RIEPILOGO DELLE NORMATIVE DI PROVA PER AUTOVETTURE E PER CAMION

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1 RIEPILOGO DELLE NORMATIVE DI PROVA PER AUTOVETTURE E PER CAMION Le normative vigenti, emanate per ridurre le emissioni allo scarico in atmosfera di veicoli muniti di motori a combustione interna prescrivono limitazioni relativamente alle seguenti sostanze: Monossido di carbonio (CO); Idrocarburi incombusti (HC): metano (CH 4 ); HC non metanici (NMHC); Ossidi di azoto (NO X ); Particolato (per motori diesel). Tutte le normative prescrivono limiti alle quantità in massa di ciascuna sostanza inquinante emessa allo scarico durante cicli di funzionamento codificati da effettuare su banchi dinamometrici a rulli, nel caso di veicoli leggeri, e su appositi banchi stazionari o dinamici provando i soli motori nel caso di veicoli pesanti. I cicli per i soli motori della trazione pesante possono essere stazionari (ECE R-49, ESC) o dinamici (ETC, ELR), a seconda che le emissioni siano valutate in corrispondenza di specifici punti di funzionamento o in continuo. In Europa esistono specifiche normative rispettivamente per veicoli leggeri (lightduty), la cui massa di riferimento è minore di 2610 kg, e per veicoli pesanti (heavyduty), massa di riferimento maggiore di 2610 kg. Con massa di riferimento si intende la massa del veicolo in ordine di marcia, cioè con liquido di raffreddamento, lubrificanti, combustibile, attrezzi, ruota di scorta e conducente, meno la massa forfettaria di un conducente tipo di 75 kg, più una massa forfettaria di 100 kg. Precedentemente, fino al 2008 per gli heavy duty (prima della direttiva 2008/74/CE) e fino al 2007 per i light duty (prima del Regolamento (CE) N. 715/2007), la normativa faceva riferimento alla categoria di appartenenza del veicolo ed alla

2 massa massima a carico tecnicamente ammissibile, fissando in 3,5 t il limite a partire dal quale il veicolo era da considerarsi di tipo heavy duty. HEAVY-DUTY Per questa tipologia di veicoli si fa un ulteriore distinzione tra quelli equipaggiati con motore ad accensione per compressione e quelli ad accensione comandata alimentati a Gas Naturale o GPL. Le seguenti tabelle 1 e 2 riassumono i limiti di emissione e il ciclo di prova a cui ci si deve riferire a seconda dell anno di omologazione del veicolo. Tabella 1 Valori limite di emissione per veicoli HD equipaggiati con motore Diesel CO HC NO X PM Ciclo di Fase Data Prova [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] Fumo [1/m] Euro I 1992, < 85 kw , > 85 kw ECE R Euro II 1995.Oct Oct, EEVs only Euro III 2000.Oct a 0.8 ESC & ELR Euro IV 2005.Oct Euro V 2008.Oct Euro VI 2013.Oct a: per i motori aventi cilindrata minore di 0,75 dm3 per cilindro e un regime nominale superiore a 3000 min -1 Tabella 2 Valori limite di emissione per veicoli HD equipaggiati con motore Diesel o ad accensione comandata alimentato a GN o GPL, con riferimento al ciclo ETC

3 Fase Data Ciclo di Prova CO [g/kwh] NMHC [g/kwh] CH 4 a [g/kwh] NOx [g/kwh] PM b [g/kwh] 1999.Oct., EEVs only Euro III 2000.Oct c ETC Euro IV Oct Euro V Oct Euro VI 2013.Jan d a:solo per motori alimentati a gas (EURO III V: solo GN; EURO VI: GN e GPL); b: non applicabile ai motori a gas per EURO III IV; c: per i motori aventi cilindrata minore di 0,75 dm3 per cilindro e un regime nominale superiore a 3000 min -1 ; d: THC per motori Diesel. Le diverse tipologie di cicli prova indicate nelle tabelle 1 e 2 verranno descritte in dettaglio nel seguito. Ciclo ECE R-49 Questo ciclo, detto anche 13 modi, prevede che l'esame sia effettuato sul motore al banco prova dinamometrico secondo una procedura che prevede 13 determinazioni di prestazioni ed emissioni in altrettanti punti del piano coppia-velocità di rotazione del motore in condizioni di funzionamento stazionario. In figura viene riportata una schematizzazione del ciclo riferita a una curva ipotetica coppia massima-velocità di rotazione.

