LE NUOVE TECNOLOGIE PER LA RIDUZIONE DELLE...
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EXPERT PANEL EMISSIONI DA TRASPORTO SU STRADA EXPERT PANEL EMISSIONI DA TRASPORTO SU STRADA RIUNIONE STRAORDINARIARIUNIONE STRAORDINARIA
Firenze, 7 febbraio 2006
LE NUOVE TECNOLOGIE PER LA RIDUZIONE LE NUOVE TECNOLOGIE PER LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI INQUINANTI DEGLI DELLE EMISSIONI INQUINANTI DEGLI
AUTOVEICOLI AUTOVEICOLI
FRANCESCO AVELLA
Stazione Sperimentale per i Combustibili
PROBLEMATICHE ATTUALI NELLA RIDUZIONE DELLE PROBLEMATICHE ATTUALI NELLA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLIEMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLI
Il principale obiettivo che il costruttore si propone per porre sul mercato autoveicoli conformi agli standard Euro 4 (dal 2006) ed Euro 5 (dal 2008) riguarda la riduzione degli NOx emessi dai motori a benzina G-DI lean-burn e del particolato e degli NOx emessi dai motori diesel
Particolarmente difficile sarà la riduzione contemporanea delle emissioni di queste due specie inquinanti dei motori diesel perché ostacolata dalla ben nota relazione di trade-off NOx - PM
Un altro ambizioso obiettivo riguarda il contenimento dei consumi di combustibile al fine di limitare l’emissione dell’anidride carbonica, in ottemperanza al Protocollo di Kyoto, al valore auspicato di 140 g/km entro il 2008 e 120 g/km entro il 2012
Entrambi questi obiettivi non possono essere raggiunti soltanto attraverso l’applicazione delle nuove tecnologie motoristiche, ma occorre ricorrere anche all’introduzione di dispositivi catalitici di post-trattamento dei gas di scarico, sensibili alla qualità dei combustibili (World-Wide Fuel Charter)
STRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTISTRATEGIE PER RIDURRE LE EMISSIONI INQUINANTI
Riduzione delle emissioni attraverso ilperfezionamento del propulsore
nuovo disegno della camera di combustione (motori ID e lean-burn)impiego di sistemi di iniezione a elevata pressione (common rail, pompa iniettore)elettronica per il controllo di: EGR, fasatura di accensione e di iniezione, fasatura valvole
Applicazione didispositivi di post-trattamento dei gas di scarico
catalizzatori TWC di nuova generazione per auto a benzina e a gascatalizzatori ossidanti per motori dieselcatalizzatori de-NOx SCR e NSCfiltri per particolato C-DPF e CR-DPF
SCHEMA DI UN CONDOTTO DI SCARICO AVANZATO PER SCHEMA DI UN CONDOTTO DI SCARICO AVANZATO PER MOTORE DIESEL A BASSO IMPATTO AMBIENTALEMOTORE DIESEL A BASSO IMPATTO AMBIENTALE
catalizzatore selettivo de-NOx (SCR)
catalizzatore ossidante filtro del particolato (CR-DPF)
catalizzatore di NO2
EDC
sensore di NOxsensore di
temperaturasensore di
∆p
condizioni operative del
motoreCPU
CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE CONVERTITORE CATALITICO TRIFUNZIONALE ((ThreeThree--Way Way Catalyst Catalyst -- TWC)TWC)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 100 200 300 400 500 600 700
tenore di zolfo [mg/kg]
NM
HC
, NO
x [g
/mi]
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
CO
[g/m
i]
NMHC NOx CO
VW Jetta a benzina con motore 2.0 l e TWC - US-FTP '75
RIGENERAZIONE
A differenza del Pt, il Pd è più sensibile all’avvelenamento da parte dello zolfo nella benzina
Il processo di avvelenamento (accumulo di solfati) è solo parzialmente reversibile: il recupero di efficienza non è mai completo con benzina ULS
1. monolito a nido d’ape2. isolante termico3. involucro4. collettore ingresso gas
Nei sistemi più avanzati il Pd sostituisce il Pt per aumentare la stabilità termica e permettere di avvicinare il TWC al collettore di scarico del motore per ridurre il tempo (temperatura) di light-off
Metalli attivi:Metalli attivi: PtPt // PdPd / / RhRh
CATALIZZATORE OSSIDANTE PER MOTORI DIESEL CATALIZZATORE OSSIDANTE PER MOTORI DIESEL ((Oxy CatOxy Cat))
Particolarmente sensibile alla presenza di zolfo nel gasolio: si riduce col tempo l’efficienza di conversione
Recupero di funzionalità mai completo, anche dopo lungo esercizio dell’autoveicolo con gasolio ULS
0
20
40
60
80
100
120
80 120 160 200 240
temperatura dei gas di scarico prima del catalizzatore [°C]
conv
ersio
ne d
i CO
[%]
gasolio (S = 350 mg/kg) gasolio svedese (S < 10 mg/kg)catalizzatore nuovo
motore VW 1.9 TDicarico parziale
Struttura a nido d’ape simile a quella del TWC
In grado di ridurre con elevata efficienza soltanto le emissioni di CO e di HC e, in parte, del particolato (SOF)
Metalli attivi:Metalli attivi: PtPt // Pd Pd
TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO ((NOxNOx StorageStorage Catalyst Catalyst -- NSC)NSC)
1/21/2
Dispositivo ceramico a nido d’ape molto efficace nel cui wash-coat è presente BaO per “intrappolare” gliNOx.
