INQUINAMENTO DA TRAFFICO VEICOLARE: MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI

Transcript

1 INQUINAMENTO DA TRAFFICO VEICOLARE: MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI Sostanze emesse Monossido di Carbonio (CO) Idrocarburi Incombusti Ossidi di Azoto Ammoniaca Idrogeno solforato, Solfuro di Carbonile Anidride solforosa, solfati Composti organici dello Zolfo Aldeidi, Chetoni, Fenoli Ammine organiche; Nitroammine Alcohols Idrocarburi Policiclici Aromatici Particolato * Composti organici legati al particolato Metalli e composti metallici Sostanze oggetto di normativa sottolineate. * solo per motori Diesel. 1

2 Inquinamento da traffico veicolare I motori per autotrazione, sia ad accensione comandata (benzina) sia per compressione (diesel), fondamentalmente nelle versioni costruite a 4 tempi, sono diventati, negli ultimi decenni, una delle maggiori fonti di inquinamento atmosferico soprattutto nelle aree urbane. In tali aree l inquinamento dovuto al traffico delle autovetture private e dei veicoli pubblici è responsabile della quasi totalità del monossido di carbonio, della maggior parte degli ossidi di azoto, dei composti organici volatili (VOC), nonché di gran parte delle particelle solide presenti nell aria, di dimensioni in genere inferiori al micron. Poiché il rilascio di queste emissioni avviene a poca distanza dal suolo, gli effetti che ne derivano sono resi maggiormente dannosi dalla complessa topografia urbana che ne impedisce una rapida diffusione in atmosfera. Si verifica, quindi, che alcune sostanze possono raggiungere al livello della strada concentrazioni anche di alcune decine di volte superiori a quelle rilevate all altezza degli edifici. L impatto ambientale del traffico veicolare dipende, in linea di principio, dai seguenti aspetti: tipologia del motore condizioni di funzionamento del motore qualità del combustibile condizioni e caratteristiche del traffico. 2

3 Inquinamento da traffico veicolare In realtà le sostanze controllate dalla normativa sono: Monossido di Carbonio (CO) Idrocarburi Incombusti Ossidi di Azoto Particolato (solo per i motori diesel) Per il CO i MCI sono responsabili di oltre il 60% del rilascio globale nell ambiente. Anche la produzione di HC è rilevante (come per il CO a seguito di problemi di incompleta combustione e di cinetica delle reazioni relativamente lenta rispetto ai tempi limitatissimi disponibili per il ciclo). Una quota non trascurabile delle emissioni di HC non proviene dalla combustione (es. vapori di olio dal carter motore; vapori di combustibile dalle operazioni di rifornimento) ed il suo contenimento deve essere affrontato in altro modo. Per gli NOx la quota di produzione dei MCI è valutata tra il 30 e 40%. 3

4 Inquinamento da traffico veicolare 4

7 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina La benzina è un combustibile derivato dal petrolio composto da una complessa miscela di idrocarburi. Nei motori a benzina (MCI volumetrici il cui riferimento è il ciclo Otto) il combustibile e l aria vengono miscelati (nel carburatore in passato, oggi nei sistemi di iniezione) prima di essere immessi nel cilindro, dove avviene la compressione e l innesco della combustione per mezzo di una scintilla (accensione comandata). Nota la composizione della benzina è possibile calcolare, in base alla reazione di combustione completa teorica, il rapporto stechiometrico fra aria e combustibile (A/F: rapporto di dosatura): A/F = massa aria STECHIOMETRICA / massa combustibile [kg aria/kg combustibile] (dipende dalla composizione della benzina) L aria effettivamente fornita potrà essere maggiore o minore rispetto a quella stechiometrica: F φ = = = λ F / A A/ F / Aeffettivo A/ Fstechiometrico 1 stechiometrico effettivo φ < 1 (λ > 1) viene fornita più aria di quella stechiometrica (c è un eccesso d aria) la miscela è MAGRA φ > 1 (λ < 1) viene fornita meno aria di quella stechiometrica (c è un difetto d aria) la miscela è RICCA 7

