FATTORI DI EMISSIONE DI PARTICOLATO DEI VEICOLI

DIESEL

Cinzia Pastorello, L. Ntziachristos, Z. Samaras

Laboratory of Applied ThermodynamicsDepartment of Mechanical EngineeringAristotle University of Thessaloniki

Expert Panel sulle “Emissioni da trasporto su strada”ARPA TOSCANA – Firenze , 07/02/06

Analizzare la relazione tra fattori di emissione e velocitàmedia di un ciclo di guida

Effetto sulle emissioni del miglioramento dellatecnologia

Effetto sulle emissioni della riduzione del contenutodi zolfo nel combustibile

Analisi di varianza Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve di

dipendenza dalla velocità media

massa [g km-1]superficie attiva [cm2 km-1]

numero di particelle totali [# km-1]numero di particelle solide [# km-1]

distribuzione del numero di particelle [dN dlogdp-1]

Obiettivi

SecondaryDilution

DiffusionCharger

SMPS orDMA/CPC

ELPI

SecondaryDilution

AgingChamber

Heater

Denuder

3 bar3 bar

CoolingWaterInlet

Exhaust

Mass FlowController

SilicaGel

CharcoalHEPAFilter

3 bar

Water Flowon/off Valve

Dilution Air Line

Sample Line

Filter

Flowmeter

Sistema di campionamento

Primary Dilutor

Mass Flow Controller

Thermodenuder

SMPS andELPI

CPC

Dati acquisiti

1 testTPSMassaImpattatoregravimetrico

1 s (transient)7nm-1µmSuperficie attivaDiffusion Charger

1 s (transient)8 canali: 7nm-1µm

Numero di particelle solide

Electrical LowPressure Impactor

(ELPI) + thermodenuder (TD)

90 s (steady states)

64 canali: 7-450 nm

Distribuzione del numero di particelle

Scanning MobilityParticle Size (SMPS)

1 s (transient)>7 nmNumero di particelleCondensation ParticleCounter (CPC)

Risoluzione temporale

DimensioniProprietà del particolato

Strumento

Combustibili utilizzati

Veicoli

convenzionali 5 EURO III

2 EURO II

1 EURO Icon filtro per il particolato 5 veicoli

3D58D438D3

280D2

Contenuto di zolfo (mg/kg)Codice

Diesel

Cicli di guidaLegislativi UDC

EUDC

Reali ARTEMIS urbano

ARTEMIS extraurbano

ARTEMIS autostradale

ARTEMIS urbano

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 0 20 0 30 0 40 0 500 600 700 800 90 0 1 00 0

Urban dense Free-flow urban Congested, stop Congested, Flowing

low speed stable

Tempo [s]

Vel

ocità

[Km

h-1

]

Stazionari 50 km h-1

90 km h-1

120 km h-1

Cicli di guida

Legislativi UDC

EUDC

Reali ARTEMIS urbano

ARTEMIS extraurbano

ARTEMIS autostradale

Effetto sulle emissioni del miglioramento dellatecnologia

Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto dizolfo nel combustibile

Analisi di varianza

Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve didipendenza dalla velocità media

Risultati

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 20 40 60 80 100 120 140

Average speed [km/h]

PM m

ass

[g/k

m]

Euro II Euro III Euro III+DPFPoli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

1 – Effetto della tecnologia

Autoveicoli diesel, <= 2000cc

PMm

assa

[g/k

m]

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,E+00

1,E+05

2,E+05

3,E+05

4,E+05

5,E+05

6,E+05

7,E+05

8,E+05

0 20 40 60 80 100 120 140

Average speed [km/h]

PM a

ctiv

e su

rfac

e [c

m^2

/km

]

Euro II Euro III Euro III+DPFPoli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

Autoveicolo diesel, <= 2000cc

PM s

uper

ficie

attiv

a [c

m2 /k

m]

1 – Effetto della tecnologia

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,0E+00

5,0E+14

1,0E+15

1,5E+15

2,0E+15

2,5E+15

0 20 40 60 80 100 120 140

Average speed [km/h]

PM to

tal p

artic

le [#

/km

]

Euro II Euro III Euro III+DPFPoli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