Idoneo per i motori G-DI lean-burn e i propulsori diesel leggeri
Rigenerazione (Riduzione)
Assorbimento (Ossidazione)
Processo di “assorbimento”
ossidazione dell’NO a NO2
formazione di Ba(NO3)2
Processo di “rigenerazione”
innalzamento della temperatura dei gas di scarico attraverso l’arricchimento momentaneo (pochi secondi) della miscela combustibile /aria
decomposizione del Ba(NO3)2 in N2 eBaO/BaCO3
Metalli attivi:Metalli attivi: PtPt // PdPd -- BaOBaO
TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO TRAPPOLA PER GLI OSSIDI DI AZOTO ((NOxNOx StorageStorage Catalyst Catalyst -- NSC)NSC)
2/22/2Fortemente sensibile all’avvelenamento da zolfo presente nei combustibili: formazione di BaSO4, sostanza più stabile del Ba(NO3)2, è competitiva con quella del nitrato
Perdita di efficienza molto rapida
0
10
20
30
4050
60
70
80
90
100
0 2000 4000 6000 8000 10000
distanza [km]
conv
ersi
one
di N
Ox
[%]
8 mg/kg S 30 mg/kg S 50 mg/kg S
autovettura a benzina Euro 3 - avviamento a regime termico
Dati VW
Accumulo di BaSO4: maggiore frequenza di rigenerazione della trappola e durata del processo più elevata
Effetto: incremento del consumo di combustibile e dell’emissione della CO2
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
contenuto di zolfo nella benzina [mg/kg]
inte
rval
lo d
i des
olfa
tazi
one
[km
]
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
incr
emen
to d
i con
sum
o [%
]
distanza consumoDati BMW
CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI CATALIZZATORE SELETTIVO DI RIDUZIONE DEGLI NOxNOx((SelectiveSelective CatalystCatalyst ReductionReduction System System -- SCR)SCR)
Principio di funzionamento basato sulle proprietà riducenti dell’ammoniaca (generata da urea in soluzione acquosa) per formare azoto e acqua
Sistema costruttivamente complesso: tre sezioni catalitiche per idrolisi, riduzione SCR e sorveglianza per controllo di emissione in atmosfera di ammoniaca non reagita
INIEZIONE DI UREA
GAS ESAUSTI
oxycat idrolisi di
urea UREA catalizzatore
SCR clean up Metalli attivi:Metalli attivi:V / W / TiV / W / Ti
Iniezione della soluzione controllata tramite OBD e sensore di NOxBassa sensibilità allo zolfo nel gasolio: deattivazione (reversibile) causata dalla formazione di bisolfato di ammonio
FILTRO CATALITICO PER IL PARTICOLATO FILTRO CATALITICO PER IL PARTICOLATO ((Catalytic Catalytic Diesel Diesel Particulate FilterParticulate Filter -- CC--DPF)DPF)
1/21/2
Costituito da un monolito a nido d’ape di SiC, in cui le celle sono chiuse in modo alternativo da un lato per potere filtrare in continuo i gas di scarico trattenendo il particolato Ingresso gas di
scarico
Uscita gas di scarico
Monolito in SiC a nido d’ape
dinamica della deposizione del particolato sul filtro
02468
10121416
0 20 40 60 80 100
massa di particolato raccolta sul filtro, g
contropressione, kPa
flusso
flusso
diffusione normale e turbolenta
(Dp < 200 nm)
intercettazione e impatto inerziale
(Dp > 200 nm)
PROCESSO DI RIGENERAZIONE DEL FILTRO PROCESSO DI RIGENERAZIONE DEL FILTRO ((Catalytic Catalytic Diesel Diesel Particulate FilterParticulate Filter -- CC--DPF)DPF)
2/22/2
principio di rigenerazione del CDPF (FAP)
0
100
200
300
400
500
600
∆T = 100 °Ceffetto del catalizzatore al cerio
post combustione catalitica degli HC
effetto dell'iniezione secondaria
∆T = 100 °C
∆T = 200 °C
temperatura, °C
alcuni sistemi impiegano anche un catalizzatore a base di cerio disperso nel combustibile (fuel-born catalyst) per favorire la combustione della coltre di fuliggine
Processo di “rigenerazione”
