Capitolo 2
Combustione ed Emissioni Inquinanti in
Motori ad Accensione Comandata
2.1 Introduzione
La combustione è un complesso processo di natura fisica e chimica, attraverso il quale il combustibile si ossida liberando calore. Il suo inizio, sviluppo e completamento dipendono dalle caratteristiche e dalla velocità delle reazioni chimiche, dalle condizioni di trasporto di massa e di energia che si verificano nella zona di reazione e dallo scambio di calore con l’ambiente circostante.
La combustione quindi controlla la conversione dell’energia chimica del combustibile in calore, costituendo così l’evento più importante tra quelli che hanno luogo in un motore a combustione interna ed influenza in modo essenziale il funzionamento, le prestazioni del motore (potenza sviluppata e consumi di combustibile) e l’impatto esercitato sull’ambiente (composizione dei gas di scarico) [2].
2.2 La Combustione e le sue Sottofasi
Nei tradizionali motori ad accensione comandata l’ alimentazione è costituita da una miscela aria/combustibile che è abbastanza omogenea e quasi totalmente allo stato gassoso quando la combustione ha inizio. Durante il funzionamento regolare del motore l’avviamento della combustione è provocato dalla scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela, in un punto ben determinato del ciclo.
La combustione può considerarsi normale, quando la fiamma si propaga gradualmente dal punto in cui è avvenuta l’accensione fino all’estremo della camera di combustione, in assenza di bruschi cambiamenti di velocità. Man mano che la miscela fresca brucia, si libera una quantità di calore che fa aumentare la temperatura dei gas, nel frattempo lo stantuffo in una prima fase riduce il volume in cui avvengono le reazioni di ossidazione e poi, dopo aver superato il PMS, torna a farlo crescere. Dall’evolversi di questi eventi deriva l’andamento nel tempo della pressione nel cilindro quindi il lavoro meccanico raccolto sull’albero motore [1].
Nel processo di combustioni nei motori A.C. possiamo individuare tre sottofasi [4]: • Sviluppo della fiamma o Innesco;
• Combustione turbolenta o Sottofase principale; • Completamento o Postcombustione.
2.2.1 Innesco
La sottofase di innesco inizia con la scarica elettrica (breakdown) tra gli elettrodi della candela e termina nel punto in cui si nota il distaccamento della curva di pressione indicata dalla curva di compressione politropica (a motore trascinato) (Fig.2.2).
Purché la miscela abbia una composizione opportuna e l’energia della scintilla superi il valore critico di accensione, la scarica elettrica fra gli elettrodi della candela attiva le molecole di un piccolo volume di gas vicino (dal decimo di mm3 al mm3) fino a portarle ad un livello energetico al quale le reazioni di ossidazione possono autosostenersi ( quando l’energia da esse rilasciata supera le perdite di calore attraverso le pareti metalliche ed il gas circostante).
In questo modo si genera un fronte di fiamma iniziale che si propaga durante questa sottofase in modo più o meno sferico, a partire dalla candela, avanzando con velocità bassa
(pochi m/s), date le basse velocità dei moti del fluido nella zona della candela, che generalmente si trova immersa nello strato limite (regione prossima alla superficie del corpo all’interno della quale gli effetti viscosi sono importanti, in pratica rappresenta uno strato di fluido che viene trattenuto dalle rugosita delle pareti del condotto in cui il fluido stesso scorre.).
Dati i piccoli volumi in gioco, l’energia prodotta durante l’innesco è di modesto valore assoluto e quindi non si evidenzia un incremento di pressione nel cilindro rispetto alla compressione politropica. Per tale motivo questa sottofase è anche definita ritardo di combustione.
La durata temporale della sottofase d’innesco dipende da vari parametri, di seguito ne riportiamo alcuni:
• aumenta al diminuire del carico, sia perché si hanno pressioni minori, sia perché, essendo minore la massa aspirata e normalmente maggiore quella dei gas residui, si ha una più elevata percentuale di questi ultimi nella
carica;
• aumenta per miscele povere o diluite con i gas residui;
• diminuisce al diminuire dell’anticipo all’accensione, in quanto anche in questo caso aumentano temperature e pressioni;
• non è praticamente influenzata dalla turbolenza in camera di combustione e quindi dalla velocità di rotazione del motore, perché, come già detto, la candela si trova generalmente immersa nello strato limite.
