Introduzione
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Introduzione
Il progresso, volto a soddisfare necessità e aspirazioni pratiche, ha contribuito negli ultimi
decenni a migliorare sensibilmente il tenore di vita in tutto il mondo industrializzato.
L’aumento del benessere ha determinato un'espansione dell'attività economica in tutti i settori
chiave - segnatamente energia, trasporti, industria, edilizia e agricoltura.
Il settore dei trasporti, in particolare, si ritrova oggi a soddisfare le esigenze di una società che
richiede sempre più mobilità e nello stesso tempo una maggiore qualità dei servizi offerti.
La mobilità, infatti, rappresenta una delle caratteristiche più importanti della società moderna,
consentendo agli individui di svolgere attività produttive e di provvedere al soddisfacimento
dei propri bisogni essenziali, sociali e culturali. Per avere un’idea sull’evoluzione della
mobilità in Italia, si può fare riferimento, a titolo di esempio, alla Tabella I.1: da quest’ultima
si nota come nel periodo 1990-1998 l’incremento di mobilità sia stato generalizzato,
interessando quasi tutte le modalità di trasporto.
Tabella I.1 Traffico interno di passeggeri per mezzo di trasporto (milioni di passeggeri-km)
1
1
FONTE: Ministero dei trasporti e della navigazione, Conto Nazionale dei trasporti, 1999.
Introduzione
2
Dalla Tabella I.1 si può inoltre desumere l’alta incidenza dei trasporti su strada sul traffico
totale interno dei passeggeri , a tal punto che la quota del traffico su strada ha raggiunto nel
1998 il 92 % , di cui l’82% rappresentato dalla modalità autovettura ( Figura I.1).
Figura I.1 : Traffico interno di passeggeri per mezzo di trasporto (%), 1998
2
La richiesta di maggiore mobilità e il conseguente adeguamento ad essa da parte dei trasporti ,
hanno determinato una notevole crescita del consumo energetico annuo, essendo il settore dei
trasporti responsabile per circa un terzo dell’energia consumata dall’Unione Europea.
Per il consumo energetico nazionale all’interno del settore troviamo in primo piano i trasporti
su strada (Figura I.2), che assorbono da soli circa l’88% del consumo energetico totale.
Settore dei trasporti
Trasporto su strada Tramvie,metro e ferrovie urbane
Ferrovie passeggeri Ferrovie merci
Aereo Vie d'acqua
Trasporto per condotte
Figura I.2: Consumo di energia nel settore dei trasporti
2
FONTE: Ministero dei trasporti e della navigazione, Conto Nazionale dei trasporti, 1999.
Introduzione
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Al loro interno il 60% circa dei consumi energetici è rappresentato dalle autovetture, in Figura
I.3 vengono separati i contributi relativi al trasporto urbano ed extraurbano.
Trasporti su strada
Autovetture, urbano e suburbano Autovetture, extraurbano
Motocicli Autobus,urbano e suburbano
Autobus, extraurbano Distribuzione urbana merci
Autotrasporto merci
Figura I.3: Consumo di energia nei trasporti stradali
La situazione delle vetture private è di gran lunga la più critica, essendo da una parte il
principale mezzo di inquinamento urbano e dall’altra quello che soddisfa la quasi totalità delle
esigenze di spostamento.
A causa del loro elevato consumo energetico, i trasporti non risultano neutri per l'ambiente:
infatti, seppure in misura diversa, tutte le modalità di trasporto hanno ripercussioni
sull'ambiente , e questo a causa dell’immissione in atmosfera di numerose sostanze inquinanti
dannose per la salute dell’uomo e , più in generale, per tutto l’ambiente.
Al settore nazionale trasporti si possono attribuire (stime 1997) le seguenti emissioni, in
termini percentuali sul totale (tra parentesi il valore relativo al trasporto su strada):
ossido di carbonio (CO) : 78% (72%)
ossidi di azoto (NOX) : 66% (53%)
composti organici volatili non metanici (COVNM) : 53% (46%)
anidride carbonica (CO2): : 28% (24%)
ossidi di zolfo (SO
x
) : 4% (2,8%).
Introduzione
4
Nelle aree densamente abitate ove il traffico è elevato e le emissioni industriali sono ridotte, le
percentuali tra parentesi relative al trasporto su strada sono in ulteriore aumento.
Il settore dei trasporti emette inoltre, tra i rilasci più importanti per gli impatti su salute e
ambiente, piombo, benzene e particolato fine (PM10), in massima parte da fonte stradale. Le
emissioni di tali sostanze, oltre a quelle già citate , hanno effetti negativi sull’ambiente in
quanto provocano le piogge acide , lo smog fotochimico , l’ effetto serra.