8 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Formazione di HC e CO Il processo di combustione viene innescato per mezzo di una scintilla. Il fonte della fiamma, partendo da un punto, si muove in tutte le direzione attraverso la miscela non combusta fino a raggiungere le pareti della camera di combustione, che si trovano ad una temperatura inferiore rispetto all interno della camera di combustione (raffreddate esternante). Tale temperatura più bassa tende a raffreddare la miscela nelle zone vicine alla parete fino a impedire la propagazione della fiamma ed ad impedire che tutto il combustibile presente bruci (questo fenomeno è aggravato nelle camere di combustione che presentano alti rapporti superficie/volume). Dunque sulle pareti del cilindro si forma un film di idrocarburi incombusti (HC) che verrà espulso dal pistone nella sua corsa verso il punto morto superiore (PMS) nella fase di espulsione dei gas combusti. Questo meccanismo, insieme ai tempi piuttosto bassi che le reazioni di combustione hanno a disposizione per compiersi, è il principale responsabile per la formazione di HC. CO é un prodotto di ossidazione parziale di idrocarburi: la sua formazione é favorita da scarsa disponibilità di ossigeno (Miscela ricca) e da temperature elevate (dissociazione CO2 <-> CO + ½ O2) La rilevante produzione di CO nei MCI é un risultato della cinetica (lenta) della riassociazione, e dei tempi ridottissimi disponibili prima del raffreddamento e dello scarico dei prodotti della combustione (pochi millisecondi) Reazione prevalente di riassociazione ad elevate temperature: CO + OH - <->CO 2 + H + 8

9 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Formazione di HC e CO In genere nella combustione CO precede la formazione degli HC, che sono influenzati in modo simile dalle condizioni di combustione. Negli MCI esistono in realtà meccanismi preferenziali per la formazione degli HC: Nei volumi morti (giochi tra pistone e cilindro; tra monoblocco e testa; tenute delle valvole; precamera nei Diesel;...) Nel film d olio per processi di assorbimento/desorbimento fisico degli HC nell olio, favoriti dalle forti escursioni di pressione nel ciclo Per irregolarità di combustione/accensione Negli arricchimenti di miscela all avviamento Un modo per favorire la combustione completa è operare sul rapporto di dosatura, fornendo aria in eccesso (miscela magra). Quando A/F passa da 10 a 16 (n.b. stechiometrico circa 15), il CO nei gas combusti passa dal 12% al circa zero. Analogamente anche gli HC diminuiscono aumentando il rapporto di dosatura da 10 a 16, ma tendono ad aumentare nuovamente passando da 16 a 22, a causa di una miscela tropo magra che non permette la propagazione della fiamma (misfire). 9

10 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Formazione di NOx Gli NOx (come NO) si formano principalmente per combustione dell azoto presente nell aria comburente, quando all interno del cilindro si raggiungono le massime temperature e mostrano un massimo per rapporti di dosatura vicini allo stechiometrico Il meccanismo di formazione dell NO termico é quello di Zeldovich: O = + N 2 = NO + N ++ N ++ + O 2 = NO + O = N ++ +OH - = NO + H + Il principale parametro motoristico che influenza NO é l anticipo all accensione, che determina la temperatura massima del ciclo: All aumentare del rapporto di dosatura da miscele ricche verso miscele magre, CO e HC tendono a diminuire, mentre gli NOx tendono ad aumentare fino ad un massimo, nell intorno delle condizioni stechiometriche, che purtroppo si trova proprio in corrispondenza dei valori minimi di CO e HC. Un ulteriore incremento del rapporto di dosatura, porta ad una diminuzione degli NOx, ma al contempo gli HC tendono a crescere nuovamente. Dunque non è possibile ridurre contemporaneamente HC, CO e NOx solo operando sul rapporto di dosatura. 10