Pertanto la durata in termini di ampiezza angolare della sottofase d’innesco risulta variabile e questa variabilità deve essere compensata mediante dei dispositivi che aumentino l’anticipo di accensione al diminuire del carico ed all’aumentare della velocità di rotazione. Infatti per un dato motore l’ampiezza angolare della sottofase principale di combustione può considerarsi in prima approssimazione costante al variare della velocità del motore e del carico, quindi, per massimizzare il lavoro prodotto, essa deve cominciare nei pressi dello stesso angolo di manovella.
2.2.2 Sottofase Principale
La sottofase principale della combustione inizia nel punto in cui si nota il distaccamento della curva di pressione indicata dalla curva di compressione politropica e finisce
nell’istante in cui si raggiunge il massimo della pressione (Fig.2.2). In questa sottofase si ha la massima produzione di calore. L’avanzamento macroscopico del fronte di fiamma avviene con velocità di un ordine di grandezza superiore a quelle della prima sottofase (40÷70 m/s, in funzione del grado di turbolenza). La durata temporale della sottofase principale è influenzata fondamentalmente dall’intensità di turbolenza che si ha nel cilindro, legata alla forma e dimensioni della camera di combustione, e dal numero e disposizione delle candele d’accensione (Fig.2.1).
Figura 2.1 Andamento della percentuale di massa bruciata all’interno della camera di combustione in funzione dell’angolo di manovella, nel caso in cui si utilizzi una sola candela o due candele .
Dato un certo motore, e quindi una certa camera di combustione, un aumento del regime di rotazione provoca un aumento della turbolenza al momento della combustione. Ciò riduce la durata temporale della sottofase principale della combustione. Il risultato è che questa sottofase, come già accennato, avviene in un intervallo angolare che rimane circa costante e talvolta addirittura si riduce all’aumentare della velocità del motore.
Per quanto riguarda l’effetto del carico, la sottofase principale tende ad aumentare la propria durata all’aumentare del carico per evidenti motivi di pressione, temperatura e diluizione da parte dei gas residui, questa dipendenza è molto ridotta rispetto alla sottofase d’innesco.
Per ottimizzare il lavoro utile reale prodotto, la sottofase in esame deve situarsi a cavallo del PMS, coerentemente anche con il fatto che il calore è tanto più utilizzabile quanto più
viene fornito vicino al PMS. Sperimentalmente si verifica che le condizioni ottimali si hanno quando la pressione massima si raggiunge 7° ÷ 15° dopo il PMS .
2.2.3 PostCombustione
La sottofase di postcombustione va dalla conclusione della sottofase principale al termine della combustione. È caratterizzata dal completamento di reazioni iniziate nella sottofase principale e dalla combustione di quella parte di carica che durante la sottofase principale è stata rimasta isolata rispetto al fronte di fiamma per effetto della posizione dello stantuffo o perché l’elevata pressione l’aveva ricacciata in interstizi.
Il calore prodotto è poco e l’incremento di pressione che ne deriva è largamente superato dalla caduta di pressione provocata dal moto discendente dello stantuffo, di conseguenza la pressione nel cilindro decresce velocemente.
Figura 2.2 In alto le posizione occupate in camera di combustione dal fronte di fiamma, schematizzato con una superficie sferica. In basso individuazione delle sottofasi del processo di combustione nel grafico che rappresenta lo sviluppo della pressione in funzione dell’angolo di manovella a motore trascinato (linea tratteggiata) e durante il funzionamento regolare.
2.3 Combustioni Anomale
Nel precedente paragrado è stato descritto in dettaglio il processo di combustione normale, in realtà si possono incontrare molteplici forme di combustione irregolare, le quali possono causare una diminuzione della potenza sviluppata o del rendimento globale del motore, aumento della rumorosità ed in alcuni casi possono addirittura arrecare danni ai componenti meccanici del motore.
Di seguito elenchiamo le quattro tipologie di combustioni anomale: • Misfire ;
• Quenching ;
• Autoaccensioni in presenza di un punto caldo; • Detonazione.
