg/s] 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, I picchi di emissione della frazione 6,0 120 carboniosa del PM si manifestano in 5,0 80 emissione [mg/s] 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 corrispondenza delle fasi di accelerazione velocità [km/h] velocità [km/h] 6,0 60 URBAN emissione [mg/s] 5,0 4,0 3,0 2,0 1, velocità [km/h] 0,

16 Analisi dei risultati (3) Emissioni di particolato fine autovetture diesel URBAN senza TD con TD URBAN senza TD bianco 1.0E E E E+13 dn/dlogdp [N/km] 1.0E E E E E E+08 Fiat Stilo 1.9 JTD - Euro 3 diesel A.R. 159 JTDm - Euro 4 DPF 1.0E E nm nm Dp [µm] Dp [µm] dn/dlogdp [N/km] 1.0E E E E+09 frazione cumulativa senza TD con TD senza TD 100% 100% 90% 90% 80% 80% 70% 70% 60% 60% 50% 50% 40% 40% 30% 30% 20% 20% 10% Fiat Stilo 1.9 JTD - Euro 3 diesel 10% A.R. 159 JTDm - Euro 4 DPF 0% 0% nm 430 nm Dp [µm] Dp [µm] frazione cumulativa 16

17 Analisi dei risultati (4) dn/dlogdp [N/km] 1.0E E E E E E E+06 Emissioni di particolato fine autovetture a benzina URBAN URBAN senza TD con TD bianco senza TD con TD bianco 1.0E E E E E E+07 Renault Clio Euro 4 benzina Ford Mondeo Euro 3 benzina Con TD: scomparsa di una parte delle 1.0E+06 particelle più fini, costituite da COV Dp [µm] Dp [µm] senza TD con TD senza TD con TD dn/dlogdp [N/km] frazione cumulativa 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Ford Mondeo Euro 3 benzina 0% Dp [µm] frazione cumulativa 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Renault Clio Euro 4 benzina Dp [µm] 17

18 Analisi dei risultati (5) EMISSIONE DI PM 10 - ciclo UDC EMISSIONE DI PM 10 - ciclo UDC diesel Euro 3 diesel Euro 4 DPF benzina Euro 3 benzina Euro 4 velocità diesel Euro 4 DPF benzina Euro 3 benzina Euro 4 velocità emissione [N/s] 4.8E E E E E E E E velocità [km/h] emissione [N/s] 1.0E E E E E E E E E E velocità [km/h] 0.0E E Senza TD EMISSIONE DI PM 10 - ciclo EUDC diesel Euro 3 diesel Euro 4 DPF benzina Euro 3 benzina Euro 4 velocità EMISSIONE DI PM 10 - ciclo EUDC diesel Euro 4 DPF benzina Euro 3 benzina Euro 4 velocità emissione [N/s] 9.6E E E E E E E velocità [km/h] emissione [N/s] 8.0E E E E E E E velocità [km/h] 1.2E E E E

19 Analisi dei risultati (6) UDC EUDC velocità, km/h tempo, s Fiat Stilo JTD - Euro 3 diesel A.R. 159 JTDm - Euro 4 diesel con DPF emissione [Ncm 3 ] emissione [Ncm 3 ] 1.00E E E E E E E E E E E E E E E E Dp [µm] Dp [µm] 19

20 Analisi dei risultati (7) UDC EUDC velocità, km/h tempo, s Ford Mondeo Euro 3 benzina Renault Clio Euro 4 benzina emissione [Ncm 3 ] emissione [Ncm 3 ] 1.00E E E E E E E E E E E E E E E E Dp [µm] Dp [µm] 20

21 Analisi dei risultati (8) UDC EUDC velocità, km/h tempo, s Fiat Stilo JTD - Euro 3 diesel A.R. 159 JTDm - Euro 4 diesel con DPF emissione [Ncm 3 ] emissione [Ncm 3 ] 1.00E E E E E E E E E E E E E E E E Dp [µm] Dp [µm] 21

22 Analisi dei risultati (9) UDC EUDC velocità, km/h tempo, s Ford Mondeo Euro 3 benzina Renault Clio Euro 4 benzina emissione [Ncm 3 ] emissione [Ncm 3 ] 1.00E E E E E E E E E E E E E E E E Dp [µm] Dp [µm] 22

