FATTORI DI EMISSIONE DI PARTICOLATO DEI VEICOLI DIESEL

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1 FATTORI DI EMISSIONE DI PARTICOLATO DEI VEICOLI DIESEL Expert Panel sulle Emissioni da trasporto su strada ARPA TOSCANA Firenze, 07/02/06 Cinzia Pastorello, L. Ntziachristos, Z. Samaras Laboratory of Applied Thermodynamics Department of Mechanical Engineering Aristotle University of Thessaloniki

2 Obiettivi Analizzare la relazione tra fattori di emissione e velocità media di un ciclo di guida Effetto sulle emissioni massa del miglioramento [g km -1 ] della tecnologia superficie attiva [cm 2 km -1 ] Effetto sullenumero emissioni di particelle della riduzione totali [# km del -1 contenuto ] di zolfo numero nel combustibile di particelle solide [# km -1 ] Analisi distribuzione varianza del numero di particelle [dn dlogdp -1 ] Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve di dipendenza dalla velocità media

3 Sistema di campionamento CPC Exhaust SMPS and ELPI Water Flow on/off Valve Cooling Water Inlet Aging Chamber Filter Flowmeter ELPI Denuder SMPS or DMA/CPC Mass Flow Controller Secondary Dilution Mass Flow Controller 3 bar Dilution Air Line Sample Line Secondary Dilution Thermodenuder HEPA Filter 3 bar 3 bar Charcoal Heater Silica Gel Primary Dilutor Diffusion Charger

4 Dati acquisiti Strumento Proprietà del particolato Dimensioni Risoluzione temporale Condensation Particle Counter (CPC) Numero di particelle >7 nm 1 s (transient) Scanning Mobility Particle Size (SMPS) Distribuzione del numero di particelle 64 canali: nm 90 s (steady states) Electrical Low Pressure Impactor (ELPI) + thermodenuder (TD) Numero di particelle solide 8 canali: 7nm- 1µm 1 s (transient) Diffusion Charger Superficie attiva 7nm-1µm 1 s (transient) Impattatore gravimetrico Massa TPS 1 test

5 Veicoli convenzionali 5 EURO III 2 EURO II con filtro per il particolato 1 EURO I 5 veicoli Combustibili utilizzati Codice D2 D3 D4 D5 Diesel Contenuto di zolfo (mg/kg)

6 Cicli di guida Legislativi UDC EUDC Reali ARTEMIS urbano ARTEMIS extraurbano ARTEMIS autostradale

7 70 60 ARTEMIS urbano Urban dense Free-flow urban Congested, stop Congested, Flowing low speed stable Velocità [Km h -1 ] Tempo [s]

8 Cicli di guida Legislativi Reali UDC EUDC ARTEMIS urbano ARTEMIS extraurbano ARTEMIS autostradale Stazionari 50 km h km h km h -1

9 Risultati Effetto sulle emissioni del miglioramento della tecnologia Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile Analisi di varianza Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve di dipendenza dalla velocità media

10 1 Effetto della tecnologia Diesel Autoveicoli passenger diesel, cas, >=1400 <= 2000cc and <=2000cc 0,30 0,25 PM massa [g/km] [g/km] 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Average speed [km/h] Euro II Euro III Euro III+DPF Poli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

11 1 Effetto della tecnologia Diesel Autoveicolo passenger diesel, cas, >=1400 <= 2000cc and <=2000cc 8,E+05 PM PM superficie active surface attiva [cm^2/km] 2 /km] 7,E+05 6,E+05 5,E+05 4,E+05 3,E+05 2,E+05 1,E+05 0,E Average speed [km/h] Euro II Euro III Euro III+DPF Poli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

12 1 Effetto della tecnologia Diesel Autoveicolo passenger diesel, cas, >=1400 <= 2000cc and <=2000cc PM numero PM di total particelle particle [#/km] totali [#/km] 2,5E+15 2,0E+15 1,5E+15 1,0E+15 5,0E+14 0,0E Average speed [km/h] Euro II Euro III Euro III+DPF Poli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

13 1 - Effetto della tecnologia Diesel Autoveicolo passenger diesel, cas, >=1400 <= 2000cc and <=2000cc PM numero PM solid di particelle particle [#/km] solide [#/km] 1,0E+15 1,0E+14 1,0E+13 1,0E+12 1,0E+11 1,0E+10 1,0E Average speed [km/h] Euro II Euro III Euro III+DPF Poli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