Quando si verifica un Misfire praticamente si ha una mancata accensione per cui non si crea alcun fronte di fiamma nei pressi della candela e quindi la combustione non ha luogo. Il quenching, invece, consiste nell’estinzione della combustione prima che sia bruciata tutta la carica. Questo avviene quando, in conseguenza di ritardata accensione o di combustione lenta, la combustione continua per una parte rilevante della corsa di espansione, con conseguente discesa della pressione e della temperatura della carica nel cilindro, fino al verificarsi di condizioni incompatibili con il sostentamento del fronte di fiamma.
Nel terzo caso possono aversi combustioni eccessivamente anticipate perché innescate da un punto caldo della camera di combustione (spigolo valvola, elettrodo candela, deposito carbonioso, ecc).
Infine la detonazione si ha quando una parte di miscela, prima di essere raggiunta dal fronte di fiamma regolare viene a trovarsi in condizioni tali da autoaccendersi spontaneamente. Tale situazione è caratterizzata dalla presenza di onde di pressione, onde d’urto che si muovono alla velocità del suono nella camera di combustione, che generano la caratteristica rumorosità. Sorgenti di tali onde e quindi causa della detonazione sono gli alti gradienti di pressione generati dall’autocombustione simultanea del cosiddetto end-gas, vale a dire la parte della carica destinata ad essere raggiunta per ultima dal fronte di fiamma. Questo fenomeno di autocombustione ha luogo quando, per effetto di
compressione politropica generata dall’aumento di pressione dovuto al progredire della combustione regolare, l’end-gas viene trovarsi a temperature maggiori di quella di autoaccensione per un tempo che supera quello di latenza. È evidente pertanto che la detonazione rappresenta una degenerazione di una combustione cominciata come progressiva. L’insorgere della detonazione dipende fortemente dalle caratteristiche del combustibile.
Quando il motore è soggetto a detonazione, i diagrammi della pressione in camera di combustione, hanno delle caratteristiche particolari [2]. Fig.2.3 mostra l’andamento della pressione in funzione dell’angolo di manovella in caso di detonazione debole o intensa. Dopo uno sviluppo inizialmente regolare, si notano oscillazioni con picchi di pressione che decrescono gradualmente.
Al Crescere dell’intensità della detonazione (ossia della massa di miscela che si autoaccende), le oscillazioni iniziano prima e presentano una maggiore ampiezza.
La frequenza di queste oscillazioni è compresa nel range 5 ÷ 15 kHz, la stessa del rumore metallico che si udisce dall’esterno del motore, e dipende principalmente dalla velocità con cui si propagano le onde di pressione.
Figura 2.3 Tipici andamenti, in funzione dell’angolo di manovella, dei valori di pressione in camera di combustione per un motore soggetto a detonazione
2.4 Sviluppo della Pressione nel Cilindro [2]
Il lavoro meccanico prodotto dai motori a combustione interna è legato all’andamento nel tempo della pressione nel cilindro.
Per convertire in lavoro la massima quantità di energia termica liberata dal processo di combustione, occorre che quest’ultimo sia distribuito a cavallo del PMS, per fare ciò è necessario anticipare l’accensione della miscela rispetto alla posizione del PMS.
Se tale anticipo è grande, la combustione si svolge prima ed il punto di massima pressione si avvicina al PMS, aumentando in tal modo il lavoro di compressione che il pistone deve fare sul gas (lavoro negativo). Se invece l’accensione fosse ritardata, il picco di pressione si allontana dal PMS ed avrà entità ridotta, ne consegue una diminuzione del lavoro di espansione raccolto dal pistone.
L’anticipo ottimale viene ricavato empiricamente, per ogni condizione di funzionamento del motore. In pratica esso dovrà risultare tanto più grande, quanto più lento è il processo di combustione, in modo da ripartirne la durata in maniera pressoché simmetrica rispetto al PMS.
Condizioni ottimali si hanno quando il massimo di pressione cade circa 15°-20° dopo il PMS ed il 50% della carica è bruciata circa 10° dopo il PMS (Fig.2.4).
Figura 2.4 Andamento tipico della pressione della pressione p(θ)e della frazione in massa di miscela combusta xb(θ) in funzione dell’angolo di manovella
2.5 Dispersione Ciclica
E’ stato sperimentalmente provato che, anche quando un motore funziona in condizioni stazionarie, un ciclo non si ripete mai identico al precedente, ciò da luogo al fenomeno della “Dispersione Ciclica” [2] .
