Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 2: Consumi ed emissioni degli
autoveicoli.
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
Argomenti
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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:
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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:
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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
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Energia consumata dal motore nello spostamento
E
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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?
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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?
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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
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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:
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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