14 1 - Effetto della tecnologia PM numero di particelle totali dn/dlogdp [km -1 ] 2,0,E+155 1,5,E+155 1,0,E+155 5,0,E+14 0,0,E+00 Autoveicolo Autoveicolo diesel, diesel, <= <= 2000cc, 2000cc, km/h km/h Mobility diameter [nm] Euro II Euro III Euro III+DPF

15 Risultati Effetto sulle emissioni del miglioramento della tecnologia Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile Analisi di varianza Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve di dipendenza dalla velocità media

16 For high speed cycle and all metrics, the D2 emission level Diesel, Autoveicoli Euro III+DPF, diesel con >=1400 DPF, and <= 2000cc <=2000 cc are higher than the other measured fuels 1,0E Effetto della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile PM PM PMm mass massa [g/km] [g/km] 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E Average Speed [km/h] D2 D3 D4 D5

17 2 - Effetto della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile PM numero PM solid di PMsp particelle particle [#/km] [#/km] solide [#/km] 1,0E+13 1,0E+12 1,0E+11 1,0E+10 1,0E+09 Diesel, Autoveicolo Euro III+DPF, diesel DPF, >=1400 <= 2000cc and <=2000 cc Average Speed [km/h] D2 D3 D4 D5

18 2 - Effetto della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile dn/dlogdp [#/km -1 ] 1.0E+16 1,0E E+15 1,0E E+14 1,0E E E+12 1,0E E+11 1,0E E+10 1,0E E+09 1,0E E+08 1,0E E E+06 1,0E+08 Diesel, Euro Autoveicolo III+DPF, IV, 120 diesel km/h, km/h, DPF, >=1400 <= <= 2000cc and, 120km/h, and 90 <=2000 cc cc Autoveicolo diesel DPF, <= 2000cc, 50 km/h Mobility diameter [nm] D2 D3 D4 D5

19 Risultati Effetto sulle emissioni del miglioramento della tecnologia Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile Analisi di varianza Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve di dipendenza dalla velocità media

20 3 Analisidivarianza Per valutare se, effettivamente, l uso del filtro per il particolato ha effetto sulle emissioni. Sono state considerate tre velocità medie : <= 40 km/h 40-90km/h > = 90 km/h Kruskal-Wallis test

21 3 - Analisi di varianza parametrica PM massa Esiste una differenza significativa tra EURO II, EURO III e EURO III+DPF per tutte le velocità medie Non esiste una differenza significativa tra EURO II, EURO III per tutte le velocità medie Efficacia del filtro per il particolato Risultati analoghi ottenuti per le altre caratteristiche del particolato: numero di particelle e superficie attiva

22 3 - Analisi di varianza parametrica PM massa Velocità media <40 km/h Velocità media km/h Velocità media >90km/h Chi-quadro 22,791 26,539 13,017 Gradidilibertà Significatività,001,001,005 Velocità media <40 km/h Velocità media km/h Velocità media >90km/h Chi-quadro 6,604 3,691 2,136 Gradidilibertà Significatività.,037,158,334 Risultati analoghi ottenuti per le altre caratteristiche del particolato: numero di particelle e superficie attiva

23 Risultati Effetto sulle emissioni del miglioramento della tecnologia Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile Analisi di varianza Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve di dipendenza dalla velocità media

24 Ve hic le speed (km /h) Vehicle speed (km/h) ARTEMIS extraurbano Urban Unstable phase More stable Unstable phase Highway More Urban stable Cycle Cycle type Average speed [km/h] Duration [s] Artemis Motorway_1 stable 122, Cycle Cycle Artemis time e (s) (s) Motorway_2 unstable 103,4 173 Artemis Motorway 150_3 stable 125,4 182 Artemis Motorway 150_4 unstable 133,6 109 Artemis Motorway_3 stable 117,6 182 Artemis Motorway_4 unstable 119,7 109 Artemis Road_1 unstable phase 49,9 240 Artemis Road_2 more stable phase 65,9 171 Artemis Road_3 unstable phase 43,1 183 Artemis Road_4 highway 78,6 177 Artemis Road_5 more stable phase 87,5 91 Artemis Urban_1 urban dense 15,5 236 Artemis Urban_2 free flow urban 31,8 198 Artemis Urban_3 congested, stops 8,7 243 Artemis Urban_4 congested low speed 11,8 128 Artemis Urban_5 stable 21,7 116

