EMISSIONE DI NANOPARTICOLATO DA STAZIONI SPERIMENTALI DEL DPFPER L INDUSTRIA. Laboratorio Motori

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1 EMISSIONE DI NANOPARTICOLATO DA AUTOVETTURE DIESEL INNOVHUB FASE DI STAZIONI SPERIMENTALI DEL DPFPER L INDUSTRIA INNOVHUB Divisione STAZIONI. SPERIMENTALI PER L'INDUSTRIA Titolo intervento Divisione Stazione Relatore. Sperimentale Combustibili Luogo, data.. Laboratorio Motori Ing. Simone Casadei, Dott. Davide Faedo, Ing. Francesco Avella

2 Innovhub Stazioni Sperimentali per l Industria Innovhub Stazioni Sperimentali per l industria, Azienda Speciale della Camera di Commercio di Milano, si propone di essere un centro nazionale di ricerca, innovazione e trasferimento tecnologico specializzato nella soluzione alle esigenze delle imprese dei settori contribuenti afferenti alle industrie tessili, cartarie, dei combustibili, degli oli e dei grassi e a supporto della pubblica amministrazione. Innovhub-SSI mira a migliorare la competitività del tessuto economico nazionale attraverso la promozione ed il sostegno dell innovazione e dello sviluppo scientifico e tecnologico. L Azienda si articola in 5 divisioni dotate di attrezzature moderne e laboratori altamente specializzati. 2

3 Divisione SSC Laboratorio Motori: la ricerca Tra le varie attività la divisione SSC svolge: ricerca e sperimentazione: temi di ricerca promossi e finanziati autonomamente e progetti commissionati da terzi (industrie, enti pubblici, privati) Settori di riferimento: combustibili tradizionali (petrolio, carbone, gas) e principali prodotti derivati combustibili alternativi (biocombustibili, combustibili da rifiuti, biomasse) Laboratorio Emissioni Autoveicolari (LEA): fornisce elementi di valutazione (anche in sede normativa) del comportamento di autoveicoli alimentati con combustibili bio e alternativi in vista di un impiego crescente richiesto dalla C.E. approfondisce le conoscenze del reale impatto del traffico autoveicolare sulla qualità dell aria in ambiente urbano (emissione di specie inquinanti non convenzionali e di GHG) 3

4 Il DPF Diesel Particulate Filter Il DPF è diventato un componente essenziale degli autoveicoli diesel per rispettare il limite di emissione (6*10 11 #/km) imposto dalla normativa Euro 5 ed Euro 6 [Reg. C.E. 692/2008] Il principio operativo dei DPFs si basa sulla separazione del materiale particolato dal flusso gassoso per deposizione su una superficie di raccolta. attivazione delle post-iniezioni condizioni operative del motore sensore di temperatura CPU sensore di p T comb PM ~ 650 C T comb PM ~ 450 C con catalizzatore (es. cerina) nel combustibile pre-catalizzatore ossidante catalizzatore ossidante (DOC) filtro del particolato (DPF) 4

5 La rigenerazione del DPF: le emissioni Rigenerazione del DPF Incremento di emissione di: inquinanti gassosi CO 2 e H 2 O particelle (nano- e micro-) scarse informazioni in letteratura sulla costituzione e sugli effetti sulla salute delle particelle emesse durante la rigenerazione le poche si differenziano per le modalità operative di misura: difficili confronti e conclusioni solide processo di combustione del particolato accumulato sul DPF durata di pochi minuti frequenza media km in dipendenza delle condizioni di guida (carico del motore) e della strategia di rigenerazione adottata dal costruttore natura delle particelle: volatile o semi-volatile il numero dipende dal contenuto di S nel combustibile e nel lubrificante nessuna particolare criticità evidenziata sugli effetti sulla salute 5

6 Le misure realizzate al LEA Nell ambito di svariati progetti di ricerca e indagini sperimentali sono stati provati diversi modelli di autovettura diesel raccogliendo un DB consistente di dati di emissione di particolato In assenza di un diretto controllo delle centraline elettroniche delle autovetture testate, gli episodi di rigenerazione del DPF sono stati individuati tramite il rilevamento della temperatura dei gas di scarico delle autovetture TEMPERATURA DEI GAS DI SCARICO NELLA PROVA IN CUI SI E' VERIFICATA LA DEL DPF REGENERATION NO REGENERATION speed DPF REGENERATION Exhaust temperature [ C] speed [km/h] time [s] -20 6