In Fig.2.5 è possibile notare le differenze fra le curve di pressione e di massa di miscela combusta per quattro cicli consecutivi di un motore in condizioni stazionarie.
Le principali cause di queste variazioni sono:
• le condizioni di moto della carica nel cilindro sono causali ed irripetibili;
• il miscelamento dei gas residui con la carica fresca può variare anche significativamente, soprattutto nei pressi della candela;
• variazioni nella quantità di aria e di combustibile inviati allo stesso cilindro in cicli successivi.
Figura 2.5 Andamento della pressione p(θ)e della frazione in massa di miscela combusta
) (θ b
x in funzione dell’angolo di manovella per quattro cicli consecutivi in un motore ad accensione comandata.
L’importanza di questi fattori è legata alle caratteristiche geometriche del motore e delle sue condizioni di funzionamento.
La condizione della carica (composizione, intensità, turbolenza, ecc) in prossimità della candela influenzano lo sviluppo dello stadio iniziale della fiamma, determinando la velocità con la quale procedono le reazioni chimiche, in modo diverso da ciclo a ciclo. Da ciò seguono variazioni della velocità con cui il piccolo fronte iniziale di tipo laminare si
trasforma in una fiamma turbolenta cioè variazioni della durata della prima sottofase della combustione.
Tra le conseguenze negative della dispersione ciclica vi è sicuramente la necessità di far riferimento ad un “Ciclo Medio” per fissare alcuni parametri, tra cui l’anticipo di accensione, ad un valore ottimale. Tipicamente questi parametri sono determinati empiricamente come soluzione di miglior compromesso tra opposte esigenze, ovviamente essendo fissati per un ciclo medio, ne consegue che per gran parte di quelli effettivi essi avranno un valore tanto più lontano dall’ottimo quanto più il ciclo considerato si allontana da quello medio.
Ad esempio, l’anticipo stabilito risulterà eccessivo per cicli con velocità di combustione superiore a quella del medio, mentre sarà insufficiente per tutti quelli con velocità di combustione inferiore. Ovviamente tutto questo causa perdite di potenza e di rendimento del motore, oltre che l’aumento di emissioni di inquinanti.
Inoltre, in molti casi sono i cicli estremi ad imporre limite alle condizioni di funzionamento del motore; ad esempio il limite magro al quale il motore può funzionare è imposto dai cicli estremi a combustione lenta, perché in questi cicli lo smagrimento della miscela può portare a combustioni incomplete o irregolari. Per evitare queste condizioni occorre al solito assumere un determinato ciclo medio di riferimento e quindi valutare il giusto margine per determinare il titolo della miscela.
Se non ci fosse dispersione ciclica, il motore potrebbe essere regolato per funzionare con una miscela più magra, con vantaggi dal punto di vista dei consumi e dell’inquinamento. In presenza di una contenuta dispersione ciclica, l’inerzia dei componenti meccanici del motore riesce a mediare le variazioni nel tempo che si hanno all’interno dei cilindri, in tal modo la coppia erogata risulta costante. Quando però l’entità della dispersione diventa significativa allora quest’azione compensatrice non è più sufficiente ed il funzionamento del motore tende a diventare irregolare.
2.6 Emissioni di un Motore ad Accensione Comandata
I motori a combustione interna producono energia bruciando combustibili fossili, essi per attuare il processo di combustione aspirano aria dall’atmosfera e vi scaricano i prodotti della combustione sotto forma di gas di scarico, un insieme di gas fra i quali alcuni, essendo nocivi, sono causa di inquinamento dell’atmosfera circostante.
Il fatto che gli idrocarburi non sono puri e che la combustione molto spesso non avviene in modo completo, fa sì che i gas prodotti dalla combustione non siano solo acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2), che risultano innocui, ma contengono anche i seguenti elementi nocivi [1]:
• ossido di carbonio (CO);
• idrocarburi incombusti vari (HC); • ossidi di azoto (NOx);
• Sali di piombo e carbonio sotto forma di polveri; • Ossidanti.
Mentre H2O e CO2 si dissolvono naturalmente nelle acque e nel suolo e per assorbimento da parte della vegetazione, le altre emissioni restano nell’aria. Il CO ad esempio quando raggiunge una percentuale elevata nell’aria produce danni fisiologici.