4 Figura 1 Ciclo ECE R 49 (13 modi) La procedura prevede la seguente successione di condizioni di funzionamento del motore: al minimo; a velocità intermedia con 5 carichi crescenti (dal 10% al 100% del carico massimo a tale velocità); al minimo; alla velocità massima con 5 carichi decrescenti (dal 100% al 10% del carico massimo a tale velocità); al minimo. Per ogni punto di funzionamento la norma prevede un fattore di peso che sarà poi applicato in fase d elaborazione dei risultati, sia per ponderare le potenze in gioco che le portate orarie delle varie specie inquinanti nei differenti punti. Per ogni specie inquinante gassosa è calcolata la sommatoria delle portate delle emissioni (in g/h) nei singoli punti prova, pesate con i fattori previsti, nonché la

5 sommatoria delle potenze (in kw), nei singoli punti prova, pesate con gli stessi fattori. Dividendo la prima sommatoria per la seconda si calcola l emissione specifica della singola specie in (g/kwh), come richiesto dalla norma : Valore 13 i= 1 = 13 i= 1 f f i i qi p i indicando con: f i = fattore di ponderazione q i = portata al punto i-esimo di inquinante g/h p i = potenza al punto i-esimo kw Per il particolato, accumulato durante il ciclo di prova sull unico filtro, vengono pesati, con gli stessi fattori (q i ), i volumi di gas campionati in ogni punto di funzionamento, stabiliti dalle condizioni di funzionamento del motore e dal rapporto di diluizione, per passare da questi ad una portata massica equivalente (kg/h), nella quale individuare la portata oraria di PM (g/h). Anche in questo caso il risultato ultimo sarà espresso da un solo valore in g/kwh. Ciclo European Stationary Cycle (ESC) E stato introdotto dal 2000, insieme all ETC ed all ELC per la certificazione delle emissioni dei motori Heavy-Duty. Il motore è testato su di un banco dinamometrico in una sequenza di punti stazionari di seguito specificata. Il motore deve essere mantenuto in ciascun punto per un tempo opportuno, e i cambi di velocità di rotazione e carico devono essere effettuati in meno di 20 secondi. La velocità di rotazione deve essere tenuta entro un range di ± 50 rpm rispetto a quella nominale del punto, mentre la coppia deve essere tenuta entro ± 2% della coppia massima relativa allo stesso regime di prova. Le emissioni sono misurate in ogni punto, di cui, poi, viene fatta una media ponderata su tutto il ciclo usando i fattori di peso specificati dalla norma. Il risultato finale delle emissioni verrà espresso ancora in g/kwh dividendo la suddetta media per la media ponderata delle potenze impegnate.

6 Tabella 3 Punti del ciclo ESC Punti Velocità di rotazione % Carico Fattore di peso, % Durata 1 Marcia a minimo min 2 A min 3 B min 4 B min 5 A min 6 A min 7 A min 8 B min 9 B min 10 C min 11 C min 12 C min 13 C min Figura 2 Ciclo ESC

