ABBATTIMENTO DEL PARTICOLATO NEI MOTORI DIESEL

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1 ABBATTIMENTO DEL PARTICOLATO NEI MOTORI DIESEL Delibera giunta regionale n Relazione Tecnica Finale ARPA Sezione di Ferrara Direttore Dott. Simona Coppi Società di Ricerca e Sviluppo diretta dal Prof. Ing. Arturo Colamussi Ferrara, Luglio 2005 Pag. 1 di 26

2 Indice Descrizione del sistema...3 La struttura filtrante...3 Il controllo della temperatura dei gas di scarico all ingresso al filtro...11 Le misure di efficienza...12 Incert L analisi del gas di combustione...13 Sostanze organiche e Idrocarburi policiclici aromatici...13 Le misure opacimetriche...15 Le verifiche del VERT...16 Appendice A...24 Le caratteristiche della carta...24 Pag. 2 di 26

3 Descrizione del sistema La struttura filtrante L obiettivo che ci si è posti è quello di agire soprattutto sulle polveri ultrafini e senza che il sistema sia sensibile alle condizioni di funzionamento del motore, al suo stato di manutenzione, alla qualità del gasolio ecc, in modo che l abbattimento avvenga sempre e comunque: quindi che il sistema possa essere applicato su qualunque mezzo con motore Diesel. Ci si è quindi orientati verso la massima efficienza di separazione non solo del particolato ma anche dello sostanze organiche volatili prima fra tutte gli IPA (Idrocarburi Policiclici Aromatici), adottando la formula di una cartuccia ricambiabile il cui smaltimento avviene per incenerimento. Questo ha consentito l uso di un media filtrante fibroso ritenuto in letteratura il più adatto a trattenere le polveri ultrafini. Con la Ahlstrom, leader mondiale nella produzione di media filtranti, è iniziata una stretta collaborazione ed alla fine la scelta è caduta su di una carta da filtro in cellulosa non impregnata con caratteristiche fisico chimiche adatte allo scopo. Una delle decisioni più utili alla ricerca è stata quella di provare i vari tipi di media filtrante sullo scarico dei diesel su automezzi nelle reali condizioni operative, rinunciando a prove al banco certamente più comode ed economiche ma non completamente rappresentative delle esigenze reali. Sono stati realizzati mock-up in un primo tempo statici ed in secondo tempo è sta progettata e realizzata una apparecchiatura che permetteva il ricambio della carta da filtro in modo estremamente rapido in modo da poter effettuare tutta una serie di prove in tempi brevi. Già in questa fase, oltre alle valutazioni qualitative dell efficienza mediante la valutazione sulla scala dei grigi con tessuti posti a valle del filtro, ARPA di Ferrara ha messo a punto l apparecchiatura per la misura della massa delle particelle contenute nel gas di a scarico a monte ed a valle dei filtri oltre a tutta una serie di parametri della combustione. I mezzi usati per le prove sono stati un furgone Fiat Scudo con un motore diesel di 55 kw ed in un secondo tempo un autobus Menarini 201 L con 150 kw. Pag. 3 di 26

4 I percorsi effettuati sono stati di oltre km ed hanno permesso di raggiungere le seguenti conclusioni: l efficienza di filtraggio è stata misurata dall ARPA in oltre il 90 %, ma si considera questo un valore sicuramente conservativo in quanto misurato, per le esigenze della strumentazione usata, su tratti percorsi a velocità costante di 45 km/h senza accelerazioni a cui si deve la massima emissioni di particolato nei motori diesel. Le prove all opacimetro confermano la sottostima dell efficienza. lo strato di micropolveri trattenute dalla carta aumenta l efficienza di filtrazione ovviamente alla condizione che lo strato stesso rimanga indisturbato, condizione molto importante su cui si ritornerà in seguito raffreddando i gas di scarico (al di sotto dei 130 C) molte altre sostanze sotto forma di aerosol vengono trattenute dal filtro in cui le particelle solide carboniose si suppone agiscano come adsorbenti in modo simile ai filtri a carboni attivi. L ottima efficienza nell abbattimento del particolato ottenuta sfruttando la struttura fibrosa della carta ha spinto il gruppo di ricerca a cercare di estendere per quanto possibile la durata del filtro prima della sua sostituzione. La soluzione è stata individuata nella direzione di ottenere una configurazione della carta da filtro che presentasse una grande superficie ed un piccolo volume. Pag. 4 di 26