Gli idrocarburi (HC) non solo producono effetti fisiologici ma anche danni alle piante e causano una riduzione della visibilità.
Gli ossidi di azoto (NOx) in seguito a complesse reazioni chimiche a cui partecipano anche gli HC, e per effetto della luce solare, possono causare smog fotochimico ed effetti nocivi agli occhi e alla respirazione.
Si tenga presente inoltre che i mezzi di trasporto possono contribuire all’inquinamento dell’ambiente anche per problemi legati al serbatoio e al sistema di alimentazione del combustibile, al basamento del motore, al condotto di scarico, ecc.
Nei motori di nuova generazione le normative hanno ormai imposto un efficace controllo di queste emissioni, attraverso il ricircolo dei gas che trafilano nel basamento e l’assorbimento dei vapori derivanti dalla “respirazione” del serbatoio. Quindi il contributo significativo all’inquinamento atmosferico è dato dallo scarico dei prodotti della combustione.
2.7 Formazione degli Inquinanti [2]
In Fig.2.6 viene illustrato il meccanismo attraverso il quale si formano i principali inquinanti (CO, HC, NOx) nel cilindro di un tipico motore ad accensione comandata.
Figura 2.6 Schematizzazione dei processi più probabili di formazione dei principali inquinanti (CO, HC, NOx) durante le fasi del ciclo di un motore ad accensione comandata.
In Tab.2.1 viene riporta la percentuale in volume di alcuni tipici costituenti dei gas di scarico di un motore ad accensione comandata per autovettura in quattro condizioni di funzionamento, progettato solo in funzione delle migliori prestazioni ottenibili e quindi privo di controllo per le emissioni.
Composizione Condizione di funzionamento Minimo Accelerazione Velocità
Costante Decelerazione Anidride Carbonica 2 CO [%] 9,5 10,5 12,5 9,5 Ossido di Carbonio CO [%] 2 2 0,4 2 Idrocarburi Incombusti HC [ppm come C1] 4000 2500 2000 20000 Ossidi di Azoto x NO [ppm come NO] 100 1500 1000 100
Tabella 2.1 Percentuali tipiche di alcuni costituenti dei gas di scarico di un motore ad accensione comandata, privo di controllo per le emissioni
Figura 2.7 Influenza del rapporto di miscela sulla concentrazione dei tre principali inquinanti (CO, HC, NOx) emessi allo scarico di un tipico motore ad accensione comandata. Consumo specifico di combustibile (indice dello sfruttamento della fonte di energia)
2.7.1 Ossidi di Carbonio
Dalle misure effettuate in molte città è emerso che le percentuali comprese fra il 63% e il 95% di tutto il CO emesso in atmosfera sono imputabili ai mezzi di trasporto.
Il CO ha origine nella zona di reazione come prodotto di ossidazione parziale degli idrocarburi, in un secondo momento avviene la sua ossidazione ad anidride carbonica:
H CO OH
CO+ ⇔ 2 +
A causa del rapido calo di temperatura durante la fase di espansione può accedere che si arrestino i processi chimici che regolano l’ossidazione del CO, il quale quindi diventa un residuo della parziale combustione avvenuta.
Risultati sperimentali confermano che ad influenzare la concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto aria/combustibile nella miscela di alimentazione.
In Fig.2.7 si osserva che la quantità di CO aumenta all’arricchirsi della miscela, per via della riduzione di ossigeno. Tipicamente i motori SI lavorano con un rapporto di miscela
vicino allo stechiometrico ai carichi parziali, e ricco nei transitori ed a piena ammissione, questo implica che le emissioni di CO sono considerevoli e devono essere controllate.
2.7.2 Idrocarburi Incombusti
Gli HC cono sempre presenti nei gas di scarico e derivano dalla combustione incompleta e dalla presenza di lubrificanti in camera di combustione.
Durante la compressione, mentre la pressione nel cilindro cresce, parte della carica fresca è forzata ad entrare nei piccoli interstizi (ad esempio il volume compreso tra pistone, cilindro e fasce elastiche; la cavità fra testata, guarnizione e cilindro; ecc) dove il fronte di fiamma non riesce a penetrare. Inoltre i depositi in camera di combustione assorbono idrocarburi dalla carica fresca compressa .
