Consiglio Nazionale delle Ricerche XIV riunione dell’ Expert Panel Istituto Motori Determinazione dei fattori di emissione medi di una tipologia di veicoli in funzione di alcuni parametri cinematici. Confronto con COPERT III e IV Livia Della Ragione, Giovanni Meccariello XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008 In memoria e ricordo di Mario Rapone

XIV riunione dell’ Expert Panel BACKGROUND La valutazione delle emissioni può essere realizzata in differenti scale spazio-temporali in relazione a differenti obiettivi I modelli per la definizione dei fattori di emissione possono essere categorizzati come macro-scale, meso-scale e micro-scale a seconda della finalità di utilizzo e della quantità di informazioni che essi richiedono sia in relazione al traffico, che alla composizione del parco circolante, che alla caratterizzazione del driving behaviour XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008

XIV riunione dell’ Expert Panel BACKGROUND Per lo sviluppo di piani di trasporto regionali o di una specifica città ci si può riferire ad un approccio modellistico meso Modelli su mesoscala richiedono una approfondita rappresentazione del traffico nell’area individuata e della rete di trasporto in links Per ciascun link le emissioni medie sono generalmente valutate per ciascun veicolo come funzioni del flusso di veicoli e della velocità media XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008

XIV riunione dell’ Expert Panel BACKGROUND Nell’ambito meso è stato sviluppato in Istituto Motori nel contesto del progetto Europeo ARTEMIS, il modello Kinematic Emission Model KEM Le emissioni predette sono calcolate su un micro-trip basandosi su una dettagliata descrizione del profilo di velocità, mediante parametri cinematici, ma utilizzando meno informazioni rispetto ai modelli istantanei Si basa sull’analisi di un grande database di emissioni provenienti dal progetto UE ARTEMIS. XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008

XIV riunione dell’ Expert Panel BACKGROUND L’obiettivo attuale è lo sviluppo di un tool che implementi il modello KEM in un approccio DSS e permetta di stimare le emissioni associate ad una condizione di traffico Le parti costituenti il DSS sono il datawarehouse delle emissioni, il model base e la GUI (grafical user interface ) Sarà implementato un emission module che accetti come input un certo numero di variabili cinematiche caratterizzanti i cicli di guida e fornisca in output CO, CO2, HC, NOX etc. in g/km XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008

La struttura del sistema informativo DSS Accesso ed estrazioni dal database ARTEMIS / UTENTE  Datawarehouse Metodi statistici/algoritmi/regole Modelli di emissione (predeterminati/elaborati) Module GUI Interfaccia utente e moduli: EASY GIS … Report Output Profili dei cicli / analisi cinematiche Fattori di emissione Mappa delle emissioni

XIV riunione dell’ Expert Panel IL Model Base Nel Model Base sono implementati metodi statistici multivariati e regressione Partial Least Squares (PLS) per la determinazione dei valori predetti e dei coefficienti di calcolo delle emissioni Il modello di regressione ha come variabili di risposta Y le emissioni di CO, HC, NOx, CO2 in g/km, misurate in un ciclo di guida Le variabili X indipendenti sono relative a parametri cinematici atti a rappresentare il “real-world driving behavior of vehicles in any traffic situation” XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008

IL Model Base Le variabili indipendenti sono relative all’equazione dinamica del veicolo, con l’aggiunta del tempo al minimo per tener conto delle emissioni prodotte durante questa fase MP(t)dtt (a+b*v(t)+c*v2(t)+d*Mv*a(t))*v(t) dt In cui M massa totale dei gas di scarico P(t) la potenza erogata dal motore, v(t) speed a(t) l’accelerazione Mv la massa del veicolo

Dss –Model Base Parametri Utente da GUI Output- Report Time series v(t) del ciclo di guida Determinazione delle variabili cinematiche Parametri Utente da GUI Omologazione Tecnologia Cilindrata Determinazione dei fattori di emissione circolante Parco Fattori di emissione in g/km Output- Report Parametri selezione/output Utente Model Base - Easy