7 Parco autovetture a gasolio: le classi Euro Anno 2008 EURO 4 39% EURO 0 5% EURO 1 3% EURO 2 17% Anno 2009 EURO 4 42% EURO 5 2% EURO 1 EURO 0 3% 5% EURO 2 15% EURO 3 36% EURO 3 33% Anno 2010 EURO 5 4% EURO 1 EURO 0 2% 5% EURO 2 13% EURO 4 45% EURO 3 31% Fonte: Annuario statistico ACI

8 Campione di autovetture provate Autoveicolo Ford Mondeo FIAT 500 Alfa Romeo Volkswagen Jeep Cherokee modello 2.0 TD CI 1.3 JTD 159 JTD DPF GOLF 1.9 TDI 2.8 CRD DPF livello di omologazione Euro 3 Euro 4 Euro 4 Euro 4 Euro 5 km accumulati cilindrata (cc) N. cilindri / N. valvole 4/16v 4/16v 4/16v 4/16v 4/16v potenza massima giri/min giri/min giri/min giri/min giri/min sistema di alimentazione common rail common rail common rail iniettore pompa common rail dispositivi antinquinamento DOC DOC DOC + DPF DOC + DPF DOC + DPF 8

9 Modalità operative Rilievo con ELPI del numero totale delle particelle emesse e analisi dimensionale nel range 7 nm - 10 µm Autoveicolo modello livello di omologazione diluizione exhaust con FPS DPF rigenerazione rilevata Ford FIAT 500 Alfa Romeo Volkswagen Jeep Mondeo Golf Cherokee 2.0 TD CI 1.3 JTD 159 JTD DPF 1.9 TDI 2.8 CRD DPF Euro 3 Euro 4 Euro 4 Euro 4 Euro NO NO SI SI SI - - SI SI NO MMS MSS 9

10 Il ciclo di guida 140 Ciclo di guida adottato normalmente nel Protocollo di Prova sviluppato dal LEA 120 velocità [km/h] UDC EUDC Urban tempo [s] durata velocità media velocità massima lunghezza percorso tempo a regime minimo UDC EUDC Urban s km/h 19,0 62,6 17,7 km/h 50,0 120,0 57,7 km/h 4,052 6,955 4,87 % 30,8 10,0 28,0 10

11 Particelle emesse nello scarico di un autoveicolo Concentrazione normalizzata 1/C tot [dc/dlogdp] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Moda Nuclei si forma normalmente da precursori volatili per condensazione In alcuni casi questa moda può consistere di particelle molto piccole, al di sotto del limite strumentale convenzionale (Dp < 10 nm) Nanoparticelle Dp < 50 nm Particelle ultrafini Dp < 100 nm Particelle fini Dp < 2,5 µm Moda Accumulazione consiste normalmente di agglomerati carboniosi e materiale adsorbito PM10 Dp < 10 µm Moda Coarse consiste normalmente di particelle in modo accumulazione agglomerate o condensate da vapori del basamento del motore 0, Diametro (nm) numero superficie S = NπDp 2 m = NρπDp 3 / 6 massa D. B. Kittelson Engines and Nanoparticulates: a Review J. Aerosol Sci, 29, N. 56, p. 575 (1998) 11

12 Evidente influenza del livello tecnologico Effetto del livello tecnologico dei motori Euro 3 senza DPF Euro 4 con DPF: livello PN: 3 odg di differenza Euro 3 senza DPF Euro 5 con DPF: livello PN: 4 odg di differenza 1.0E E E E E E+05 EURO 3 senza DPF EURO 4 con DPF Euro 5 con DPF UDC le differenze si accentuano nel ciclo EUDC Euro 5 con DPF: spostamento della moda ultrafine nanoparticolato EURO 3 senza DPF EURO 4 con DPF Euro 5 con DPF 1.0E E+13 EUDC 1.0E E E E