innalzamento della temperatura dei gas di scarico a valori > 600 °C attraverso l’arricchimento momentaneo (pochi secondi) della miscela combustibile /aria
l’arricchimento della miscela è realizzato attraverso la gestione pilotata elettronicamente di alcuni organi del motore che intervengono sul processo di combustione: attuazione di iniezioni multiple, regolazioni di: fasatura di iniezione, flusso d’aria aspirata, sovralimentazione
TRAPPOLA A RIGENERAZIONE CONTINUA TRAPPOLA A RIGENERAZIONE CONTINUA ((Continuous RegeneratingContinuous Regenerating Diesel Diesel Particulate FilterParticulate Filter -- CRCR--DPF)DPF)
Dispositivo filtrante, noto anche come CRT©, in grado di ossidare in continuo il particolato trattenuto sulla sua superficie impiegando come comburente NO2 in sostituzione dell’O2
ingresso gas
sezione catalitica
sezione filtrante
uscita gas depurati
catalizzatore ossidante
filtro a nido d’ape
ingresso gas
sezione catalitica
sezione filtrante
uscita gas depurati
catalizzatore ossidante al Pt
filtro a nido d’ape
CRT® (Johnson Matthey)
meccanismo di funzionamento
NO + ½ O2 → NO2
2NO2 + 2C → N2 + 2CO2
NO2 generato dall’ossidazione di una parte di NO presente nei gas di scarico, mediante un catalizzatore ossidante a base di Pt posto prima del filtro
Sistema applicabile anche come retrofit per autoveicoli diesel pesanti (bus, veicoli commerciali)
CAUSE DI PERDITA DI EFFICIENZA DEI FILTRICAUSE DI PERDITA DI EFFICIENZA DEI FILTRI
Deterioramento nel tempo (accumulo chilometraggio) del DPF causato da:
Origine delle cenerizolfo nel combustibileadditivi a base metallica nel lubrificantemateriali metallici da usura materiali minerali dispersi nell’aria di combustione aspirata dal motore
emissione di particolato dopo il CRT (prova ESC)
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0 10 20 30 40 50tenore di zolfo [mg/kg]
emis
isone
par
ticol
ato
[g/k
Wh]
JM = Johnson Matthey
IMF = Iveco Motorenforschung Arborn
limite Euro 4 - Euro 5
zolfo nel combustibile: porta a una perdita di efficienza di rigenerazione determinata dalla reazione competitiva dell’ossidazione dell’SO2 a SO3 rispetto a quella dell’NO a NO2 con incremento del consumo
accumulo progressivo di ceneri che tendono a intasare i pori del filtro e ad aumentare la contropressione allo scarico del motore
ESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRIESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRI1/21/2
Progetti sperimentali dimostrativi su autoveicoli diesel pesantiProgetti sperimentali dimostrativi su autoveicoli diesel pesanti
Programma MTA 2000/2001 in New York City[SAE technical paper 2001-01-0511, SAE 2002-01-0430]25 autobus urbani dello stesso modello in servizio a New York City
Programma CARB 2000/2001 in Sud California[SAE technical paper 2001-01-0512]32 autoveicoli di varia tipologia (bus, scuola bus, autocarri, furgoni)
Tutti gli autoveicoli erano equipaggiati con CRTTM (retrofit) e alimentati con gasolio ULS (S < 30 mg/kg)
Eseguito il controllo in esercizio dei parametri di funzionamento del CRT e delle emissioni a intervalli regolari con differenti cicli di guida reali di alcuni autoveicoli campione
ESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRIESPERIENZE SULL’APPLICAZIONE PRATICA DEI FILTRI
2/22/2
Progetti sperimentali dimostrativi nazionali Progetti sperimentali dimostrativi nazionali
Programma di prove (EniTecnologie – ATM Milano)[Forum Mobilità e Territorio, Milano, 19 febbraio 2003]
Prove su uno dei 30 autobus Euro 2 di ATM equipaggiati con CRTTM in servizio a Milano e alimentati con gasolio ULS (S < 10 mg/kg)
Controllo delle emissioni impiegando il ciclo di guida reale ATM 61