Accertato ormai il fatto che gran parte della responsabilità dell’inquinamento atmosferico è da
attribuire ai trasporti su strada (specie su tutti le autovetture), si è rivelato necessario adottare
nel corso degli anni una serie di strategie volte a contenere prima, e a ridurre in maniera
consistente poi , l'impatto dei trasporti su strada sull'ambiente, con particolare attenzione alle
aree urbane , dove il problema dell’inquinamento atmosferico si fa più sentire.
Le principali strategie possono essere così riassunte:
Rinnovo del parco veicolare,
Gestione della mobilità urbana e metropolitana,
Sviluppo di sempre più sofisticati sistemi di regolazione elettronica atti a migliorare i
processi di alimentazione, iniezione e combustione.
Impiego di combustibili alternativi rinnovabili “puliti”.
Per quanto riguarda le ultime due iniziative , si cercherà nelle righe successive di mettere a
fuoco la loro dinamica, senza però scendere troppo nel dettaglio.
Negli ultimi decenni si è assistito a un aumento della consapevolezza ambientale da parte dei
cittadini , sempre più in molti a richiedere auto a bassi consumi e a basso impatto ambientale.
Infatti, se mentre prima si dava più importanza allo sviluppo delle prestazioni classiche dei
motori, quali , coppia , potenza e guidabilità, attualmente , grazie a questa maggiore
sensibilità ambientale , l’ecocompatibilità del motore gioca un ruolo fondamentale nella
Introduzione
5
vendita delle autovetture , a tal punto da fungere da strumento competitivo nelle mani dei più
grandi gruppi automobilistici mondiali. Ecco spiegato il motivo per cui più quotate case
automobilistiche, per non uscire dal mercato, sono state stimolate a proporre nuovi limiti alle
prestazioni ambientali da rispettare.
E’ questa la logica che negli ultimi anni ha condotto da una parte tutti i principali costruttori
di automobili, dall’altra la stessa Unione Europea , alla elaborazione di una serie di normative
europee per la limitazione delle emissioni inquinanti allo scarico.
Si è sviluppata dunque un’importante interazione tra case automobilistiche ed ente normatore:
le prime si impegnano nella riduzione delle specie inquinanti , il secondo , invece, guida la
ricerca ed ha la capacità con le sue leggi di differenziare la qualità dei propulsori offerti e di
indirizzare l’acquisto verso i modelli più “puliti”. Si spiega così la tendenza alla realizzazione
di motori di più piccola taglia finemente ottimizzati nel loro funzionamento.
Le normative in questione, a cui si fa spesso riferimento come “EURO1”, EURO2” “EURO3”
e “EURO4”, hanno determinato di fatto una accelerazione nella riduzione delle emissioni
anche al di sopra delle più rosee aspettative (Tabella I.2).
Valori in g/km Veicoli a benzina (Classe M1) Veicoli Diesel (Classe M1)
Dal Fase CO HC NOx CO HC+NOx NOx PM
1993 EURO1 2.72 0.97 compl. 2.72 0.97 - 1.4
1997 EURO2 2.2
0.50
complessivamente
1.06
0.71 0.63 0.08 In. indiretta
0.91 0.81 0.10 In. diretta
2000 EURO3 2.3 0.2 0.15 0.64 0.56 0.50 0.05
2005 EURO4 1.0 0.1 0.08 0.50 0.30 0.25 0.025
Tabella I.2: Limiti alle emissioni inquinanti secondo le ultime normative europee
Per una corretta interpretazione dei valori in Tabella I.2, è necessario aggiungere che con
l’avvento della EURO 3, è stato eliminato dal ciclo di riferimento ECE (impiegato per la
misura delle emissioni inquinanti) il periodo iniziale di regimazione termica del motore
(Figura 1.4); i rilevamenti vengono effettuati da subito comprendendo quella fase di warm-up
in cui si concentra la massima percentuale di emissione (Figura I.5).
Introduzione
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Cicli di riferimento nelle normative europee
Cicli di riferimento nelle normative europee
EURO1 and 2
E’ permesso un periodo di 40s
con il motorer al minimo prima
dell’inizio del campionamento
EURO1 and 2
E’ permesso un periodo di 40s
con il motorer al minimo prima
dell’inizio del campionamento
EURO3 and 4
Il pre-riscaldamento non è più
permesso: ciò determina un
rilevante aumento delle emissioni
durante il Warm-Up
EURO3 and 4
Il pre-riscaldamento non è più
permesso: ciò determina un
rilevante aumento delle emissioni
durante il Warm-Up
0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080
0
40
80
120
Sampling Period [1180s]
Warm-Up Period [40s]
Tempo [s]
Velocità [km/h]
0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080
0
40
80
120
Sampling Period [1180s]
Tempo [s]
Velocità [km/h]
Figura I.4: Confronto tra cicli di riferimento
Rilevanza del Warm-Up nei cicli di riferimento EU
Rilevanza del Warm-Up nei cicli di riferimento EU
Monossido di Carbonio (CO)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ECE15-1 ECE15-2 ECE15-3 ECE15-4 EUDC
Peso percentuale
EURO 1 and 2
EURO 3 and 4
Ossidi di Azoto (NOx)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ECE15-1 ECE15-2 ECE15-3 ECE15-4 EUDC
Peso percentuale
EURO 1 and 2
EURO 3 and 4
Idrocarburi (HC)
0
10
20
30
40
50
60
70
ECE15-1 ECE15-2 ECE15-3 ECE15-4 EUDC
Peso percentuale
EURO 1 and 2
EURO 3 and 4
Consumi di combustibile
0
10
20
30
40
50
60
ECE15-1 ECE15-2 ECE15-3 ECE15-4 EUDC
Peso percentuale
EURO 1 and 2
EURO 3 and 4
Figura I.5: Fase di warm-up ed emissioni inquinanti
Il progresso normativo, tuttavia, non si arresta qui, perché conquisterà una nuova tappa nel
2008, quando entrerà in vigore la nuova legge antinquinamento Euro5.
