L'innovazione tecnologica dell'industria automobilistica - Prof. Ezio SPESSA Roma, 7 aprile 2016 - Rie
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L’innovazione tecnologica dell’industria
automobilistica
Roma, 7 aprile 2016
Politecnico di Torino, Dipartimento Energia, IC Engine Advanced Laboratory, PT-ERC
Prof. Ezio SPESSA
1/27
Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
2/27
Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
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Energy outlook (2035/2040)
La domanda di petrolio: trasporti e altri settori energetici
4 000 [Mb/day]
3 500
Settore trasporti
3 000
2 500
Oil
[Mtoe]
2 000 Other fuels
Electricity
1 500
Biofuels
1 000 Petrolio
500
-
1990 2012 2020 2025 2030 2035 2040
Year
Ruolo di “fuel switching” e efficienza
TRASPORTI E DOMANDA DI ENERGIA
PRIMARIA
OGGI: 55% domanda mondiale petrolio
2030: il gasolio sarà il combustibile più
utilizzato, superando benzina
2040: 60% domanda mondiale petrolio
(stimando impatti attesi di “fuel
switching” e incremento di efficienza)
Fonte: IEA, WEO 2014, New Policy Scenario
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Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
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Impatto su CO2 e soluzioni
Vendite auto nel 2035
Anche ipotizzando uno scenario di crescita energetica nel pieno rispetto degli accordi di
Kyoto e Copenhagen (450 Scenario), lo IEA prevede che nel 2035:
- oltre l’80% delle auto vendute farà comunque uso di motori a combustione interna;
- la maggior parte di tali veicoli utilizzeranno motori termici ad alta efficienza e in grado di
utilizzare nuovi combustibili in modo flessibile (combustibili alternativi, biocombustibii,
combustibili di sintesi, …);
- in oltre i 2/3 dei casi tali motori termici saranno integrati in sistemi di motopropulsione
ibridi di tipo termico+elettrico (HEV)
Fonte: IEA, WEO 2010, 450 Scenario
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Veicoli elettrici: vantaggi e limiti
Wheel
Power Electric
Battery Pack Transmission
Converter Machine
Wheel
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Veicoli elettrici: vantaggi
Power Total primary
Type plant
Grid Vehicle
energy Stime eseguite su ciclo
efficiency efficiency
efficiency [Wh/km] omologativo europeo NEDC
BEV (Range 150
45% 93% 60-65% 510-570
con riferimento ad
km) autovetture di taglia media
BEV (Range 150
RE only 93% 60-65% 230-260 (MY2010)
km)
Conventional
WTW Powertrain efficiency 16-23% 600-900
vehicle
Conventional mid-size car
Total (WTW) CO2
WTT TTW
emission
25-35 90-170 115-205
• Efficienza energetica Battery electric vehicle
Total (WTW) CO2
• Emissioni di CO2 Electricity mix
emission
• Emissioni locali di Italian mix 2010:
72
inquinanti (ossidi di azoto, 11% nuclear, 23% renewable, 66% fossils
polveri sottili, …) EU-27 mix 2010:
58
27% nuclear, 23% renewable, 50% fossils
virtualmente nulle
French mix 2010:
22
74% nuclear, 21% renewable, 5% fossils
Fonte: European Roadmpa, Electrification of road transport, 2nd edition
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Veicoli elettrici: limiti attuali
Massa
600
+ comb. o batteria)
batterie
Massa [kg] (PWT
diesel
500 gasoline
EV-150Wh/kg
EV-200Wh/kg
400
EV-300Wh/kg
EV-400Wh/kg
300
200
160 kg Massa
combustibile a
PWT
120 kg 100
bordo
35 kg
Autonomia su NEDC [km]
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
LIMITI FATTORI ABILITANTI RICHIESTI
• Autonomia limitata (“range anxiety”) • Evoluzione tecnologica batteria
• Elevato costo della batteria • Diffusione ed evoluzione
• Thermal comfort (e impatto su autonomia) dell’infrastruttura di ricarica e degli
• Protezione meccanica della batteria (“safety”) standard correlati (HW & SW)
• Tempo necessario per la ricarica (“customer • “Smart Grids”
acceptance”)
Fonte: European Roadmpa, Electrification of road transport, 2nd edition
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Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
10/27REGOLAMENTI EU PER AUTOVETTURE
No 443/2009: Riduzione CO2 da autovetture (2012-2108 fase transitoria; 2019 regime)
• Fissa il livello medio delle emissioni di CO2 HIGH SEGMENT
2006
delle autovetture nuove a 130 g CO2/km AVERAGE EU FLEET
2006
• Dal 2020: livello medio di emissioni di CO2 = LOW SEGMENT
2006
HIGH SEGMENT
2009
95 gCO2/km. LOW SEGMENT
AVERAGE EU FLEET
2009
2009
• Dal 2025: livello medio di emissioni di CO2 = The real challenge
68-78 gCO2/km.