7 Oltre al minimo sono prescritte prove in tre regimi di rotazioni del motore: A;B;C. Dette velocità di rotazione del motore sono definite come segue, a partire dalla determinazione di due regimi di riferimento caratteristici del motore in prova: n hi, n lo : n hi, il regime elevato (high) è determinato rilevando al banco i regimi del motore, a piena ammissione, in corrispondenza dei quali si ha il 70% della potenza massima dichiarata e scegliendo fra questi il maggiore. n lo, il regime basso (low) è determinato rilevando al banco il più basso regime del motore, a piena ammissione, in corrispondenza del quale si ha il 50% della potenza massima dichiarata. Le velocità di rotazione (A, B e C) da usare durante la prova sono calcolate, quindi, con le seguenti formule: A = n lo (n hi - n lo ) B = n lo (n hi - n lo ) C = n lo (n hi - n lo ) Ciclo European Load Response (ELR) La prova ELR è stata prescritta dal 2000, con l introduzione della norma EURO III, con lo scopo di misurare la fumosità dei motori diesel HD. Essa consiste in tre serie di tre accelerate tra il 10% e i1 100% della coppia massima per ciascuno dei tre regimi di rotazione definiti per il ciclo ESC: A (cycle 1), B (cycle 2) e C (cycle 3) ed una quarta, (cycle 4), con tre accelerate a partire da un carico a scelta sempre compreso tra il 10 e il 100% ad una velocità compresa tra i regimi A e C. Il regime ed il carico di partenza del quarto ciclo sono scelti dal personale di certificazione.

8 Figura 3 Ciclo ELR La misurazione dei valori di fumosità è di tipo continuo, con una frequenza di almeno 20 Hz. Le tracce di fumo vengono poi analizzate per determinare i valori finali di fumo tramite un opportuno calcolo. Ciclo European Transient Cycle (ETC) Il ciclo ETC è stato sviluppato dall Istituto FIGE (Aachen, Germania) sulla base di misurazione fatte su di un ciclo reale su strada di un veicolo HD. Il ciclo ETC è una versione abbreviata e leggermente modificata della proposta fatta originariamente dalla FIGE. La prova viene effettuata sul motore installato su un banco dinamico. Esso rappresenta tre diverse condizioni di guida (Figure 4, 5 e 6): urbana, rurale e in autostrada. La parte uno rappresenta la guida in città ed ha una velocità massima di 50 km/h, frequenti fermate e ripartenze e funzionamento al minimo;

9 La parte due, rappresentante una situazione di guida su strade rurali, inizia con una fase di accelerazione. La velocità media è di circa 72 km/h; La terza ed ultima parte simula la guida in autostrada. La velocità media di questa parte è di 88 km/h. La durata di ciascuna parte è di 600 secondi, con una durata complessiva di 1800 s. Figura 4 Ciclo ETC, velocità del veicolo Figura 5 Ciclo ETC, regime del motore

10 Figura 6 Ciclo ETC, coppia del motore LIGHT-DUTY Per i veicoli leggeri i limiti riguardano le masse emesse allo scarico durante un ciclo dinamico di prova su banco a rulli, che simula la resistenza all avanzamento e l inerzia del veicolo, secondo la normativa 70/220/CEE. Le masse gassose degli inquinanti vengono valutate a partire dalla concentrazione di ciascuna di esse misurando il volume o la massa totale di gas emessi durante l effettuazione del ciclo di prova e la distanza percorsa. Le quantità emesse vengono oggi riferite all unità di percorrenza e quindi espresse in g/km. La procedura di prova prescrive di effettuare al banco a rulli un ciclo di funzionamento composto da una simulazione di percorso urbano (UDC: Urban Driving Cycle) ed uno extraurbano (EUDC: Extra Urban Driving Cycle). Il primo, chiamato anche ECE 15 per ragioni storiche (la prima direttiva che lo definì fu la 15/ECE/ONU del 1969), è costituito da 4 ripetizioni di un modulo base (Figura 7) che definisce la legge di variazione della velocità del veicolo in funzione del tempo, ed il rispettivo rapporto del cambio da utilizzare. Il modulo base ha una durata di 195 secondi durante i quali si raggiunge la velocità massima di 50 km/h. L intero ciclo UDC ha una lunghezza di 4,052 km percorsi con una velocità media di

11 circa 19 km/h. Figura 7 Modulo base del ciclo di prova urbano UDC (o ECE)