GUI Dss Model Base Data mart Datawarehouse Data base PM (mg/km) CO HC NOx … 0,3 0,1 0,2 0,4 GUI PM (mg/km)

Valori osservati, KEM, Copert IV, Copert III Caso Benzina Euro III 1200-1400 Valori osservati, KEM, Copert IV, Copert III CO g/km cycle_name mvoverall CO Obs KEM CO Handbook.R4_II 7.07075 0.57212 0.39987 Artemis.urban_3 8.74033 0.88623 0.58260 Artemis.urban_4 11.8094 0.67890 0.47827 Artemis.urban_1 15.5034 0.58062 0.32784 Artemis.urban 17.4801 0.55914 0.36611 Artemis.urban_5 21.6638 0.45989 0.32013 Artemis.urban_2 31.7773 0.43571 0.28589 Handbook.R3_III 31.9976 0.46872 0.22735 Handbook.R4_I 33.5706 0.40841 0.19356 Artemis.rural_3 43.0732 0.35787 0.20304 WP321.TUG.Ries_r 48.296 0.17308 0.30807 Artemis.rural_1 49.9263 0.60108 0.42769 Handbook.R3_II 52.3546 0.12987 0.21566 Handbook.R3_I 52.92 0.18787 0.19744 Artemis.rural 60.3353 0.72936 0.39493 Handbook.R2_III 65.5785 0.68209 0.26214 Artemis.rural_2 65.8795 0.36940 0.24703 Handbook.R2_II 77.1987 0.16846 0.28933 Artemis.rural_4 78.6237 0.71302 0.60799 Artemis.rural_5 87.4571 0.44656 0.39664 Handbook.R2_I 89.5038 2.84489 0.42902 Handbook.R1_III 100.333 1.28265 0.58121 Handbook.R1_II 107.66 1.48755 0.72248 Artemis.motorway 116.679516 1.46181 1.13753 g/km Vm (km/h)

Valori osservati, KEM, Copert IV, Copert III Caso Benzina Euro III 1200-1400 cycle_name mvoverall Nox Obs Kem NOx Handbook.R4_II 7.07075 0.009016 0.029553 Artemis.urban_3 8.74033 0.079096 0.059312 Artemis.urban_4 11.8094 0.054172 0.038439 Artemis.urban_1 15.5034 0.045646 0.035998 Artemis.urban 17.4801 0.065338 0.070188 Artemis.urban_5 21.6638 0.047785 0.030301 Artemis.urban_2 31.7773 0.059769 0.035559 Handbook.R3_III 31.9976 0.034913 0.027338 Handbook.R4_I 33.5706 0.007677 0.026796 Artemis.rural_3 43.0732 0.024139 0.019016 WP321.TUG.Ries_r 48.296 0.010199 0.028943 Artemis.rural_1 49.9263 0.047541 0.035077 Handbook.R3_II 52.3546 0.0097 0.017584 Handbook.R3_I 52.92 0.010951 0.019164 Artemis.rural 60.3353 0.051922 0.042682 Handbook.R2_III 65.5785 0.006025 0.018601 Artemis.rural_2 65.8795 0.025427 0.017842 Handbook.R2_II 77.1987 0.010838 0.014399 Artemis.rural_4 78.6237 0.043113 0.034289 Artemis.rural_5 87.4571 0.020173 0.017316 Handbook.R2_I 89.5038 0.040147 0.018184 Handbook.R1_III 100.333 0.025446 0.021112 Handbook.R1_II 107.66 0.026678 0.024103 Artemis.motorway 116.679516 0.038648 0.034829 Valori osservati, KEM, Copert IV, Copert III NOx g/km g/km Vm (km/h)