11 Inquinamento da traffico veicolare Riassunto dei meccanismi di formazione inquinanti nei MCI nelle diverse fasi Compressione HC assorbiti nel film d'olio Combustione Formazione HC negli angoli CO ed HC negli spazi morti NO in zona ad alta temperatura Espansione NO e CO per congelament o reazioni causa rapida espansione HC e CO escono dagli spazi morti Scarico HC desorbito dai depositi solidi carboniosi HC desorbito dal film d'olio a bassa pressione 11

12 Inquinamento da traffico veicolare Riduzione della formazione di inquinanti in MCI Negli ultimi 30 anni si sono ottenuti risultati eccezionali nella limitazione delle emissioni dai MCI, operando sulla messa a punto e regolazione del motore (con grande influenza dell elettronica); migliorando le conoscenze sulla fluidodinamica dei motori; introducendo innovazioni motoristiche (iniezione elettronica; motori plurivalvolari, sovralimentazione; fasatura variabile; geometria variabile dei condotti di aspirazione); ed infine sviluppando efficienti sistemi di abbattimento (catalizzatori). I carburanti a loro volta sono migliorati nella loro composizione e compatibilità ambientale, ed i consumi si sono ridotti. Ciononostante l elevata diffusione, ed il ridotto rendimento nell utilizzo principale (autotrazione) dei MCI, li rende ancora la metodologia più inquinante di utilizzo dell energia. Visualizzazione del moto di Tumble attraverso la valvola di aspirazione I progressi tecnologici si sono riflessi nell adozione di normative sempre più stringenti. 12

13 Inquinamento da traffico veicolare Riduzione della formazione di inquinanti in MCI - Tabella di evoluzione della normativa europea per autoveicoli Ciclo ECE15 - Autotrazione Ciclo ETC- MCI stazionari 13

14 Inquinamento da traffico veicolare Riduzione della formazione di inquinanti in MCI - Tabella di evoluzione della normativa europea per Veicoli Commerciali leggeri Ciclo ECE15 - Autotrazione 14

15 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Contenimento emissioni Corretta miscelazione aria/combustibile iniezione vs. carburatore Anticipo all accensione Come evidenziato in figura, dai dati sperimentali, le concentrazioni di NOx risultano sempre crescenti con l anticipo dell accensione. Una diminuzione di anticipo produce infatti: - una riduzione del tempo disponibile per lo svolgimento delle reazioni di formazione degli NOx - un abbassamento della temperatura massima dei prodotti di combustione che comporta una riduzione degli NOx. Anche gli HC diminuisco riducendo l anticipo dell accensione: la combustione può completarsi nella fase di espansione e la temperatura di uscita dei gas combusti è maggiore 15

16 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Contenimento emissioni Internal Exhaust Gas Recirculation - Si realizza con la sovrapposizione dell apertura delle valvole di scarico e ingresso miscela: una parte di gas esausti resta all interno del cilindro diluendo la miscela fresca introdotta nel cilindro e, di conseguenza, la quantità di calore rilasciata durante il processo di combustione riscalda una un maggior quantitativo di gas combusti inerti. Si verifica dunque che le temperature raggiunte assumono valori mediamente più bassi e, con esse, più contenuti risultano anche le concentrazioni di NOx. Modesti aumenti di HC e consumo. Effetto dell EGR sul consumo di combustibile e sulle emissioni di HC e CO External Exhaust Gas Recirculation (EGR): analogamente è possibile effettuare un vero e proprio ricircolo dei gas combusti all interno del cilindro, con lo scopo di ridurre gli NOx. (il ricircolo non viene effettuato fin tanto che il motore è a regime) 16

17 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Riduzione delle emissioni Sistemi termici Prima dello sviluppo dei catalizzatori erano stati proposti sistemi che con l aggiunta di aria secondaria ai gas esausti riportandoli in temperatura completavano le reazioni di combustione riducendo la presenza di incombusti nei gas di scarico. PB: - necessità di lavorare con miscele ricche x garantire specie combustibili nello scarico - materiali adatti alle elevate temperature - necessità spazio x il reattore x garantire tempi di residenza Lo sviluppo di catalizzatori ha permesso di: - abbassare le temperature di reazione Figura pagina 512 wark - aumentare la velocità di reazione (minore tempo, minore, spazio) SINGLE-BED: solo ossidazione, quindi solo su CO e HC DUAL-BED: 2 catalizzatori, 1 per la riduzione degli NOx ed il secondo per l ossidazione di HC e CO. Il motore lavorava con miscele ricche x garantire condizioni riducenti nel 1 catalizzatore. La riduzione degli NOx avviene, grazie alla presenza del catalizzatore, per reazione con composti presenti, ad es.: NO + CO ½N 2 + CO 2 NO + H 2 ½N 2 + CO 2 17