Prove su autovettura Peugeot FAP (QuattroRuote - SSC)[La Rivista dei Combustibili, 56, 4-5, 2002]
Peugeot 307 FAP a confronto con un’autovettura diesel convenzionale Euro 3, entrambe alimentate con gasolio convenzionale e con gasolio ULS
Controllo delle emissioni con il ciclo di guida standard europeo (NEDC)
EFFETTO DEL FILTRO ANTIPARTICOLATO SULLE EFFETTO DEL FILTRO ANTIPARTICOLATO SULLE EMISSIONI INQUINANTIEMISSIONI INQUINANTI
riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRT® e del FAP
-94,0 -93,0
4,0
-88,0-90,0-100,0
2,0
-94,0-88,1
-94,9
0,4
-95,7
-73,8-66,6
-19,3
-86,2
-120,0
-100,0
-80,0
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
20,0
CO THC NOx PM
vari
azio
ne %
NYC CARB EniTecnologie/ATM Quattroruote/SSC
ULTERIORI RISULTATI DEL ULTERIORI RISULTATI DEL
PROGRAMMA DI NEW YORK CITYPROGRAMMA DI NEW YORK CITY
riduzione delle emissioni con l'applicazione del CRTTM
-90,0
-80,0
-90,0 -93,0
-120,0
-100,0
-80,0
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
20,0
aldeidi IPA N-IPA numero particelle
varia
zion
e %
30 nm - 1 µm
EFFETTO DEL FAP SULL’EMISSIONE DEL PMEFFETTO DEL FAP SULL’EMISSIONE DEL PM1010
EFFETTO SULL’EMISSIONE DI EFFETTO SULL’EMISSIONE DI PARTICOLATO FINE (< 10 PARTICOLATO FINE (< 10 µµm)m)
DETERMINATO DALLA DETERMINATO DALLA APPLICAZIONE DI UN FILTRO APPLICAZIONE DI UN FILTRO CDPF (FAP) SUL CONDOTTO DI CDPF (FAP) SUL CONDOTTO DI
SCARICO DI UNA AUTOVETTURA SCARICO DI UNA AUTOVETTURA DIESEL DI NUOVA GENERAZIONEDIESEL DI NUOVA GENERAZIONE
MISURE DI EMISSIONE ISTANTANEA DEL NUMERO DI PARTICELLE ESEGUITE ALLA
STAZIONE SPERIMENTALE PER I COMBUSTIBILI (SSC) PER CONTO DELLA
RIVISTA “QUATTRORUOTE” SU UNA AUTOVETTURA PEUGEOT 307 FAP NUOVA E DOPO 100.000 KM PERCORSI SU STRADA, A
CONFRONTO CON QUELLE DI UNA AUTOVETTURA PEUGEOT 406
CONVENZIONALE 1,0E+06
1,0E+07
1,0E+08
1,0E+09
1,0E+10
1,0E+11
1,0E+12
1,0E+13
0 780Tempo [s]
PM10
[N/s
]
x 10000
GASOLIO ULSD
Peugeot 406 Peugeot 307 FAP nuova Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
Ciclo di guida NEDC
0
40
80
120
Velo
cità
[km
/h]
DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PMDISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PM1010PROVE QUATTRORUOTE / SSC PROVE QUATTRORUOTE / SSC
1/21/2
0,0E+00
5,0E+11
1,0E+12
1,5E+12
2,0E+12
0,01 0,1 1 10
Dp [µm]
Num
ero
[N/s
]
0,0E+00
5,0E+11
1,0E+12
1,5E+12
2,0E+12
0,01 0,1 1 10Dp [µm]
Num
ero
[N/s
]
0,0E+00
2,0E+07
4,0E+07
6,0E+07
8,0E+07
0,01 0,1 1 10Dp [µm]
Num
ero
[N/s
]
0,0E+00
5,0E+06
1,0E+07
1,5E+07
2,0E+07
0,01 0,1 1 10
Dp [µm]
Num
ero
[N/s
]
Distribuzione dimensionale del particolato in numero - gasolio ULSPEUGEOT 406
cicl
odi
guid
aur
bano
cicl
o di
gui
da e
xtra
urba
no
PEUGEOT 307 FAP
ciclo di guida UDC
1,00E+03
1,00E+05
1,00E+07
1,00E+09
1,00E+11
1,00E+13
1,00E+15
0,010 0,100 1,000 10,000
diametro aerodinamico medio [µm]
dN/d
Log
Dp
[N/k
m]
Peugeot 406 Peugeot 307 FAP nuova Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
ciclo di guida EUDC
1,00E+03
1,00E+05
1,00E+07
1,00E+09
1,00E+11
1,00E+13
1,00E+15
0,010 0,100 1,000 10,000
diametro aerodinamico medio [µm]
dN/d
Log
Dp
[N/k
m]
Peugeot 406 Peugeot 307 FAP nuova Peugeot 307 FAP dopo 100.000 km
Dopo 100.000 km percorsi è stata osservata una perdita di efficienza del filtro antiparticolato in tutta la gamma dimensionale delle particelle soltanto nel ciclo extraurbano
SI PUSI PUÓÓ GENERALIZZARE GENERALIZZARE QUESTO RISULTATO?QUESTO RISULTATO?
DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PMDISTRIBUZIONE DIMENSIONALE DEL PM1010PROVE QUATTRORUOTE / SSC PROVE QUATTRORUOTE / SSC
2/22/2