Autoveicolo diesel, <= 2000cc

PM n

umer

o di

par

ticel

le to

tali

[#/k

m]

1 – Effetto della tecnologia

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

1,0E+14

1,0E+15

0 20 40 60 80 100 120 140

Average speed [km/h]

PM s

olid

par

ticle

[#/k

m]

Euro II Euro III Euro III+DPFPoli.(EURO II) Poli. (EURO III) Poli. (EURO III+DPF)

1 - Effetto della tecnologiaAutoveicolo diesel, <= 2000cc

PM n

umer

o di

par

ticel

le s

olid

e [#

/km

]

0,0,E+00

5,0,E+14

1,0,E+15

1,5,E+15

2,0,E+15

1 10 100 1000Mobility diameter [nm]

Euro II Euro III Euro III+DPF

1 - Effetto della tecnologiaPM

num

ero

di p

artic

elle

tota

li dN

/dlo

gdp

[km

-1]

Autoveicolo diesel, <= 2000cc, 50 km/h

1 10 100 1000Mobility diameter [nm]

Euro II Euro III Euro III+DPF

Autoveicolo diesel, <= 2000cc, 90 km/h

5

5

5Autoveicolo diesel, <= 2000cc, 120 km/h

Effetto sulle emissioni del miglioramento dellatecnologia

Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto dizolfo nel combustibile

Analisi di varianza

Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve didipendenza dalla velocità media

Risultati

For high speed cycle and all metrics , the D2 emission level are higher than the other measured fuelsDiesel, Euro III+DPF, >=1400 and <=2000 cc

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 20 40 60 80 100 120 140Average Speed [km/h]

PMm

[g/k

m]

D2 D3 D4 D5

PM m

ass

[g/k

m]

Autoveicoli diesel con DPF, <= 2000cc

2 - Effetto della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile

PM m

assa

[g/k

m]

Diesel, Euro III+DPF, >=1400 and <=2000 cc

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

0 20 40 60 80 100 120 140Average Speed [km/h]

PMsp

[#/k

m]

D2 D3 D4 D5

PM s

olid

par

ticle

[#/k

m]

Autoveicolo diesel DPF, <= 2000cc

PM n

umer

o di

par

ticel

le s

olid

e [#

/km

]2 - Effetto della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile

Diesel, Euro III+DPF, 50 km/h, >=1400 and <=2000 cc

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

1,0E+14

1,0E+15

1,0E+16

1 10 100 1000Mobility diameter [nm]

dN/d

logd

p [#

/km

-1]

D2 D3 D4 D5

Autoveicolo diesel DPF, <= 2000cc , 50 km/hDiesel, Euro III+DPF, 90 km/h, >=1400 and <=2000 cc

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

1,0E+14

1,0E+15

1,0E+16

1 10 100 1000Mobility diameter [nm]

dN/d

logd

p [#

/km

-1]

D2 D3 D4 D5

Autoveicolo diesel DPF, <= 2000cc , 90 km/h Diesel, Euro IV, 120 km/h, >=1400 and <=2000 cc

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

1.0E+13

1.0E+14

1.0E+15

1.0E+16

1 10 100 1000Mobility diameter [nm]

dN/d

logd

p [#

/km

-1]

D2 D3 D4 D5

Autoveicolo diesel DPF, <= 2000cc , 120km/h

2 - Effetto della riduzione del contenuto di zolfo nel combustibile

Effetto sulle emissioni del miglioramento dellatecnologia

Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto dizolfo nel combustibile

Analisi di varianza

Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve didipendenza dalla velocità media

Risultati

3 – Analisi di varianza

<= 40 km/h40-90km/h> = 90 km/h

Per valutare se, effettivamente, l’uso del filtro per il particolatoha effetto sulle emissioni.