13 Euro 4 DPF: no rigenerazione vs rigenerazione VW GOLF 1.9 TDI DPF Dimensional distribution of emitted particles (in number) A.R. 159 JTD DPF Dimensional distribution of emitted particles (in number) NO NO 1 UDC UDC 2 2 NO EUDC. NO EUDC. 3 NO NO URBAN URBAN

14 Euro 4 DPF: no rigenerazione vs rigenerazione VW GOLF 1.9 TDI DPF Dimensional distribution of emitted particles (in number) A.R. 159 JTD DPF Dimensional distribution of emitted particles (in number) NO NO 1 UDC UDC 2 2 NO NO. EUDC EUDC Diverse strategie di rigenerazione gestite dalla centralina elettronica. 3 NO URBAN URBAN 3 1 NO 14

15 Euro 4 DPF vs Euro 4 senza DPF in rigenerazione: emissione di PN ~ quella di un autoveicolo EURO 4 senza DPF in rigenerazione: picco con Dp < 30 nm no rigenerazione: picco con 60 nm < Dp < 100 nm Focus sulla frazione nanoparticolato (PN 0,04 ) VW Golf NO EURO 4 senza DPF Alfa Romeo 159 NO EURO 4 senza DPF selezionati i primi 3 stadi dello strumento ELPI (Dp < 40 nm) senza alcun trattamento termico del campione 15

16 Euro 4 DPF vs Euro 4 senza DPF in rigenerazione: emissione di PN ~ quella di un autoveicolo EURO 4 senza DPF in rigenerazione: picco con Dp < 30 nm no rigenerazione: picco con 60 nm < Dp < 100 nm Focus sulla frazione nanoparticolato (PN 0,04 ) VW Golf NO EURO 4 senza DPF Alfa Romeo 159 selezionati i primi 3 stadi dello strumento ELPI (Dp < 40 nm) senza alcun trattamento termico del campione NO EURO 4 senza DPF 16

17 Evoluzione temporale emissione nanoparticolato 1 caso: Euro 4 DPF in rigenerazione Euro 4 senza DPF Rigenerazione VW Golf N/s PN0,04 (VW Golf) PN0,04 (Fiat 500) 500) velocità innesco nel ciclo EUDC a velocità = 100 km/h picco di emissione: ~ 1 odg > EURO 4 senza DPF 1,2E+13 8,0E+12 6,0E+12 4,0E+12 2,0E+12 EUDC velocità [km/h] rapido calo nel ciclo URBAN dopo completamento rigenerazione (~15 minuti): livello di emissione di PN 0,04 EURO 4 DPF < EURO 4 senza DPF 0,0E+00 N/s 1,2E+13 8,0E+12 6,0E+12 4,0E+12 2,0E+12 0,0E Tempo [s] PN PN0,04 (VW Golf) PN0,04 (Fiat (VW 500) Golf) velocità URBAN Tempo [s] velocità [km/h] 17

18 Evoluzione temporale emissione nanoparticolato 2 caso: Euro 4 DPF in rigenerazione Euro 4 senza DPF N/s 6,0E+12 PN PN0,04 (AR 159) PN0,04 0,04 (Fiat 500) 500) velocità 120 Rigenerazione AR 159 5,0E+12 4,0E+12 3,0E+12 2,0E+12 URBAN velocità [km/h] innesco nel ciclo URBAN a velocità = 50 km/h picco di emissione di PN 0,04 : 1,0E+12 0,0E Tempo [s] 20 0 ~ 1 odg > EURO 4 senza DPF N/s 6,0E+11 PN PN0,04 0,04 (AR 159) PN0,04 0,04 (Fiat 500) 500) velocità 120 rapido calo già nel ciclo URBAN 5,0E+11 4,0E+11 3,0E+11 2,0E+11 0,0E+00 UDC Tempo [s] velocità [km/h] ulteriore rapido calo nel ciclo UDC della prova successiva: livello di emissione di PN 0,04 EURO 4 DPF < EURO 4 senza DPF 18