23 Analisi dei risultati (10) Emissioni di ammoniaca e di protossido di azoto 11 mg/km 23

24 Analisi dei risultati (11) Emissioni di ammoniaca 24

25 Analisi dei risultati (11) Emissioni di ammoniaca Azione riducente del catalizzatore TWC delle autovetture a benzina favorisce la formazione di NH 3 Maggiore differenza diesel/benzina in condizioni di guida urbana, con efficienza elevata del catalizzatore (motore a regime termico) Picchi di emissione delle auto a benzina in corrispondenza delle frequenti accelerazioni della guida urbana (cicli Urban e TI) 25

26 Analisi dei risultati (12) Emissioni di protossido di azoto 26

27 Analisi dei risultati (12) Emissioni di protossido di azoto Azione ossidante del catalizzatore delle autovetture diesel favorisce la formazione di N 2 O Maggiore differenza diesel/benzina in condizioni di guida urbana, con efficienza elevata del catalizzatore (motore a regime termico) Picchi di emissione delle auto diesel in corrispondenza delle frequenti accelerazioni della guida urbana (cicli Urban e TI) e in particolare per l autovettura Euro 4 con DPF 27

28 Particolato fine e ultrafine Conclusioni (1) Emissione dell autovettura diesel senza DPF nettamente superiore, autovettura con DPF paragonabile a quella delle autovetture a benzina Emissione dell autovettura diesel Euro 3 costituita al 90% da frazione carboniosa, che è praticamente assente nell emissione delle autovetture a benzina La frazione PM10 emessa è costituita per il 99% da particelle con Ø<260 nm o Ø<430 nm in funzione del modello. Il picco di emissione dell autovettura diesel Euro 3 è intorno ai 40 nm, delle altre tre autovetture tra 40 e 144 nm L emissione maggiore si verifica in fase di accelerazione, soprattutto ad alta velocità Il numero di particelle emesse dalle autovetture a benzina è più elevato dopo un avviamento a freddo del motore (transitorio termico) quando il catalizzatore TWC non è ancora pienamente attivo (azione ossidante del catalizzatore sulle particelle) 28

29 Emissione di ammoniaca: Conclusioni (2) Autovetture a benzina ~ decine di mg/km Autovetture diesel ~ unità di mg/km Diminuisce all aumentare della velocità (maggiore con guida urbana in fase di accelerazione) Dipende dalle condizioni operative del TWC e delle condizioni termiche del motore Emissione di protossido di azoto: Autovetture diesel 10 mg/km Autovetture a benzina < 1 mg/km Diminuisce all aumentare della velocità (maggiore con guida urbana in fase di accelerazione) Dipende dall ossidazione (incompleta) dell N 2 durante la combustione del motore diesel 29

30 Prospettive (1) Valutazione dell impatto del traffico autoveicolare sull emissione di ammoniaca e protossido d azoto: Ulteriori sperimentazioni su una flotta più ampia di autoveicoli benzina e diesel con differenti tecnologie motoristiche, dispositivi antinquinamento, cilindrata, potenza, età, etc. Sperimentazioni con autoveicoli con tecnologia motoristica Euro 5 (e, in futuro, Euro 6) Sperimentazioni con autoveicoli bi-fuel benzina/metano, benzina/gpl e ibridi Sperimentazioni con l utilizzo di biocombustibili in diverse percentuali nei combustibili fossili 30

31 Prospettive (2) Ulteriori indagini con strumento FT-IR Elenco specie gassose emesse misurabili tramite FT-IR 1. Water 2. Carbon Dioxide 3. Methane 4. Nitric Oxide 5. Nitrogen Dioxide 6. Nitrous Oxide 7. Ammonia 8. Ethane 9. Ethene 10. Acetylene 11. Propane 12. Propene 13. 1,3-Butadiene 14. IsoButylene 15. n-pentane 16. Iso-octane 17. Benzene 18. Formaldehyde 19. Acetaldehyde 20. Sulfur Dioxide 21. NO X 22. Total Hydrocarbon 23. Carbon Monoxide 24. Toluene 25. Xilene 26. Ethylbenzene 27. Sulfur hexafluoride 31

32 Grazie per l attenzione! 32