5 Fig. 4.1 La figura 4.1 rappresenta una configurazione di questo tipo. La carta è piegata a greca formando tasche aperte a monte e a valle alternativamente. Il gas di scarico è costretto a passare attraverso le pareti parallele delle tasche aperte a monte e filtrato si raccoglie nelle tasche aperte a valle. La pressione sulle pareti di queste ultime dovuta alla perdita di carico del gas porterebbe al collasso delle pareti stesse ed alla chiusura della tasca. Per evitare questo ogni tasca contiene un pannello distanziale realizzato in carta ondulata come rappresentato alle foto che seguono. Pag. 5 di 26

6 La configurazione individuata consente di ottenere filtri di qualunque superficie in un campo estremamente vasto, dalle auto ai grossi mezzi commerciali. La superficie che si ottiene per unità di volume è considerevole: una cartuccia delle dimensioni di 740x600x155 mm, con 32 strati, è quello installato sull autobus Menarini 201 L presenta una superficie filtrante di 13.8 mq. Nel caso specifico, vengono installati due cartucce in parallelo e l andamento della perdita di carico in funzione dei chilometri percorsi è rappresentato alla fig. 4.2 mb Contropressione totale (filtro + scambiatore) sostituzione 50 mb km pressione 1500 g/min pressione 2500 g/min Poli. (pressione 2500 g/min) Poli. (pressione 1500 g/min) Fig. 4.2 Le foto di seguito mostrano rispettivamente il lato di ingresso ed il lato di uscita del filtro dopo circa 3000 km. La contropressione totale massima a cui le cartucce vengono sostituite è di 50 mb Alle foto seguenti è riportata la modalità di sostituzione delle cartucce, Pag. 6 di 26

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11 Il controllo della temperatura dei gas di scarico all ingresso al filtro Le prove effettuate in collaborazione con ARPA, come descritto nel seguito, hanno messo in evidenza la grande importanza della temperatura dei gas di scarico all ingresso del filtro. Se i valori vengono tenuti in un intervallo compreso tra i 110 ed i 130 C, il filtro oltre a trattenere il particolato, riesce a separare anche gran parte delle sostanze organiche volatili tra cui, molto importante, gli Idrocarburi Policiclici Aromatici (I.P.A). Se la temperatura supera i 160 C tali sostanze vengono perdute. Se la temperatura supera i 300 C vi è il pericolo di danneggiamento della cartuccia filtrante. Si è quindi provveduto alla installazione di uno scambiatore per il contenimento della temperatura dei gas di scarico all ingresso del filtro e di un opportuno sistema di controllo. Lo schema è riportato alla figura della pagina seguente. Scambiatore Controllore Valvola a 3 vie regolazione Segnale pressione Valvola di emergenza Segnale temperatura scarico motore scarico filtrato Filtro a doppio modulo Lo scambiatore viene dimensionato per garantire una temperatura massima dei gas di scarico inferiore ai 130 C al massimo carico e con una temperatura esterna di 40 C. Esso provvede inoltre ad impedire che, all avviamento, si formino quantitativi di condensa che superino i volumi che il contenitore delle cartucce riesce a separare. Pag. 11 di 26

12 Il controllore elettronico provvede a mantenere la temperatura nei limiti prescritti e in casi estremi (forti salite o velocità di molto superiori a quelle urbane) ad escludere il filtro deviando all atmosfera l uscita dello scambiatore. Le misure di efficienza Le prime analisi effettuate da ARPA, per ciò che riguarda il particolato hanno dato i seguenti risultati PRIMA del Filtro DOPO il filtro Eff % Val m Dev STD CV % V min V max Incert. misura Val m Dev STD CV % V min V max Incert. misura POLVERI (mg/nm3) 18,2 3, ,1 22,5 18,2±2,7 1,9 0,3 16 1,4 2,4 1,9±0,6 90 Le prove sono state effettuate, per i limiti della strumentazione usata, ad una velocità costante di 45 km/h. La assenza di accelerazioni cui va imputata la maggiore produzione di particolato, ha fatto in modo che, diminuendo il denominatore il rapporto rappresentativo della efficienza giochi a sfavore dell efficienza stessa che si suppone sia notevolmente più alta se si potesse effettuare una misura in un ciclo urbano. Le misure opacimetriche effettuate sul filtro per valutare l aderenza del sistema ai requisiti VERT ne danno conferma indiretta, come esposto nel seguito. Pag. 12 di 26