19 Emissione di nanoparticolato vs soot -1 1 caso: Euro 4 DPF in rigenerazione (VW Golf a km) verificata ripetibilità dell evento nel ciclo di guida (tempo di occorrenza e livello di emissione rif. rigenerazione a 8000 km) emissione di soot superiore nella fase finale/appena dopo la rigenerazione Diminuzione temporanea di efficienza del filtro fino alla formazione di una nuova soot cake N/s 1,2E+13 8,0E+12 6,0E+12 4,0E+12 2,0E+12 0,0E+00 N/s 1,2E+13 8,0E+12 6,0E+12 4,0E+12 2,0E+12 0,0E+00 PN0,04 (VW Golf) Golf) km soot (VW soot VW Golf) Golf velocità EUDC Tempo [s] PN0,04 0,04 (VW Golf) Golf) km soot (VW soot VW Golf) Golf velocità URBAN Tempo [s] velocità [km/h] \ soot [µg/s] velocità [km/h] \ soot [µg/s] 19

20 N/s 6,0E+12 5,0E+12 4,0E+12 3,0E+12 2,0E+12 1,0E+12 0,0E+00 N/s 6,0E+11 5,0E+11 4,0E+11 3,0E+11 2,0E+11 0,0E+00 Emissione di nanoparticolato vs soot -2 2 caso: Euro 4 DPF in rigenerazione PN0,04 (AR (AR 159) 159) velocità soot (AR 159) soot (AR velocità 159) URBAN Tempo [s] PN0,04 (AR 159) soot velocità (AR 159) soot (AR velocità 159) UDC Tempo [s] velocità [km/h] \ soot [µg/s] velocità [km/h] \ soot [µg/s] emissione notevole di soot in fase di avvio rigenerazione minor efficienza del DPF? ciclo UDC successivo con partenza a freddo emissione ancora significativa di soot effetto blow-off: la variazione delle condizioni di flusso nel DPF a inizio ciclo causa il rilascio di particelle non volatili precedentemente bloccate dal filtro [*] [*] B. Giechaskiel, et al. Particle Measurement Programme (PMP): Particle Size and Number Emissions Before, During and After Regeneration Events of a Euro 4 DPF Equipped Light-Duty Diesel Vehicle SAE Tech Paper N (2007) 20

21 Conclusioni Le poche evidenze sperimentali svolte al LEA della SSC hanno indicato che: il DPF consente di abbattere con elevata efficienza anche la frazione ultrafine e la frazione nanoparticolato emesse dagli autoveicoli diesel durante la rigenerazione del DPF il livello di emissione anche della frazione ultrafine e del nanoparticolato si approssima a quello rilevato con autoveicoli diesel di pari livello tecnologico non dotati di DPF l impatto ambientale determinato da un parco circolante costituito da autoveicoli diesel dotati di DPF deve ritenersi trascurabile, data la breve durata del processo di rigenerazione del DPF (pochi minuti) e la bassa frequenza di occorrenza (> 500 km percorsi) scarse informazioni in letteratura sulla composizione chimica delle particelle in moda nucleazione emesse durante la rigenerazione. Il trattamento termico ha indicato una significativa riduzione della loro concentrazione numerica, denotandone la natura di particelle volatili o semi-volatili [*] [*] Athanasios Mamakos, Giorgio Martini Particle Number Emissions During Regeneration of DPF-equipped Light Duty Diesel Vehicles. A Literature Survey JRC Scientific and Technical Reports, EUR (2011). 21

22 Prospettive di sviluppo al LEA ulteriore indagine, possibilmente con il controllo diretto del processo di rigenerazione del DPF, sulle caratteristiche dimensionali del particolato emesso e sul livello di emissione di: - frazione volatile + non volatile: FPS + ELPI - frazione non volatile: FPS + ELPI + THERMODENUDER - frazione non volatile: # particelle CPC protocollo PMP - andamento modale emissione in massa di soot AVL MSS analisi morfologica e composizionale, tramite l ausilio della microscopia elettronica SEM TEM (Innovhub SSI), del particolato emesso durante la rigenerazione potenziale partecipazione a progetti di ricerca per valutare l eventuale impatto sulla salute del particolato emesso in condizioni di guida in assenza e in fase di rigenerazione del DPF, tramite ad es. esposizione forzata di cellule umane ai campioni raccolti 22

23 Il Laboratorio Emissioni Autoveicolari Gli autori desiderano ringraziare i drivers Claudio Cattoni e Davide Merlo GRAZIE PER L ATTENZIONE! 23