12 Tabella 4 Valori del modulo base del ciclo UDC Operaz. Operazione N. Fase Acceleraz. (m/s 2 ) Velocità (km/h) Durata di ciascuna Operazione Fase (s) (s) Progress. Tempi (s) Rapporto da usare con cambio manuale 1 Minimo sPM + 5sK 1 (*) 2 Accelerazione Velocità cost Decelerazione Dec. a friz. dis K 1 (*) 6 Minimo sPM + 5K 1 (*) 7 Accelerazione Cambio di vel Accelerazione Velocità cost Decelerazione Dec. a friz. dis K 2 (*) 13 Minimo sPM + 5sK 1 (*) 14 Accelerazione Cambio di vel Accelerazione Cambio di vel Accelerazione Velocità cost Decelerazione Velocità cost Cambio di vel Decelerazione Dec. a friz. dis K 2 (*) 25 Minimo sPM(*) (*) PM : cambio in folle, frizione innestata; k 1, k 2 : frizione disinnestata con prima o seconda marcia inserita La seconda fase del ciclo di prova, l EUDC (Figura 8), è stata introdotta in quanto non si avevano livelli realistici di emissioni, soprattutto di NO X, viste le basse

13 velocità che si raggiungevano nel solo ciclo UDC. La direttiva che per prima ha introdotto questo ciclo è stata la 91/441/CEE, in vigore dal 1994 al 1996, che, inoltre, decretò che la misura delle sostanze inquinanti dovesse essere espressa in g/km e non più in g/prova. Nel percorso extraurbano si raggiunge la velocità massima di 120 km/h; la velocità media è di circa 62,6 km/h e la sua durata è di 400 secondi, percorrendo così circa 6,9 km. Figura 8 Ciclo di prova EUDC

14 Tabella 5 Valori del ciclo di prova EUDC Operaz. Operazione Fase Acceleraz. Velocità Durata di ciascuna Progress. Rapporto da N. Tempi usare con (m/s 2 ) (km/h) Operazione Fase cambio (s) (s) manuale 1 Minimo K 1 (*) 2 Accelerazione Camb. di veloc Accelerazione Camb. di veloc Accelerazione Camb. di veloc Accelerazione Velocità cost Decelerazione s.5 + 4s.4 11 Velocità cost Accelerazione Velocità cost Accelerazione Velocità cost (**) 16 Accelerazione (**) 17 Velocità cost (**) 18 Decelerazione (**) 19 Decelerazione (**) 20 Dec. a friz. dis K 5 (*) 21 Minimo PM(*) (*) PM : cambio in folle, frizione innestata. Prima o quinta marcia inserita, frizione disinnestata. (**) Se il veicolo ha più di 5 marce si possono usare marce addizionali nel rispetto delle raccomandazioni del costruttore. Tutto il percorso del ciclo di prova, UDC più EUDC, ha una lunghezza di circa 10,9 km; la durata totale è 1180 secondi; la velocità media è circa 33 km/h (Figura 9).

15 Profilo ciclo di prova velocità (km/h) sec Figura 9 Ciclo di prova complessivo Di seguito sono riportate le tabelle relative ai limiti di emissione per veicoli light-duty. La norma Euro 5 è entrata in vigore dal 1 settembre 2009 per quanto riguarda il rilascio dell'omologazione e dal 1 gennaio 2011 per quanto riguarda l'immatricolazione e la vendita dei nuovi tipi di veicoli; La norma Euro 6 sarà applicabile a partire dal 1 settembre 2014 per quanto riguarda il rilascio dell'omologazione e dal 1 settembre 2015 per quanto riguarda l'immatricolazione e la vendita dei nuovi tipi di veicoli. Nella tabella 6 sono riportati i limiti passati, attuali e futuri per veicoli a motore della categoria M, vale a dire destinati al trasporto di persone ed aventi almeno quattro ruote, equipaggiati con motori ad accensione comandata (PI, Positve Ignition) e ad accensione per compressione (CI, Compression Ignition), con Massa di Riferimento (MR): MR < 2500 kg (per EURO 2, 3 e 4) MR < 2610 kg (per EURO 5 e 6)

