02 - Consumi ed emissioni degli autoveicoli
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Corso di Sistemi di Trazione Lezione 2: Consumi ed emissioni degli autoveicoli. A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015 Argomenti • • • • • • Definizioni di consumo ed emissioni Resistenze e forze che sono alla base del consumo energetico del veicolo Le perdite di energia nel power train Le reazioni chimiche della combustione ideale e reale Emissioni e concentrazioni Le specie inquinanti emesse e come si formano: – – – – – • • Monossido di carbonio Ossidi di azoto Idrocarburi incombusti Particolato Anidride carbonica CO NOx HC (o VOC) PM CO2 Metodi e strumenti per la misura di consumi ed emissioni del veicolo Modelli di emissione “macro” per il calcolo delle emissioni di un flusso di traffico Obiettivi • Definire il consumo e l’inquinamento del singolo veicolo, in particolare: – – – – perché i veicoli consumano; perché emettono; cosa emettono; e come si valuta l’impatto ambientale del veicolo. • Definire consumo e inquinamento del flusso di veicoli, in particolare: – quali fattori influenzano l’impatto ambientale del flusso; e – come si valuta l’impatto ambientale del flusso. Definizioni • Consumo – Si definisce consumo la quantità di energia (combustibile) consumata dal veicolo nell’unità di percorrenza (kWh/km o g/km comunemente km/l o l/100km) • Emissioni – Si definiscono emissioni (nocive) le sostanze rilasciate dal veicolo in atmosfera nocive per la salute o per l’ecosistema Perché i veicoli consumano • Il veicolo per muoversi consuma energia – per vincere le resistenze passive • aerodinamica • e di rotolamento – per superare le pendenze – per accelerare Perdite di energia del veicolo Potenza e consumo energetico • Potenza erogata dal motore Pe • vR a R r Fg Fi ηt Energia consumata dal motore nello spostamento E tf ti Pe dt Perché i motori emettono? • La reazione chimica di combustione ideale: CnHm+ (n+m/4) O2 = n CO2 + m/2 H2O • La reazione chimica di combustione reale: CnHm+ (n+m/4) O2 + N2= (n-a-yb) CO2 + a CO+ b HxCy +c NO + (a/2-yb+bx/4-c/2) NO2 + (m/2-bx/2) H2O La differenza tra emissione e concentrazione • Emissioni sono le sostanze rilasciate dal tubo di scappamento di un veicolo. • Concentrazioni sono le quantità di sostanze emesse presenti nell’aria. • Le seconde dipendono dalla dispersione delle prime. Cosa emettono i motori? • • • • • • Monossido di carbonio Ossidi di azoto Idrocarburi incombusti Particolato Anidride carbonica Altri CO NOx HC (o VOC) PM CO2 Monossido di Carbonio CO • Viene formato nelle combustioni che avvengono in scarsità di ossigeno (o molto veloci). • È estremamente tossico perché si combina indissolubilmente con l’emoglobina. • In presenza di ossigeno reagisce spontaneamente formando CO2. Ossidi di Azoto NOx • Si producono in combustioni ad altissima temperatura in abbondanza di ossigeno (o molto veloci). • Sono nocivi per l’uomo: provocano danni al sistema nervoso. • Sono nocivi per l’ambiente: in atmosfera si combina con l’acqua dando origine all’acido nitrico uno dei responsabili delle piogge acide. Idrocarburi incombusti HC (o VOC) • Risultano dalla non perfetta combustione dovuta a scarsità d’ossigeno. • Molte sostanze si definiscono HC dal metano (CH4) che è innocuo per l’uomo al benzene (C6H6) altamente cancerogeno. • Si ricombinano naturalmente con l’ossigeno per completare il processo ma con estrema lentezza. Necessitano di catalisi. Particolato (PM) • Particelle carboniose incombuste. Si generano quando il combustibile è parzialmente liquido. • Alcuni diametri (es. 10 ) vengono inalati provocando danni all’apparato respiratorio. • È responsabile del fumo nero emesso dai veicoli e presente in atmosfera. • Viene lavato dall’atmosfera dalla pioggia. Anidride Carbonica (CO2) • Normale prodotto della combustione. • Non nocivo per l’uomo se non in grandi quantità ed in scarsità di ossigeno. • Nocivo per l’ambiente perché responsabile dell’effetto serra. • Unica contromisura possibile è la riduzione dei consumi. La misura dell’impatto ambientale del veicolo • La misura delle emissioni al tubo di scappamento – Misure di omologazione • su banchi a rulli • lungo i cicli di marcia di omologazione (o RWDC) – Misure in strada • strumentazione portatile (meno precisa) installata a bordo • variabilità di ciclo di marcia e condizioni ambientali Ciclo di marcia NEDC 140 10 9 120 8 100 7 6 80 5 60 4 3 40 2 20 1 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1° Sottociclo urbano 2° Sottociclo urbano 3° Sottociclo urbano 4° Sottociclo urbano Sottociclo extraurbano Marcia Il banco a Rulli ENEA Strumentazione per la misura diretta delle emissioni HORIBA OBS 1300 CO CO2 HC NOx Exhaust temperature Exhaust pressure Ambient temperature Ambient pressure Ambient humidity Vehicle velocity Engine revolution GPS Strumentazione per misura emissioni installata a bordo Quali fattori influenzano l’impatto ambientale del flusso? • • • • • • I veicoli L’orografia Gli stili di guida I carburanti Le condizioni ambientali La durata dello spostamento (la temperatura di funzionamento del motore e del catalizzatore) Come si valuta l’impatto ambientale del flusso? • Misure dirette – Centraline di rilevamento a bordo strada • Stime tramite modelli – Modelli di emissione • Modelli macroscopici (flusso) • Modelli microscopici (singolo veicolo) – Modelli di dispersione • Effetto canyon Modelli di emissione “macro” • Utilizzano grandezze medie del flusso – valore del flusso – velocità media sull’arco • Ottengono le emissioni moltiplicando il flusso per un “fattore di emissione” – il fattore di emissione dipende dalla velocità media d’arco – le leggi di dipendenza sono ottenute sperimentalmente (COPERT) Conclusioni • Solo un 15% circa dell’energia consumata dal veicolo è realmente impiegata per vincere le resistenze al moto; percentuale che un veicolo innovativo può aumentare: – – – – – • • • • migliorando l’efficienza del motore; riducendo i tempi a veicolo fermo e motore acceso; riducendo il consumo degli ausiliari; riducendo le perdite nella trasmissione; recuperando l’energia di frenatura. Le sostanze inquinanti sono tutte eliminabili completamente tranne la CO2 che è direttamente legata al consumo All’atto dell’omologazione le emissioni di un veicolo per marca e modello vengono misurate su un banco a rulli lungo un ciclo di marcia convenzionale; le emissioni su strada differiscono significativamente da questi valori Le emissioni del singolo veicolo su strada si possono misurare con delle strumentazioni “portatili” Le emissioni dell’intero flusso normalmente non si misurano ma si quantificano convenzionalmente tramite dei modelli semplificati che usano flusso, composizione del parco veicolare e velocità del flusso come uniche variabili di input