Sono state considerate tre velocità medie :

Kruskal-Wallis test

3 - Analisi di varianza parametrica

PM massa

Risultati analoghi ottenuti per le altre caratteristiche del particolato: numero di particelle e superficie attiva

Esiste una differenza significativa tra EURO II, EURO III e EURO III+DPF per tutte le velocità medie

Non esiste una differenza significativa tra EURO II, EURO III per tutte le velocità medie

Efficacia del filtro per il particolato

EURO I II III DPF

Velocità media

<40 km/hVelocità media

40-90 km/hVelocità media

>90km/h

Chi-quadro 22,791 26,539 13,017

Gradi di libertà 3 3 3

Significatività ,001 ,001 ,005

3 - Analisi di varianza parametricaPM massa

Velocità media<40 km/h

Velocità media40-90 km/h

Velocità media>90km/h

Chi-quadro 6,604 3,691 2,136

Gradi di libertà 2 2 2

Significatività. ,037 ,158 ,334

Risultati analoghi ottenuti per le altre caratteristiche del particolato: numero di particelle e superficie attiva

Effetto sulle emissioni del miglioramento dellatecnologia

Effetto sulle emissioni della riduzione del contenuto dizolfo nel combustibile

Analisi di varianza

Utilizzo di sotto-cicli di guida per costruire le curve didipendenza dalla velocità media

Risultati

ARTEMIS extraurbano

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0C y c le t im e ( s )

Ve

hic

le s

pe

ed

(k

m/

h)

0

20

40

60

80

100

120

Ve

hic

le s

pe

ed

(k

m/

h)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100Cycle time (s)

Urban Unstable phase More stable Unstable phase Highway More Urban

stable

Cycle Cycle type Average speed[km/h] Duration [s]

Artemis Motorway_1 stable 122,5 272Artemis Motorway_2 unstable 103,4 173

Artemis Motorway 150_3 stable 125,4 182Artemis Motorway 150_4 unstable 133,6 109

Artemis Motorway_3 stable 117,6 182Artemis Motorway_4 unstable 119,7 109

Artemis Road_1 unstable phase 49,9 240Artemis Road_2 more stable phase 65,9 171Artemis Road_3 unstable phase 43,1 183Artemis Road_4 highway 78,6 177Artemis Road_5 more stable phase 87,5 91Artemis Urban_1 urban dense 15,5 236Artemis Urban_2 free flow urban 31,8 198Artemis Urban_3 congested, stops 8,7 243Artemis Urban_4 congested low speed 11,8 128Artemis Urban_5 stable 21,7 116

4 – Sottocicli di guida ARTEMIS

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

1,0E+14

1,0E+15

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Average speed [km/h]

PM s

olid

par

ticle

[#/k

m]

Euro II Poli.(EURO II) Poli.(EURO II) sub-cycle

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

1,0E+14

1,0E+15

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Average speed [km/h]

PM s

olid

par

ticle

[#/k

m]

Euro III Poli. (EURO III) Poli. (EURO III) sub-cycle

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

1,0E+14

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Average speed [km/h]

PM s

olid

par

ticle

[#/k

m]

Euro III+DPF Poli. (EURO III+DPF) Poli. (EURO III+DPF) subcycle

Autoveicolo diesel, <= 2000cc

PM n

umer

o di

par

ticel

le s

olid

e [#

/km

]

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

PM m

assa

[g/k

m]

Diesel EURO I Diesel EURO II Diesel EURO III Diesel DPF Benzina EURO I Benzina EURO III

D2 D3 D4 D5 G1 G2 G3

DPF

DIESELBENZINA

ARTEMIS urbano!Scala logaritmica

EURO V

EURO IV

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

PM m

assa

[g/k

m]

Diesel EURO I Diesel EURO II Diesel EURO III Diesel DPF Benzina EURO I Benzina EURO III

D2 D3 D4 D5 G1 G2 G3

DPF

DIESEL

BENZINA

ARTEMIS extraurbano

EURO V

EURO IV

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

PM m

assa

[g/k

m]

Diesel EURO I Diesel EURO II Diesel EURO III Diesel DPF Benzina EURO I Benzina EURO III

D2 D3 D4 D5 G1 G2 G3

DPF

DIESEL

BENZINA

ARTEMIS autostradale

DPF

EURO V

EURO IV

Conclusioni

Fattori di emissioni di PM dei veicoli EURO II ed EURO III molto simili.

Veicoli dotati di trappola per il particolato sono associati ad una effettiva riduzione delle emissioni di PM. Eccetto per le alte velocità e per i combustibili con alti tenori di zolfo.