16 Tabella 6 - Limiti europei di emissione per veicoli leggeri (categoria M) con motore ad accensione comandata (PI, Positive ignition) e ad accensione per compressione (CI, Compression ignition) espressi in mg/km CO THC NMHC NOx HC+NOx PM N di Particelle [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [#/km] PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI (3) CI PI CI 1993 EURO EURO EURO EURO dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) (1) Emissioni di particolato. Un numero limite di emissione di particelle del km-1 (metodo PMP, NEDC test) diventa efficace a partire da Euro 5/6 per tutte le categorie di veicoli diesel (M, N1, N2). Il limite di numero di particelle deve essere rispettato in aggiunta alle emissioni in massa di PM. Un numero limite di emissione di particelle per i veicoli PI deve essere definito entro il 1 settembre (2) Il limite di emissione di massa del particolato di 4,5 mg/km e il limite di numero di particelle, saranno effettivi dal 1 settembre 2011 per l'omologazione sui nuovi tipi di veicoli e dal 1 gennaio 2013 per tutti i veicoli nuovi venduti, immatricolati o messi in servizio nella Comunità. (3) I limiti relativi alla massa di particolato per i motori ad accensione comandata si applicano solo ai veicoli con motore a iniezione diretta. (1) Di seguito sono riportati i limiti passati, attuali e futuri per veicoli a motore della categoria N1, vale a dire quei veicoli progettati e costruiti per il trasporto di merci, aventi massa massima non superiore a 3,5 t. A loro volta i veicoli appartenenti alla categoria N1 vengono suddivisi in 3 classi, in

17 base alla MR. In tabella 7 sono riportati i limiti relativi alla classe I, ovvero i veicoli appartenenti alla categoria N1 aventi MR: MR 1250 kg (per l EURO 2) MR 1305 kg (per EURO 3, 4,5 e 6) Tabella 7 - Limiti europei di emissione per veicoli leggeri (categoria N1, classe I) con motore ad accensione comandata (PI, Positive ignition) e ad accensione per compressione (CI, Compression ignition) espressi in mg/km CO THC NMHC NOx HC+NOx PM N di Particelle [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [#/km] PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI (3) CI PI CI 1997 EURO EURO EURO dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) (1), (2), (3) Come tabella 6 (1) In tabella 8 sono riportati i limiti relativi alla classe II, ovvero i veicoli appartenenti alla categoria N1 aventi MR: 1250 < MR 1700 kg (per EURO 2) 1305 < MR 1760 kg (per EURO 3, 4, 5 e 6)

18 Tabella 8 - Limiti europei di emissione per veicoli leggeri (categoria N1, classe II) con motore ad accensione comandata (PI, Positive ignition) e ad accensione per compressione (CI, Compression ignition) espressi in mg/km CO THC NMHC NOx HC+NOx PM N di Particelle [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [#/km] PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI (3) CI PI CI 1997 EURO EURO EURO dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) (1), (2), (3) Come tabella 6 (1) In tabella 9 sono riportati i limiti relativi alla classe III, ovvero i veicoli appartenenti alla categoria N1 aventi MR: MR > 1700 kg (per EURO 2) MR > 1760 kg (per EURO 3, 4, 5 e 6)

19 Tabella 9 - Limiti europei di emissione per veicoli leggeri (categoria N1, classe III) con motore ad accensione comandata (PI, Positive ignition) e ad accensione per compressione (CI, Compression ignition) espressi in mg/km CO THC NMHC NOx HC+NOx PM N di Particelle [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [mg/km] [#/km] PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI (3) CI PI CI 1997 EURO EURO EURO dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) dal 5.0/ /4.5 EURO x (2) (2) (1), (2), (3) Come tabella 6 (1)