25 4 Sottocicli di guida ARTEMIS Diesel passenger Autoveicolo cas, diesel, >=1400 <= and 2000cc <=2000cc 1,0E+14 1,0E+15 PM numero PM di particelle solid particle solide [#/km] [#/km] 1,0E+13 1,0E+14 1,0E+13 1,0E+12 1,0E+12 1,0E+11 1,0E+11 1,0E+10 1,0E+10 1,0E Average speed [km/h] Euro Euro III+DPF Poli. Poli.(EURO III+DPF) III) II) Poli. Poli.(EURO III+DPF) III) II) sub-cycle subcycle

26 1.0E+00 ARTEMIS urbano!scala logaritmica 1.0E-01 DIESEL BENZINA PM massa [g/km] 1.0E-02 DPF EURO IV EURO V 1.0E E-04 D2 D3 D4 D5 G1 G2 G3 Diesel EURO I Diesel EURO II Diesel EURO III Diesel DPF Benzina EURO I Benzina EURO III

27 ARTEMIS extraurbano 1.0E E-01 DIESEL PM massa [g/km] 1.0E E-03 DPF BENZINA EURO IV EURO V 1.0E E-05 D2 D3 D4 D5 G1 G2 G3

28 ARTEMIS autostradale 1.0E+00 DIESEL 1.0E-01 DPF PM massa [g/km] 1.0E-02 DPF BENZINA EURO IV EURO V 1.0E E-04 D2 D3 D4 D5 G1 G2 G3 Diesel EURO I Diesel EURO II Diesel EURO III Diesel DPF Benzina EURO I Benzina EURO III

29 Conclusioni Fattori di emissioni di PM dei veicoli EURO II ed EURO III molto simili. Veicoli dotati di trappola per il particolato sono associati ad una effettiva riduzione delle emissioni di PM. Eccetto per le alte velocità e per i combustibili con alti tenori di zolfo. Il numero di particelle solide non sembra essere influenzato dal ciclo di guida Picchi di nucleazione di osservano per i veicoli EURO III e PDF ad alte velocità medie per combustibili ad alto tenore di zolfo. Il test di variabilità evidenzia le differenze tra le emissioni dei veicoli tradizionali e dei veicoli dotati di filtro per il particolato

30 Conclusioni I fattori di emissione dei veicoli EURO II ed EURO III dipendono dal contenuto di zolfo nei combustibili in modo meno rilevante rispetto ai veicoli con filtro per il particolato. Utilizzare combustibili ad alto tenore di zolfo aumenta le emissioni di particolato ad alta velocità. Effetto dell uso dei combustibili ad alto tenore di zolfo sull nucleazione. Fattori di emissione dei veicoli di nuova generazione sono confrontabili con quelli dei veicoli a benzina introdurre limiti per il particolato anche per i veicoli a benzina Le curve costruite utilizzando i sottocicli sono simili a quelle ottenute con i cicli di guida completi.

31 Fattori di emissione Emissioni da traffico Qualità dell aria GRAZIE PER L ATTENZIONE

32 test Kruskal-Wallis Tutte le misure vengono inserite in un unico campione N. Tutti i dati vengono ordinati per ranghi e riportati nei gruppi di partenza viene calcolata la media dei ranghi per ciascun gruppo (Mg) viene calcolata la media di tutti gli N ranghi Statistica: SSbg(R)=Σ g [n (M g M N ) 2 ] H = SSbg(R) N(N + 1) 12

33 3 - Analisi di varianza parametrica PM superficie attiva Average speed Average speed cycle <40 km/h 3 - analysis of variance cycle km/h Chi-Square 28,913 32,443 Degree of freedom 3 3 PM active surface Asymp. Sig.,001,001 Average speed cycle >90km/h 5,613 3,132 PM numero di particelle Average speed Average speed cycle <40 km/h cycle km/h 3 - analysis of variance Chi-Square 33,883 25,941 Degree of freedom 3 3 PM active surface Asymp. Sig.,001,001 Average speed cycle >90km/h 39,602 3,001