Il numero di particelle solide non sembra essere influenzato dal ciclo di guida

Picchi di nucleazione di osservano per i veicoli EURO III e PDF ad alte velocità medie per combustibili ad alto tenore di zolfo.

Il test di variabilità evidenzia le differenze tra le emissioni dei veicoli “tradizionali” e dei veicoli dotati di filtro per il particolato

Conclusioni

I fattori di emissione dei veicoli EURO II ed EURO III dipendono dalcontenuto di zolfo nei combustibili in modo meno rilevante rispettoai veicoli con filtro per il particolato.

Utilizzare combustibili ad alto tenore di zolfo aumenta le emissioni diparticolato ad alta velocità. Effetto dell’uso dei combustibili ad alto tenore di zolfo sull nucleazione.

Fattori di emissione dei veicoli di nuova generazione sonoconfrontabili con quelli dei veicoli a benzina introdurre limiti per ilparticolato anche per i veicoli a benzina

Le curve costruite utilizzando i sottocicli sono simili a quelle ottenutecon i cicli di guida completi.

Fattori di emissione Emissioni da traffico Qualità dell’aria

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

test Kruskal-Wallis• Tutte le misure vengono inserite in un unico campione N.

• Tutti i dati vengono ordinati per ranghi e riportati nei gruppi dipartenza

• viene calcolata la media dei ranghi per ciascun gruppo (Mg)

• viene calcolata la media di tutti gli N ranghi

SSbg(R)=Σg [n (Mg—MN)2]

• Statistica:

121)N(N

SSbg(R)H+

=

3 - analysis of variance

PM active surface

PM numero di particelle

Average speed

cycle >90km/h

5,613

3

,132

Average speed

cycle <40 km/h

Average speed

cycle 40-90 km/h

Chi-Square 28,913 32,443

Degree of freedom 3 3

Asymp. Sig. ,001 ,001

3 - analysis of variancePM active surface

Average speed

cycle >90km/h

39,602

3

,001

Average speed

cycle <40 km/h

Average speed

cycle 40-90 km/h

Chi-Square 33,883 25,941

Degree of freedom 3 3

Asymp. Sig. ,001 ,001

PM superficie attiva3 - Analisi di varianza parametrica

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,E+00

1,E+05

2,E+05

3,E+05

4,E+05

5,E+05

6,E+05

7,E+05

8,E+05

9,E+05

1,E+06

0 20 40 60 80 100 120 140 160Average speed [km/h]

PM a

ctiv

e su

rfac

e [c

m^2

/km

]

Euro II Poli.(EURO II) Poli.(EURO II) sub-cycle

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

1,E+00

1,E+05

2,E+05

3,E+05

4,E+05

5,E+05

6,E+05

7,E+05

8,E+05

9,E+05

1,E+06

0 20 40 60 80 100 120 140 160Average speed [km/h]

PM a

ctiv

e su

rfac

e [c

m^2

/km

]

Euro III Poli. (EURO III) Poli. (EURO III) sub-cycle

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,E+00

1,E+05

2,E+05

3,E+05

4,E+05

5,E+05

6,E+05

7,E+05

8,E+05

9,E+05

1,E+06

0 20 40 60 80 100 120 140 160Average speed [km/h]

PM a

ctiv

e su

rfac

e [c

m^2

/km

]

Euro III+DPF Poli. (EURO III+DPF) Poli. (EURO III+DPF) - sub-cycle

Diesel passenger car, <= 2000cc

4 - ARTEMIS sub- cycles

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,0E+00

5,0E+14

1,0E+15

1,5E+15

2,0E+15

2,5E+15

3,0E+15

3,5E+15

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Average speed [km/h]

PM to

tal p

artic

le [#

/km

]

Euro II Poli.(EURO II) Poli.(EURO II) sub-cycle

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,0E+00

5,0E+14

1,0E+15

1,5E+15

2,0E+15

2,5E+15

3,0E+15

3,5E+15

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Average speed [km/h]

PM to

tal p

artic

le [#

/km

]

Euro III Poli. (EURO III) Poli.(EURO III) sub-cycle

Diesel passenger cas, >=1400 and <=2000cc

0,0E+00

5,0E+14

1,0E+15

1,5E+15

2,0E+15

2,5E+15

3,0E+15

3,5E+15

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Average speed [km/h]