13 L analisi del gas di combustione E stata effettuata la analisi dei gas di combustione; i risultati sono riportati nel seguito CO (mg/nm 3 ) CO 2 (%) NO (mg/nm 3 ) NO 2 (mg/nm 3 ) SO 2 (mg/nm 3 ) Val m 430,8 Dev STD PRIMA del Filtro DOPO il filtro Eff % CV% 15,3 3,6 3,5 0,31 8,8 324,3 30,5 9,4 165,8 6,4 3,8 <25 V min V max Val m Dev STD 413,8 462,5 407,4 13,3 3,3 3,1 3,9 3,6 0,28 7,6 277,4 379,2 354,2 28,8 8,1 155,8 174,3 143,1 6,5 4,5 <25 CV% V min V max 387,5 423,8 3,3 4,3 296,1 398,0 131,2 151,7-5,5 +2,8 + 9,2-13,7 Come è possibile vedere nessun effetto è apprezzabile, come si poteva intuire. Sostanze organiche e Idrocarburi policiclici aromatici Se la temperatura dei gas all ingresso del filtro viene mantenuta al di sotto dei C una notevole quantità di sostanze organiche viene trattenuta dal filtro. Come si è già avuto occasione di dire, si è fatta l ipotesi che il particolato trattenuto dal filtro adsorba le sostanze organiche ivi compresi gli IPA. Le analisi effettuate ne danno la conferma. Pag. 13 di 26

14 IDROCARBURI POLICLICI AROMATICI determinati sul particolato raccolto dal FILTRO ( gas di scarico a 105 ) aver percorso 1600 KM Principio Attivo CAMP N 1 CAMP N 2 Valore Medio Naftalene ug/kg Acenaftilene < 10 < 10 < 10 ug/kg Acenaftene < 10 < 10 < 10 ug/kg Fluorene < 10 < 10 < 10 ug/kg Fenantrene ug/kg Antracene < 10 < 10 < 10 ug/kg Fluorantene ug/kg Pirene ug/kg Trifenilene + Crisene ug/kg Benzo (a) antracene ug/kg Benzo(b) + (k) fluorantene ug/kg Benzo(a)pirene ug/kg Indeno(1,2,3 cd) pirene < 10 < 10 < 10 ug/kg Dibenzo(a, h) antracene < 10 < 10 < 10 ug/kg Benzo(g,h,i)perilene < 10 < 10 < 10 ug/kg TOTALE ug/kg 153,8 mg di IPA/Kg di polvere raccolta dal FILTRO mg/kg di SOSTANZE ORGANICHE E perfettamente visibile lo strato di particolato e sostanze organiche depositato: data la presenza della carta ondulata il deposito è perfettamente uniforme su tutti i 24 mq di superficie del filtro. Tale strato rimane indisturbato per tutta la vita della cartuccia: l ipotesi di lavoro è che esso possa trattenere anche particelle ben inferiori al micron. Vedi allegato #1 Pag. 14 di 26

15 Le misure opacimetriche Sono state effettuate misure mediante l opacimetro che, come si sa lo strumento più diffuso per il rilascio del Bollino Blu. La prova è stata effettuata in accelerazione libera sia senza che con filtro. La media delle misure senza il filtro è risultata 23.2 %, mentre col filtro il risultato è stato 0.6 %. Grazie ad una ricerca della DaimlerChrysler AG (vedi appendice D) si può risalire dal valore opacimetrico al valore del contenuto di micropolveri determinato col metodo termo-gravimetrico. La correlazione è data C= k * ln(100/ (100-(T-To)) ove c = contenuto di particolato in g/mc k = fattore di calibrazione in g/mc T = opacità in percentuale To = opacità a contenuto nullo in percentuale. Dal confronto colla termo-gravimetria il fattore di calibrazione è risultato essere Applicando tale formula la concentrazione corrispondente al valore 23.2 % (valore dell opacità all ingresso) è risultato 62,8 mg/mc mentre allo 0.8 % (valore della opacità all uscita) corrisponde una concentrazione di 1.91 mg/ mc. L efficienza risulta quindi essere (62,8-1.91)/62,8 = 97 %. La differenza col valore del 90 % risultato dalle misure di ARPA deriva dal contenuto di particolato notevolmente maggiore prima del filtro dovuto alle accelerazioni, come si era ipotizzato, mentre il valore dopo il filtro è uguale a quello determinato da ARPA. Pag. 15 di 26