18 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Catalizzatore a 3 vie Il catalizzatore e tre vie realizza l ossidazione degli incombusti e la riduzione degli NOx nello stesso catalizzatore. Questo è possibile solo entro uno stretto range di composizione dei gas combusti ed è stato possibile realizzare tale sistema solo quando è stato sviluppato il controllo elettronico dell iniezione. Il catalizzatore opera in una finestra molto stretta intorno al valore stechiometrico del rapporto di dosatura. Piccole variazioni nel rapporto di dosatura o nella temperatura degli esausti provocano emissioni elevate. Il sistema di controllo utilizzato è la sonda Lambda (Lambda Cloosed Loop) (ad elevata risposta in frequenza; doppia nei MCI di prossima generazione). La sonda Lambda è un sensore che rileva la concentrazione di ossigeno e manda un segnale al sistema di iniezione che regola il rapporto di dosatura, mantenendolo nello stretto range richiesto (condizioni stechiometriche: né ossidanti né riducenti). Riduzione NOx: 2NO + 2CO -> N CO 2 2NO + 2 H 2 -> N H 2 O (+ Q) Ossidazione CO: 2CO + O 2 -> 2 CO 2 ed HC 2CH 2 + 3O 2 -> 2 CO H 2 O (ad es.) Ulteriori reazioni possibili: 2NO + 5 H 2 -> 2NH H 2 O Formaz. Ammoniaca 2NH 3 + 5/2 O 2 -> 2NO + 2 H 2 O Riformazione NO SO 2 + 3H 2 -> H 2 S + 2 H 2 O Form. Acido Solfidrico (per comb. solforati) 18

19 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Reattori catalitici - caratteristiche Per il buon funzionamento del catalizzatore é importante la distribuzione uniforme del flusso in ingresso, ottenibile mediante opportuni organi di promozione della turbolenza (a prezzo della perdita di carico). Il catalizzatore può essere costruito con matrice ceramica od in lamierini metallici. In ogni caso il materiale di supporto dell agente catalizzante (metallo nobile) é un film poroso di g-allumina ( washcoat ). La presenza di CO ed HC (anche in condizioni dinamiche) causa reazioni esotermiche che riscaldano il catalizzatore, portandolo al limite in condizioni che possono innescare incendi. Per tale motivo esiste una camicia isolante ed un involucro esterno di contenimento, in genere in acciaio inox. E importante che il tempo di residenza sia adeguato alla cinetica prevista per le reazioni di riduzione ed ossidazione; il rapporto volume/superficie attiva (porosità del supporto, struttura della matrice) influenza il tempo di residenza. portata volumetrica ridotta in cond. normali Velocità spaziale = volume del catalizzatore Tempo di residenza = 1/(velocità spaziale) L avvento dei catalizzatori ha richiesto l utilizzo di benzina senza piombo, dato che il Pb provoca la deattivazione del catalizzatore 19

20 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Sonda Lambda La sonda Lambda è una cella elettrochimica che genera un potenziale diverso a seconda della concentrazione di ossigeno: λ < mv λ = mv λ > mv La sonda λ oggi impiegata ha risposta a gradino e si presta ad una regolazione digitale (on/off) tramite la centralina di controllo dell iniezione. Nel futuro é prevista l introduzione di sonde λ ad azione progressiva, e controllo non più a gradino. La sonda Lambda, il circuito di controllo ed il catalizzatore devono essere esclusi dal funzionamento per temperature inferiori a 300 C (avviamento del motore). Infatti la sonda Lambda a temperature inferiori a 300 C ha un tempo di risposta troppo lento per effettuare il controllo dell iniezione (a 300 C qualche secondo vs. 50 ms a 600 C), rendendo impossibile il funzionamento del catalizzatore (anzi peggiorativo). 20