• Indennità emissioni in eccesso: 95 Euro per
gCO2/km per veicolo venduto (dal 2019)
No 715/2007 : Limiti su emissioni inquinanti da autovetture (CO, HC, NOx, PM, PN)
Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5a Euro 5b Euro 6
1992 1996 2000 2005 2009 2011 2014
• Fissa i limiti di emissioni inquinanti allo scarico per omologazione
veicolo +PN
11/27Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
12/27Evoluzione tecnologie e combustibili per auto
Normative emissioni per autovetture diesel
diesel
0.06
Euro 3 (2000)
0.05
PM [g/km]
DOC
0.04
0.03 Euro 4 (2005)
0.02 DPF (optional) Advances in combustion systems
Better fuels
0.01 Euro 6 (2014)
Euro 5 (2009)
SCR/LNT DPF
0
0 0.2 0.4 0.6
NOx [g/km]
Sistemi di post-trattamento per HC, CO, SOF
Sistemi di post trattamento per NOx
DOC: Diesel Oxidation Catalys
SCR: Selective Catalyst Reduction (urea-based)
Sistemi di post trattamento per PM LNT: Lean NOx Trap
DPF: Diesel Particulate Filter
13/27Evoluzione tecnologie e combustibili per auto diesel Impatto su combustibile (gasolio per autovetture) Per raggiungere gli obiettivi di maggiore efficienza e minore impatto ambientale imposti dalla normativa è stato necessario operare non solo sul propulsore ma, in modo sinergico, anche sulla qualità del combustibile e sul controllo delle sue principali proprietà chimico- fisiche (Direttiva EU 2009/30/EC): • numero di cetano («Ignition quality») • Livelli di zolfo (< 10 ppm dal 2009) • Livelli di policiclici aromatici • densità • viscosità • operabilità a basse temperatire • proprietà lubrificanti, acidità • stabilità Leyrer, J., E. Lox, K. Ostgathe, B. Engler, E. Koberstein, 1991. “Heavy duty emission control using oxidation catalysts”, I.Mech.E., C435, February 1991, 163-191 14/27
Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
15/27Sistema di iniezione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
La gestione dell’iniezione è uno dei sistemi chiave per il miglioramento delle prestazioni e per la
riduzione delle emissioni inquinanti da motori diesel. Le principali direttrici di evoluzione
tecnologica hanno riguardato:
- l’introduzione di iniezioni multiple e del rate shaping
- l’aumento della pressione di iniezione
- l’aumento del numero di fori del polverizzatore e la riduzione del loro diametro;
CRS
1st generation MAIN
PILOT POST
PRE MAIN AFTER Rate Shaping
CRS with
Multiple Injections
Noise control
DENOx or DPF
in cold operation
Regeneration
and low rpm
Injection Duration Control
Combustion Rate Shaping
Soot oxidation
16/27Sistema di iniezione
Coking
L’aumento del numero di fori del polverizzatore, il minore diametro dei fori e l’aumento della
pressione di iniezione determinano condizioni più critiche per la formazione di depositi
carboniosi nel sistema di iniezione (coking)
Un accurato controllo di alcune caratteristiche del gasolio (viscosità ridotta, alta volatilità,
ridotte precentuali di idrocarburi insaturi, ridotta presenza di contaminazioni da metalli quali lo
zinco) contribuisce a ridurre il fenomeno del coking. La composizione chimica della frazione di
biodiesel miscelata con il gasolio convenzionale può inoltre influenzare il fenomeno del coking.
Fonte: Dieselnet (https://www.dieselnet.com/)
17/27Downsizing e sovralimentazione
L’impiego di motori di cilindrata più piccola consente di spostare i punti di funzionamento del
motore a carichi più elevate, dove il motore è normalmente più efficiente (downsizing). Risulta
infatti evidente nel corso degli anni la tendenza a realizzare propulsori con maggiore potenza
specifica.
Questo è stato reso possibile da:
- progressi già citati sui sistemi di
iniezione;
- riduzione del rapporto di
compressione
- adozione di gruppi di
sovralimentazione ad alte prestazioni.
I minori rapporti di compressione
rendono più critica l’auto-accensione alle
basse temperature (candelette di pre-
riscaldo di nuova generazione e migliori
caratteristiche di accendibilità del gasolio
alle basse temperature).