16 Le verifiche del VERT Si riassumono le indagini sul sistema di filtraggio per particolato Endeavour DPF (Diesel Particulate Filter) con diverse cartucce in carta su di un motore di costruzione Liebherr. Le caratteristiche del motore sono: Costruttore Liebherr Machines Bulle A.A. Bulle/friborg Tipo D914 T Cilindrata 6110 cm3 Numero di giri/min 2000 Potenza 105 kw Modello 4 cilindri in linea Modalità di combustione Iniezione diretta Pompa Bosch Sovralimentazione Turbocompressore senza intercooler Anno di progettazione 1986 Applicazione in campo 1988 Le caratteristiche del gasolio e dell olio lubrificante possono essere desunte dal rapporto originale allegato. Queste cartucce rimovibili erano state preventivamente usate a coppie su autobus in diversi periodi ( km) e con diverse temperature di ingresso dei gasi scarico ( C). Simbolo Obiettivo della ricerca Applicazione sull autobus CA1- CA2 nuovo a 110 C nuovo CB1-CB2 > 50 km 110 C 51 km 145 C CC1-CC2 > 500km 110 C 628 km 145 C CDA1-CDA2 > 1000 km 110 C 1309 km 145 C CDB1-CDB2 > 1000 km 110 C 1303 km 175 C CE1-CE2 > 3000 km 110 C 5578 km 145 C CF1-CE2 > 2730 km 110 C 2371 km 165 C Le cartucce indicate in grassetto sono state investigate. Nell apparato di prova è stato inserito, analogamente a quanto installato sull autobus uno scambiatore di calore a monte del contenitore delle cartucce in modo da abbassare la temperatura dei gas di scarico. L apparato di prova è indicato allo schema seguente Pag. 16 di 26

17 Le indagini comprendono tutte le misure e le valutazioni che sono state portate avanti sui motori impiegati sui cantieri nell ambito delle finalità del progetto VERT. La distribuzione granulometrica del particolato è stata sistematicamente misurata oltre ai parametri operativi usuali dei motori, le emissioni inquinanti volatili e le emissioni ponderali di particolato. Le analisi sono state effettuate a due punti di funzionamento del motore con filtro nuovo e con filtro usato dopo 0 km, 51 km, 1309 km, 2730 km e 5578 km. Per confermare i vantaggi di raffreddare i gas prima del DPF e di conseguenza più deposito di idrocarburi condensati (e di PAH, cioè Polyciclic Aromatic Hydrocarbons altamente cancerogeni) nel filtro, la temperatura del gas prima del filtro è stata variata e una analisi dei PAH nella fase gassosa e nei residui solidi rimasti nel filtro è stata effettuata. Pag. 17 di 26

18 Per ciò che concerne la efficienza di filtrazione si fa riferimento alla figura seguente ove è riportata una delle prove (CE km) ove è possibile vedere rappresentato la distribuzione della concentrazione delle particelle per cm3 nel gas emesso dal motore Diesel in funzione del diametro delle particelle stesse, la distribuzione della concentrazione delle particelle per cm3 nel gas a valle del filtro e la relativa efficienza (in termini di numero di particelle) insieme al valore della penetrazione che è il rapporto tra la porzione di particelle che attraversano il filtro per cm3 di gas e la concentrazione all ingresso. Vale la relazione penetrazione = 1 efficienza di filtrazione Concentrazione delle particelle prima del filtro milioni per cm3 Concentrazione delle particelle dopo il filtro per cm3 penetration = rapporto tra il numero di particelle che attraversano il filtro e il numero entrante = 1870/ =0,00011 Pzag= (1-0,00011)*100 = 99,989 % Pag. 18 di 26

19 Alle tabelle seguenti sono riportati i risultati di tutta la sperimentazione sia per ciò che riguarda la efficienza di filtrazione in massa (PMAG) che in numero di particelle (PZAG) Si può notare come la cartuccia nuova abbia una capacità filtrante inferiore sia in massa che in numero di particelle in quanto lo strato di particolato, che costituisce il vero media filtrante, non si è ancora formato. Nella realtà, da prove effettuate e più volte ripetute, la piena efficienza di raggiunge dopo una percorrenza di circa 20 km. Pag. 19 di 26