21 Inquinamento da traffico veicolare Motori a benzina Reattori catalitici - Evoluzione Nei MCI per autotrazione della prossima generazione (ECE05) per migliorare le prestazioni del catalizzatore si adottano vari perfezionamenti motoristici: -progettazione del motore per basso peso (in lega ed a basso spessore) per un riscaldamento veloce (gran parte delle emissioni avviene nel funzionamento anomalo in fase di riscaldamento con arricchimento di miscela) -posizionamento del catalizzatore vicino al motore (per un più veloce riscaldamento) -collocazione nella camicia esterna del catalizzatore di sali capaci di accumulare il calore mediante fusione (capacità di accumulo del calore e mantenimento del catalizzatore in temperatura per oltre 12 ore) -diagnostica on-board del veicolo per segnalare progressivo deterioramento delle prestazioni del catalizzatore (che dovrà comunque durare oltre 160,000 km) 21

22 Inquinamento da traffico veicolare Motori diesel Particolarità della formazione di inquinanti Nei motori diesel solo l aria viene compressa durante la fase di compressione. Poco prima che il pistone raggiunga il PMS viene iniettato il combustibile nel cilindro e la combustione ha inizio quando si raggiunge la temperatura di autoingnizione grazie alla compressione stessa. Nei motori diesel la regolazione della potenza viene effettuata agendo solo sulla quantità di combustibile. I rapporti aria/combustibile in un motore diesel variano da 100 a 15(λ 0,01-0,06), quindi le condizioni sono molto più spesso di miscela magra rispetto alle stechiometriche del motore a benzina. - turbodiesel: compressione dell aria prima dell immissione nel cilindro - iniezione indiretta (IDI): combustibile iniettato in una pre-camera di combustione - iniezione diretta (DI) Il processo di combustione nei motori diesel avviene in fase eterogenea e, per questo, la miscela che si forma non può essere caratterizzata da un valore uniforme del rapporto aria/combustibile che, viceversa, può fortemente variare da punto a punto all interno del cilindro. I MCI ad accensione spontanea hanno in genere specie nell applicazione per autotrazione - rendimenti superiori; quindi consumi inferiori ed emissioni specifiche di inquinanti (per km) tipicamente più ridotte. Le temperature più ridotte, ed il rapporto di miscela basso, limitano la formazione di NO, CO ed HC. I problemi di inquinamento dei MCI Diesel nascono dalla possibile disuniformità spaziale della composizione della miscela. In particolare se vengono prodotte gocce di dimensioni eccessive, queste non evaporano prima della combustione e bruciano con fiamma di diffusione (in fase liquida) con rapporto di miscela fortemente disomogeneo. Il particolato solido che eventualmente si forma ha forte contenuto di carbonio solido e si presta ad adsorbire eventuali HC incombusti. 22

23 Inquinamento da traffico veicolare Motori diesel Particolarità della formazione di inquinanti Il particolato solido che eventualmente si forma ha forte contenuto di carbonio solido e si presta ad adsorbire eventuali HC incombusti. I meccanismi di produzione di HC sono essenzialmente legati all eterogeneità della miscela che si forma in camera di combustione. Nelle zone di miscela troppo ricche non si riesce ad attuare una combustione completa, mentre in quelle troppo povere il processo di combustione stesso non viene innescato. In entrambi i casi una parte di combustibile non viene bruciata dando luogo alla formazione di idrocarburi incombusti. Analogamente ai motori ad accensione comandata, la dipendenza dal rapporto medio di dosatura delle concentrazioni di NOx è qualitativamente la stessa, anche se il quantitativo globale dipende fortemente dal grado di disomogeneità della miscela. Le condizioni di massima formazione di NOx si verificano, come nel motore a.c., per valori del rapporto di dosatura leggermente superiori (circa 16) a quello stechiometrico, condizione che può facilmente verificarsi in molte zone del cilindro per i motori diesel. 23