In presenza di un fronte di fiamma particolarmente lento, può accadere che si spenga ancora prima di giungere sulle pareti della camera, lasciando quindi masse di gas ricche di incombusti e prodotti di parziale ossidazione.
Nel corso dello scarico gli HC vengono rigettati dagli interstizi in cui erano stati compressi e rilasciati dai depositi che gli avevano assorbiti. Il mescolamento di questi HC con i gas combusti ad alta temperatura, fa sì che in presenza di ossigeno una parte di essi venga ossidata. E’ possibile aumentare la percentuale di HC che vengono ossidati, facendo proseguire il processo di ossidazione anche nei condotti di scarico, ad esempio ricorrendo a sostanze catalizzanti la reazione di ossidazione.
Di seguito riportiamo un elenco di alcune variabili che influenzano la concentrazione di HC nei gas di scarico:
• Il rapporto aria/combustibile della miscela;
• Il valore dell’anticipo di accensione rispetto al PMS; • Il rapporto superficie/volume della camera di combustione; • La natura e la quantità dei depositi in camera di combustione; • Il regime di rotazione e le condizioni di carico del motore; • L’efficacia del sistema di raffreddamento;
• L’angolo di contemporanea apertura delle valvole; • La contropressione incontrata allo scarico.
I fattori che influenzano significativamente la concentrazione di idrocarburi incombusti (Fig.2.7) sono il rapporto di miscela, che influisce sulla durata ed il completamento della combustione facendo variare la temperatura in camera di combustione, e l’anticipo di accensione, in quanto ritardando l’istante di accensione della miscela si può ritardare il completamento della combustione, che continuerà nella prima parte della fase di scarico coinvolgendo anche una parte di idrocarburi incombusti.
2.7.3 Ossidi di Azoto
Gli ossidi di azoto si formano alle alte temperature raggiunte nella zona di reazione, qui in eccesso di O2 atomi di azoto possono combinarsi direttamente con ossigeno.
Il monossido di azoto si trova in percentuale predominante (mediamente 98%), esso deriva dalla ossidazione dell’azoto presente nell’aria, probabilmente secondo questo meccanismo di reazioni proposto da Zeldovich:
N NO N O+ 2 ⇔ + O NO O N + 2 ⇔ + H NO OH N+ ⇔ +
Dalle reazioni si vede che viene richiesta la dissociazione delle molecole di N2 ed O2 in atomi in seguito alle elevate temperature (oltre i 2000 K) raggiunte dai gas nella zona di reazione del fronte di fiamma.
In un motore reale non si raggiunge mai una vera e propria condizione di equilibrio chimico fra i reagenti, per via dei tempi brevi a disposizione e degli elevati gradienti locali della temperatura. Per cui durante la fase di espansione, le reazioni di distruzione del monossido di azoto sono arrestate dalla rapida diminuzione della temperatura e quindi l’NO và a mescolarsi con i gas combusti in concentrazioni dipendenti principalmente dai valori massimi di temperatura raggiunti e dal contenuto di ossigeno della miscela di alimentazione.
Tale concentrazione è legata anche ai seguenti parametri del motore: • Rapporto aria/combustibile della miscela;
• Valore dell’anticipo di accensione rispetto al PMS; • Ricircolo di parte dei gas combusti in aspirazione; • Valore del carico e regime di rotazione del motore.
Figura 2.8 Influenza del rapporto di miscela e dell’anticipo di accensione sulla concentrazione degli ossidi di azoto emessi allo scarico di un tipico motore ad accensione comandata.
Il rapporto aria/combustibile della miscela influenza la temperatura di combustione che raggiunge il massimo per valori ricchi ma non esageratamente (α ≈1,1), altrimenti si ha l’effetto contrario per via della riduzione della concentrazione di ossigeno.
Quindi partendo da miscele leggermente ricche, la diminuzione della temperatura derivante da uno smagrimento della miscela viene compensato dall’aumento della concentrazione di ossigeno, per miscele molto magre (α ≈0,9), invece, si ha la maggiore concentrazione di NOx (Fig.2.7).