20 Escludendo l iniziale processo di maturazione, l efficienza in massa PMAG superiore al 90% mentre quella in numero di particelle PZAG è superiore al 99,8 % La differenza tra PMAG e PZAG è sostanziale. Una recente pubblicazione a cura di dimostra che un motore Euro 5 emette numero di particelle per kwh inaccettabile, pur rispettando le emissioni in massa.. (Vedi alllegato # 3 Fuel effects on the characteristics of particle emissions from advanced engines and vehicles Concave Brussel January 2005) Su questa linea si stanno preparando nuove normative University of Applied Sciences Biel-Bienne, Switzerland IC-Engines and Exhaust Gas Control Emissions of solid particles from Diesel engines gravimetric counts PM particulate matter actual Legislation PN particle number new Regulation Pag. 20 di 26

21 La misura della riduzione della fumosità è riportata ai diagrammi seguenti. La prova a free acceleration consiste nella misura della opacità dei gas di scarico dopo una brusca variazione del numero dei giri del motore senza carico. Pag. 21 di 26

22 Il beneficio dovuto al filtro è evidente. Si noti che l opacità misurata su cartucce con più di 1000 km di percorrenza è dello 0,9 %, come è possibile desumere dal rapporto. Per ciò che concerne la capacità di adsorbimento degli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) o PAH (Policyclic Aromatic Hydrocarbon) l istogramma che segue da conferma delle capacità di adsorbimento del filtro. PAH per m 2 of filter paper at 145 C total PAH 3-ring PAH 4- to 6-ring PAH µg PAH / m km / CB2 628 km / CC1 5'578 km / CE2 mileage / filter code Le conclusioni I commenti dei responsabili delle prove possono essere così riassunti: il sistema DPF Endeavour riduce bene le PM con una cartuccia usata (che ha percorso 50 km) si ha una filtrazione efficiente delle nanoparticelle (fino al 99,99 %) con le cartucce usate (vedi sopra) si ha l eliminazione completa del fumo in accelerazione (valori opacimetrici nulli) le cartucce nuove hanno bisogno di una maturazione (circa 50 km, in pratica meno di 20 km) per raggiungere la massima efficienza il raffreddamento del gas prima del DPF fino a C è vantaggioso in quanto consente una maggiore separazione di idrocarburi condensati. Il sistema DPF messo a punto da Endeavour è uno strumento di separazione efficiente sia per il soot (misto di fuliggine ed incombusti) che per le nanoparticelle. Tuttavia va sottolineato che sono condizioni necessarie l esistenza di idonei servizi ed una manutenzione appropriata, il corretto funzionamento del controllo di sicurezza elettronico, e la sostituzione e lo smaltimento delle cartucce. Pag. 22 di 26

23 Queste necessità di base possono essere soddisfatte solo con una informazione adeguata, con una motivazione e con una organizzazione di lavoro disciplinata. Nella pratica la gestione condotta su tre autobus della ACFT per due anni è molto semplice Da un punto di vista della qualità del prodotto e della efficienza di filtrazione il sistema DPF Endeavour soddisfa i criteri delle prove sui filtri del VERT e può essere raccomandato agli utenti. Per ulteriori informazioni si rimanda al report dei Responsabili delle prove, allegato # 2 dal titolo :VERT Filter test with the ENDEAVOUR paper soot filter on the Liebherr D914T engine Pag. 23 di 26

24 Appendice A Le caratteristiche della carta 50/40 (F ). - Air filter test result - Efficiency 0,3-0,4 µm (%) Pressure (Pa) Time ( min ) Lato FELTRO UP Lato TELA UP 50/40 (F ) - Air filter test result - Initial efficiency ( % ) ,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,7 0, ,3 1,3-1,7 1,7-2,3 2,3-3,1 3,1-4,2 4,2-5,6 Lato FELTRO UP Particle size ( µm ) Lato TELA UP Pag. 24 di 26

25 Foto al microscopio elettronico della carta impiegata La stessa dopo intasamento Pag. 25 di 26

26 . Pag. 26 di 26