PM to

tal p

artic

le [#

/km

]

Euro III+DPF Poli. (EURO III+DPF) Poli. (EURO III+DPF sub-cycle)

Diesel passenger car, <= 2000cc

4 - ARTEMIS sub- cycles

TWC/NOx StorageEuro III2.0Citroen C5 HPIShell

TWC/NOx storageEuro III2.0Peugeot 406 HPIIFP

TWC/NOx StorageEuro III1.8Mitsubishi Carisma GDIAVL MTC

Lean DISI

TWCEuro III2.0Renault Mégane IDEShell

TWCEuro III2.0Toyota AvensisEMPAStoich. DISI

TWCEuro III1.6RenaultMégane16VEMPA

TWCEuro III2.0Alfa 146 TS 16VEMPA

TWCEuro III1.8Toyota Corolla TSLAT

TWCEuro III1.6Renault Mégane IIIFP

TWCEuro I1.8BMW 318tiLATGasoline

PortFuel

Injection

OxiCat + DPFEuro III+DPF2.2Peugeot 607 HDIShell

OxiCat + DPFEuro III+DPF2.2Peugeot 607 HDIAVL MTC

OxiCat +2xDPFEuro III+DPF1.9Renault Laguna dCiLAT

OxiCat + DPFEuro III+DPF2.0Peugeot 307 SWIFP

OxiCat + DPFEuro III+DPF2.0Peugeot 406 HDI/FAPEMPA

Diesel + DPF

OxiCatEuro III1.9VW Golf TDIShell

OxiCatEuro III1.9VW Golf TDIAVL MTC

OxiCatEuro III1.9Ford Galaxy TDEMPA

OxiCatEuro III1.9VW Golf TDIFFA

OxiCatEuro III1.9VW Golf TDIIFP

OxiCatEuro III1.9Renault Laguna dCiLAT

OxiCatEuro II2.0Peugeot 406 HDIAVL MTC

OxiCatEuro II1.9VW Golf TDILAT

NoneEuro I1.9VW Golf TDILAT

Diesel

After-TreatmentEmission Standard

Engine Size [l]

VehicleLab

Diesel, Euro II, >=1400 and <=2000 cc

2 2334 4 2 40.0E+00

5.0E-02

1.0E-01

1.5E-01

2.0E-01

2.5E-01

3.0E-01

0 20 40 60 80 100 120 140Average Speed [km/h]

PMm

[g/k

m]

PMm [g/km] Copert Number of data Poli. (PMm [g/km]) Poli. (Copert)Diesel, Euro III, >=1400 and <=2000 cc

5 28810 69 3 80.0E+00

2.0E-02

4.0E-02

6.0E-02

8.0E-02

1.0E-01

1.2E-01

1.4E-01

1.6E-01

1.8E-01

0 20 40 60 80 100 120 140Average Speed [km/h]

PMm

[g/k

m]

PMm [g/km] Copert Number of data Poli. (PMm [g/km]) Poli. (Copert)

Le temperature tipiche dei gas di scarico emessi dai veicoli in esercizio urbano (autobus, veicoli per raccolta rifiuti) variano tra 250/400 °C.Il dispositivo di controllo elettronico gestisce in modo automatico il sistema di dosaggio additivo installato a bordo veicolo e garantisce la vita utile del motore poiché sono costantemente controllati i valori di contro-pressione allo scarico indicati dal costruttore.

La tecnologia è basata su filtri in carburo di silicio poroso, un materiale che offre caratteristiche uniche di resistenza al calore e agli sbalzi termici.Il filtro è costituito da una struttura a nido d'ape attraverso la quale i gas di scarico vengono filtrati.

Il particolato, composto prevalentemente da particelle di carbone di varie dimensioni, viene quindi trattenuto dal filtro,

con particolare efficacia anche sulle particelle più fini.L'utilizzo di speciali additivi, da aggiungere al carburante,

consente la completa combustione del particolato carbonioso precedentemente trattenuto al raggiungimento di una

temperatura di circa 250/280 C° (processo di rigenerazione del filtro).