Inoltre ritardando l’accensione si ha che una minore quantità di combustibile brucia prima del PMS, con conseguente diminuzione delle pressioni e temperature massime. La Fig.2.8, mostra come al diminuire dell’anticipo di accensione segue una significativa riduzione di NO, mentre aumenta il consumo di combustibile. Dalla Fig.2.8 è inoltre evidente che i massimo di NOx si hanno per rapporti di miscela e anticipi di accensione che danno il
minimo consumo specifico di combustibile, ossia che ottimizzano il rendimento del motore.
2. 8 Normative Antinquinamento [5]
Le numerose direttive comunitarie via via emanate fin dal 1970 per contenere l'inquinamento atmosferico causato dalle emissioni dei veicoli a motore hanno sostanzialmente imposto una progressiva riduzione dei limiti per le sostanze inquinanti rilasciate nell'atmosfera attraverso i gas di scarico (monossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC), ossidi di azoto (NOx) e particolato per i motori diesel).
Queste norme sono state modificate e inseverite da successivi emendamenti che hanno portato nel 1992 all’entrata in vigore dei cosiddetti limiti Euro 1, dando svolta decisiva in tema di contenimento delle emissioni nocive. Si sono poi susseguiti ulteriori direttive (EURO 2, EURO3, EURO 4, EURO 5) che fissano limiti sempre più severi per le emissioni nocive dei veicoli a motore e impongono la presenza di sofisticati dispositivi diagnostici di bordo per il controllo del funzionamento degli apparati antinquinamento. Le norme EURO si applicano sia in sede di approvazione dei prototipi da costruire in serie e destinati ad essere immessi in circolazione (omologazione), sia ai fini dell'immissione in circolazione dei singoli esemplari di veicolo (vera e propria immatricolazione, intesa come rilascio di carta di circolazione e targhe).
Le ultime normative sono EURO 5 ed EURO 6, per le omologazioni queste normative entreranno in vigore rispettivamente il 01/01/2009 e il 01/01/2014 mentre per le immatricolazioni il 01/01/2011 e il 01/01/2015.
Autoveicoli con massa complessiva fino a 3,5 tonnellate
EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4
immatricolati dopo il 31.12.1992 immatricolati dopo il 01.01.1997 immatricolati dopo il 01.01.2001 immatricolati dopo il 01.01.2006 91/441 CEE 91/542 CEE 93/59 CEE 91/542 CE –B 94/12 CEE 96/1 CE 96/44 CE 96/69 CE 98/77 CE 1999/102 CE rif 96/69 98/69 CE 98/77 CE rif. 98/69 99/96 CE 99/102 CE rif 98/69 2001/1 CE 2002/80 CE 98/69 CE-B 99/102 CE-B rif 98/69 2001/1 CE-B 2002/80 CE-B
Motocicli e ciclomotori
EURO 1 EURO 2 EURO 3
omologati dopo il 17.6.1999 ciclomotori omologati dopo il 17.6.2002 motocicli immatricolati
dal 1.1.2003
omologati o immatricolati dopo il 1.1.2006
97/24 CE cap. 5 97/24 CE fase II cap. 5 2002/51 CE fase A
2002/51 CE fase B
Tabella 2.2 Principali Normative comunitarie sulle Emissioni Inquinanti
Nella Tab.2.2 sono riportate le principali normative comunitarie sulle emissioni inquinanti, in Tab2.3, invece, sono messi a confronto i limiti imposti dall’entrata in vigore dell’Euro 1 fino all’Euro 5 ed Euro 6.
Massa di Ossido di Carbonio (CO) Massa di Idrocarburi (HC) Massa di Ossidi di Azoto (NOx) Massa combinata di HC e NOx (HC + NOx) Massa di Particolato (PM) Normativa
BENZ. DIES. BENZ DIES BENZ DIES BENZ DIES DIESEL
EUR0 1 2,72 2,72 --- --- --- --- 0,97 0,97 0,14 EURO 2 2,20 1,00 --- --- --- --- 0,50 0,70 0,08 EURO 3 2,30 0,64 0,20 --- 0,15 0,50 --- 0,56 0,05 EURO 4 1,00 0,50 0,10 --- 0,08 0,25 --- 0,30 0,025 EURO 5 1,00 0,50 0,10 --- 0,06 0,18 --- 0,23 0,005 EURO 6 1,00 0,50 0,10 --- 0,06 0,08 --- 0,17 0,005