Formule COPERT Fattore di riduzione E3 Benzina Euro III -76% COPERT III emission factors - cilindrata < 1.4 cc EF Nox = 0,5595 - 0,01047V+ 10,8E-05V² -76% EF CO = 9,846-0,2867V+0,0022V² -44% EF VOC o HC= 0,628 - 0,01377V + 8,52E-05V² -85% COPERT IV emission factors - tutte le cilindrate EF = ( a + c × V + e × V²)/(1 + b × V + d × V²) Coefficienti Copert IV a b c d e C.IV Nox E1 5.25E-01 -1.00E-02 9.36E-05 C.IV Nox E2 2.84E-01 -2.34E-02 -8.69E-03 4.43E-04 1.14E-04 C.IV Nox E3 9.29E-02 -1.22E-02 -1.49E-03 3.97E-05 6.53E-06 C.IV Nox E4 1.06E-01 -1.58E-03 7.10E-06 C.IV HC E1 1.35E+00 1.78E-01 -6.77E-03 -1.27E-03 C.IV HC E2 4.11E+06 1.66E+06 -1.45E+04 -1.03E+04 C.IV HC E3 5.57E-02 3.65E-02 -1.10E-03 -1.88E-04 1.25E-05 C.IV HC E4 1.18E-02 0.00E+00 -3.47E-05 8.84E-07 C.IV CO E1 1.12E+01 1.29E-01 -1.02E-01 -9.47E-04 6.77E-04 C.IV CO E2 6.05E+01 3.50E+00 1.52E-01 -2.52E-02 -1.68E-04 C.IV CO E3 7.17E+01 3.54E+01 1.14E+01 -2.48E-01 C.IV CO E4 1.36E-01 -1.41E-02 -8.91E-04 4.99E-05

Graphical User Interface (GUI) EASY MODULE utilizza una metodologia statistica, sviluppata in Istituto Motori, per l’analisi delle emissioni inquinanti relazionate alle caratteristiche cinematiche dei cicli di guida. Per la determinazione dei fattori di emissione il modulo di calcolo determinerà i coefficienti per ottenere le stime di previsione di un determinato ciclo di guida data una combinazione di tecnologia/cilindrata/omologazione. Il tool si basa, in un modulo di calcolo nell’ambito del Model Base, di un insieme di modelli statistici basati sulla regressione PLS per l’individuazione dei coefficienti per la previsione dei fattori di emissione e per l’individuazione di indici statistici delle stime.

Sviluppo rappresentazione delle emissioni tramite GIS classificazione del tipo di strada per ciascun arco del percorso le emissioni prodotte da diverse classi di veicoli per ciascuna tipologia di strada, utilizzando i moduli del sistema informatico IM CNR, per predefinite situazioni traffico/strada. le emissioni da correnti tipiche di traffico per la zona geografica considerata ricavate da dati ACI, per predefinite situazioni traffico/strada ed ipotizzate composizione veicolari della corrente (se non disponibili come dato di input). le emissioni dei veicoli valutate fanno riferimento ad una specifica strada (per esempio autostrada e/o tangenziale) per la quale sono disponibili dati di flusso e/o di densità veicolare e/o di velocità media. Deve essere ideato e sviluppato un modulo di elaborazione del sistema IM-CNR che valuta per ciascun arco della rete di traffico rappresentata dal GIS informazioni riguardanti:

Sviluppo e Conclusioni XIV riunione dell’ Expert Panel Realizzare il disegno concettuale di KEM Integrare il Datawarehouse con nuovi dati provenienti da altre sperimentazioni o da terzi per migliorare la predittività dei modelli. Integrare il Datawarehouse con dati provenienti da sperimentazioni su altri tipi di veicoli (due ruote, track …) e sviluppare i relativi modelli predittivi Implementare tool fruibile … XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008

XIV riunione dell’ Expert Panel KEM Grazie per l’attenzione..… Riferimenti Istituto Motori dott. Livia Della Ragione l.dellaragione@im.cnr.it dott. Giovanni Meccariello g.meccariello@im.cnr.it XIV riunione dell’ Expert Panel Venezia - 16 Ottobre 2008