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Corso di Sistemi di Trazione A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015 Lezione 2: Consumi ed emissioni degli autoveicoli.

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1 Corso di Sistemi di Trazione A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA Lezione 2: Consumi ed emissioni degli autoveicoli.

2 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 carbonioCO –Ossidi di azotoNOx –Idrocarburi incombustiHC (o VOC) –ParticolatoPM –Anidride carbonicaCO 2 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 Argomenti

3 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.

4 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 Definizioni

5 Il veicolo per muoversi consuma energia –per vincere le resistenze passive aerodinamica e di rotolamento –per superare le pendenze –per accelerare Perché i veicoli consumano

6 Perdite di energia del veicolo

7 Potenza e consumo energetico Potenza erogata dal motore Energia consumata dal motore nello spostamento

8 La reazione chimica di combustione ideale: C n H m + (n+m/4) O 2 = n CO 2 + m/2 H 2 O La reazione chimica di combustione reale: C n H m + (n+m/4) O 2 + N 2 = (n-a-yb) CO 2 + a CO+ b H x C y +c NO + (a/2-yb+bx/4-c/2) NO 2 + (m/2-bx/2) H 2 O Perché i motori emettono?

9 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. La differenza tra emissione e concentrazione

10 Monossido di carbonioCO Ossidi di azotoNO x Idrocarburi incombustiHC (o VOC) ParticolatoPM Anidride carbonicaCO 2 Altri Cosa emettono i motori?

11 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 CO 2.

12 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. Ossidi di Azoto NO x

13 Risultano dalla non perfetta combustione dovuta a scarsità d’ossigeno. Molte sostanze si definiscono HC dal metano (CH 4 ) che è innocuo per l’uomo al benzene (C 6 H 6 ) altamente cancerogeno. Si ricombinano naturalmente con l’ossigeno per completare il processo ma con estrema lentezza. Necessitano di catalisi. Idrocarburi incombusti HC (o VOC)

14 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. Particolato (PM)

15 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. Anidride Carbonica (CO 2 )

16 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 La misura dell’impatto ambientale del veicolo

17 Ciclo di marcia NEDC

18 Il banco a Rulli ENEA

19 Strumentazione per la misura diretta delle emissioni Exhaust temperature Exhaust pressure Ambient temperature Ambient pressure Ambient humidity Vehicle velocity Engine revolution GPS CO CO 2 HC NOx HORIBA OBS 1300

20 Strumentazione per misura emissioni installata a bordo

21 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) Quali fattori influenzano l’impatto ambientale del flusso?

22 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 Come si valuta l’impatto ambientale del flusso?

23 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) Modelli di emissione “macro”

24 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 CO 2 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 Conclusioni


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