24 Inquinamento da traffico veicolare Motori diesel Particolarità della formazione di inquinanti I moderni sistemi di iniezione (diretta od indiretta Common Rail) risolvono brillantemente i problemi relativi agli incombusti, mentre l installazione di trappole di particolato può risolvere i problemi di particolato. La versione del motore diesel più conveniente rispetto al miglioramento delle prestazioni (potenza, coppia e consumi) ed alla diminuzione delle emissioni, è risultata quella ad iniezione diretta, sovralimentato con turbocompressore a geometria variabile e refrigerazione intermedia (intercooler). L impossibilità ad oggi di impiegare catalizzatori per NOx operanti in condizioni ossidanti limita rispetto agli MCI ad accensione comandata la possibilità di rimuovere gli ossidi di Azoto. Il problema é grave per i motori Diesel di grossa cilindrata specie se devono operare in ambiente urbano, e sarà attaccabile seriamente solo dopo l introduzione di gasolio assolutamente privo di zolfo (prevista in Europa per il 2006). Problemi applicativi: Bassa T allo scarico Assenza di CO (difficoltà di funzionamento termico del catalizzatore) Presenza di particolato (Limite Grave per ECE04) Condizioni ossidanti di combustione Soluzioni: Catalizzatori solo ossidanti a bassa T (zeoliti a scambio di ioni metallici) Combustibile (gasolio) a bassissimo tenore di zolfo Controllo elettronico dell iniezione (Common Rail) EGR (ricircolo dei gas di scarico all aspirazione efficace per NOx) Trappole di particolato (filtri ceramici sullo scarico) 24

25 Inquinamento da traffico veicolare Motori diesel Riduzione inquinanti Possibili notevoli miglioramenti con l introduzione di nuove soluzioni tecnologiche: Sensore Pressione Piezoelettrico Common Rail Pompa Alta Pressione Iniettore Iniezione Elettronica Common-Rail con Sensore Piezoelettrico Aumento della pressione di iniezione del combustibile Tale provvedimento permette di ridurre le dimensioni delle goccioline ed aumentare la loro energia cinetica ottenendo un migliore miscelamento tra aria e combustibile. Tale incremento della pressione si realizza in sistemi del tipo common-rail. 25

26 Inquinamento da traffico veicolare MCI Evoluzione futura Combustibili alternativi a breve termine(gpl, Metano, Alcool) Veicoli ibridi (Trazione MCI/Elettrica) Celle a combustibile con trazione elettrica Combustibili alternativi a medio/lungo termine (Idrogeno): -Reforming metano in impianto, alla pompa, on-board -Problemi di autonomia -Problemi di distribuzione ai vari livelli -Problemi di sicurezza 26

27 Verifica delle Normative MCI per autotrazione (omologazione) Si fa riferimento a cicli standard di funzionamento, che comprendono (es. ECE15) l avviamento a freddo, un riscaldamento (40s) e 4 sequenze del ciclo vero e proprio (4 km). Segue un ciclo extraurbano (EUDC) con tratti a 70, 100 e 120 km/h. Ciclo ECE15+EUDC I test di omologazione riguardano un singolo veicolo e non rappresentano assolutamente la situazione emissiva di una flotta. 27

28 Stima delle emissioni per flotte di veicoli Non si fa riferimento ai dati di omologazione, ma piuttosto a rilevamenti statistici effettuati su veicoli circolanti. Nei diversi paesi l utilizzo dei veicoli e la composizione del parco circolante sono piuttosto diversificati; inoltre lo stato della rete viaria (velocità media) e la temperatura (tempi di riscaldamento) hanno notevole influenza sulle emissioni da traffico veicolare. La banca dati CORINAIR è stata sviluppata in Europa dal 1990, e contiene molti dati di riferimento per l inquinamento da traffico. La Tabella mostra la differente lunghezza della gita-tipo in alcuni paesi europei. 28