34 4 - ARTEMIS sub- cycles Diesel Diesel passenger passenger cas, >=1400 car, <= 2000cc and <=2000cc 1,E+06 9,E+05 PM active surface [cm^2/km] 8,E+05 7,E+05 6,E+05 5,E+05 4,E+05 3,E+05 2,E+05 1,E+05 1,E+00 0,E Average speed [km/h] Euro Euro III+DPF Poli. Poli. Poli.(EURO III+DPF) III) II) Poli. Poli. Poli.(EURO III+DPF) III) II) sub-cycle - sub-cycle

35 4 - ARTEMIS sub- cycles Diesel passenger Diesel passenger cas, >=1400 car, and <= <=2000cc 3,5E+15 3,0E+15 PM total particle [#/km] 2,5E+15 2,0E+15 1,5E+15 1,0E+15 5,0E+14 0,0E Average speed [km/h] Euro Euro III+DPF Poli. Poli. Poli.(EURO III+DPF) III) II) Poli. Poli.(EURO III+DPF III) II) sub-cycle)

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37 Lab Vehicle Engine Size [l] Emission Standard After-Treatment LAT VW Golf TDI 1.9 Euro I None LAT VW Golf TDI 1.9 Euro II OxiCat AVL MTC Peugeot 406 HDI 2.0 Euro II OxiCat LAT Renault Laguna dci 1.9 Euro III OxiCat Diesel IFP VW Golf TDI 1.9 Euro III OxiCat FFA VW Golf TDI 1.9 Euro III OxiCat EMPA Ford Galaxy TD 1.9 Euro III OxiCat AVL MTC VW Golf TDI 1.9 Euro III OxiCat Shell VW Golf TDI 1.9 Euro III OxiCat EMPA Peugeot 406 HDI/FAP 2.0 Euro III+DPF OxiCat + DPF Diesel + DPF IFP LAT AVL MTC Peugeot 307 SW Renault Laguna dci Peugeot 607 HDI Euro III+DPF Euro III+DPF Euro III+DPF OxiCat + DPF OxiCat +2xDPF OxiCat + DPF Shell Peugeot 607 HDI 2.2 Euro III+DPF OxiCat + DPF Gasoline Port Fuel Injecti on LAT IFP LAT EMPA EMPA BMW 318ti Renault Mégane II Toyota Corolla TS Alfa 146 TS 16V RenaultMégane16V Euro I Euro III Euro III Euro III Euro III TWC TWC TWC TWC TWC Stoich. DISI EMPA Shell Toyota Avensis Renault Mégane IDE Euro III Euro III TWC TWC AVL MTC Mitsubishi Carisma GDI 1.8 Euro III TWC/NOx Storage Lean DISI IFP Peugeot 406 HPI 2.0 Euro III TWC/NOx storage Shell Citroen C5 HPI 2.0 Euro III TWC/NOx Storage

38 Diesel, Euro II, >=1400 and <=2000 cc 3.0E E-01 PMm [g/km] 2.0E E E E E E E E+00 Diesel, Euro III, >=1400 and <=2000 cc Average Speed [km/h] PMm [g/km] Copert Number of data Poli. (PMm [g/km]) Poli. (Copert) PMm [g/km] 1.2E E E E E E E Average Speed [km/h] PMm [g/km] Copert Number of data Poli. (PMm [g/km]) Poli. (Copert)

39 La tecnologia è basata su filtri in carburo di silicio poroso, un materiale che offre caratteristiche uniche di resistenza al calore e agli sbalzi termici. Il filtro è costituito da una struttura a nido d'ape attraverso la quale i gas di scarico vengono filtrati. Il particolato, composto prevalentemente da particelle di carbone di varie dimensioni, viene quindi trattenuto dal filtro, con particolare efficacia anche sulle particelle più fini. L'utilizzo di speciali additivi, da aggiungere al carburante, consente la completa combustione del particolato carbonioso precedentemente trattenuto al raggiungimento di una temperatura di circa 250/280 C (processo di rigenerazione del filtro). Le temperature tipiche dei gas di scarico emessi dai veicoli in esercizio urbano (autobus, veicoli per raccolta rifiuti) variano tra 250/400 C. Il dispositivo di controllo elettronico gestisce in modo automatico il sistema di dosaggio additivo installato a bordo veicolo e garantisce la vita utile del motore poiché sono costantemente controllati i valori di contro-pressione allo scarico indicati dal costruttore.