18/27Propulsori diesel e biocombustibili
Biodiesel: FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
Viscoso e Instabile
Può essere usato in motori diesel
standard miscelato al gasolio
Olio
convenzionale (7% FAME)
vegetale
FAME
Alcool
Proprietà dipendenti da olio o
(metanolo)
grasso vegetale di partenza
Hydro/treated Vegetable Oils (HVOs)
Può essere usato in motori diesel
standard con maggiori percentuali
di blending, al limite anche puro
Hydro-treatment
Olio
HVOs Paraffina con proprietà
vegetale Rimozione doppi legami e INDIPENDENTI da molecola
ossigeno da molecola di partenza partenza
19/27Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
20/27Diesel Oxidation Catalyst (DOC)
Combustibili con basso tenore
di S permettono di evitare la
formazione, indesiderata, di
SO3 e quindi di solfati.
Fonte: Dieselnet (https://www.dieselnet.com/)
21/27Filtri anti particolato (DPF)
Matrice
filtrante
DOC
MATRICE FILTRANTE CATALIZZATA:
• riduce T di ossidazione del PM -> minori “fuel
penalties” legate al processi di RGN.
• in abbinamento a combustibili con alto tenore
di S può generare SO3 e, alle basse T, solfati
mediante nucleazione eteromolecolare. Gasoli
a basso tenore di S (< 50 ppm S).
Fonte: Dieselnet (https://www.dieselnet.com/)
22/27Sistemi SCR
SCR = Selective Catalyst Reduction
Agente riducente: NH3
NH3 introdotta sotto forma di urea
Alta efficienza di riduzione NOx
Assenza di metalli nobili
SVANTAGGI/LIMITI
- Ingombri elevati
- Sofisticato sistema di
iniezione e controllo
quantità urea iniettata
(controllo “ammonia slip”)
- Infrastruttura di
distribuzione urea
Fonte: Dieselnet (https://www.dieselnet.com/)
23/27Sistemi LNT
LNT = Lean NOx Trap
MeNO3 = Nitrati Metallici
- “Fuel penalties” legate a rigenerazione
- Sensibilità all’avvelenamento da S (necessità di
adottare gasoli con bassissimi tenori di S)
- Necessità di desolforazione per formazione di
Solfati metallici durante il funzionamento ->
ulteriori “fuel penalties” legate a desolforazione
Fonte: Dieselnet (https://www.dieselnet.com/)
24/27Indice
Energy Outlook (2035/2040)
CO2 prodotta dal settore trasporti e soluzioni per la sua riduzione
Il contesto normativo europeo per le autovetture
Evoluzione delle tecnologie e dei combustibili per autovetture diesel in
Europa
Sistema di iniezione e combustione
Sistemi di iniezione del combustibile flessibili e ad alta pressione
Downsizing e sovralimentazione
Propulsori diesel e biocombustibili
Sistema di aftertreatment
Controllo CO, HC e SOF: il catalizzatore ossidante per motori
diesel (DOC)
Controllo PM: il filtro anti particolato (DPF)
Controllo NOx: i sistemi SCR ad urea e le trappole per NOx (LNT)
Conclusioni
25/27Conclusioni
• Le previsioni al 2035/2040 indicano che gli obiettivi di efficienza energetica ed
ambientali verranno raggiunti non mediante una tecnologia predominante, ma mediante
un opportuno mix di soluzioni (miglioramento efficienza sistemi a combustione,
introduzione di combustibili alternativi, elettrificazione del veicolo)
• Nel 2035 sui prevede che oltre l’80% dei veicoli venduti farà comunque uso di motori a
combustione interna, nella maggior parte dei casi combinati in architetture di tipo ibrido
elettrico o in grado di utilizzare nuovi combustibili in modo flessibile (combustibili
alternativi, biocombustibii, combustibili di sintesi, ...)
• La sinergia tra evoluzione motoristica e incremento della qualità dei combustibili (per
es. ridotti tenori di S) è stata e sarà indispensabile per il raggiungimento degli obiettivi
prefissati in termini di emissioni di inquinanti e di CO2
• Nell’ambito dei combustibili alternativi, l’introduzione di biocarburanti è una delle
misure previste dalle direttive europee (per es. la «Renewable Energy Directive» richiede
che entro il 2020 il 10% dell’energia primaria utilizzata nei trasporti dovrà provenire da
biocombustibili, elettricità e idrogeno prodotti da fonti rinnovabili)
• I nuovi prodotti vegetali idrogenati (HVOs) permettono di superare i limiti di impiego
legati al’uso dei biocombustibili convenzionali (FAME)
26/27Grazie per l’attenzione
Prof. Ezio SPESSA (Professore Associato)
Dipartimento Energia – Politecnico di Torino
c.so Duca degli Abruzzi, 24 – 10129, Torino (Italy)
ezio.spessa@polito.it
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