Introduzione
7
Le emissioni di particelle dai veicoli alimentati a diesel verranno ridotte dell'80% e le
emissioni di ossido di azoto del 20%.
La stretta alle emissioni sarà sostenuta da misure aggiuntive e soprattutto dall'apporto di
appropriate tecnologie, in particolare per quanto riguarda l'adozione di dispositivi e filtri.
Per quanto riguarda i veicoli alimentati a benzina, la Commissione europea propone una
riduzione delle emissioni di ossido di azoto e di idrocarburi del 25%.
Euro 5 dovrà contribuire a fissare regole armonizzate per tutti i Paesi in fase di costruzione e
produzione dei motori e dei veicoli, allo scopo di abbattere a monte il potenziale inquinante.
● ● ●
I motori tradizionali (ad es. a benzina, a gasolio) hanno ormai raggiunto i loro limiti minimi in
termini di emissioni inquinanti , o meglio , ulteriori riduzioni porterebbero solo ad un
incremento di costo crescente.
Per questo motivo è interessante valutare una serie di soluzioni alternative (motori a metano,
GPL, biodiesel, propulsori elettrici, ibridi, a celle a combustibile, ad aria compressa, ecc.) , i
cui costi industriali diminuiscano sempre di più man mano che le relative tecnologie
acquisiscono maturità.
E’ da rilevare, però, la difficoltà di confrontare le diverse tecnologie proposte, che spesso
hanno un diverso target sia temporale sia applicativo (pubblico, privato, trasporto pesante,
mobilità urbana, ecc.).
Infatti, ogni soluzione può migliorare la compatibilità ambientale, ma nello stesso tempo può
compromettere in negativo alcuni parametri motoristici, per cui risulta necessario svolgere
un’analisi costi/benefici per ogni alternativa in relazione agli specifici settori di applicazione.
Senza pensare a soluzioni futuristiche, metano e GPL rappresentano due alternative di grande
interesse, sia sul fronte del contenimento dei costi di gestione sia per la riduzione delle
emissioni inquinanti, che presentano livelli particolarmente bassi, al punto che generalmente i
Introduzione
8
blocchi alla circolazione non riguardano i veicoli alimentati a metano o GPL.
Il tutto senza penalizzare in modo significativo le prestazioni nell’uso normale, né la
possibilità di usufruire dei parcheggi sotterranei, nel caso dei mezzi più recenti, conformi alle
omologazioni comunitarie oggi in vigore.
Confrontando però GPL e metano tra loro, solo il primo rappresenta un’effettiva valida
soluzione al problema di trovare un compromesso tra l’esigenza di compatibilità ambientale e
quella di mantenimento se non miglioramento delle prestazioni cosiddette motoristiche.
In questo ambito, il presente lavoro di tesi concentra la sua attenzione sul GPL, mirando allo
approfondimento e all’aggiornamento delle conoscenze relative all’uso del combustibile.
Più in dettaglio questa tesi si è organizzata nei seguenti capitoli così sinteticamente
descrivibili:
Nel Capitolo 1 l’attenzione si sofferma sul GPL di cui è fornita una descrizione
completa e dettagliata.
Nel Capitolo 2 si sono passati in rassegna le diverse generazioni di sistemi di
alimentazione del GPL succedutesi sul mercato nel corso degli anni, descrivendo
l’evoluzione che li ha caratterizzati e portati alle attuali configurazioni a controllo
elettronico.
Nel Capitolo 3 è illustrato il procedimento di sperimentazione utilizzato per
caratterizzare il flusso d’aria all’interno del condotto di aspirazione, utile ai fini dello
studio dell’interazione getto-campo di moto dell’aria .
Nel Capitolo 4 è descritto il banco d’iniezione nei suoi componenti principali che ha
permesso la realizzazione della parte sperimentale.
Nel Capitolo 5 sono riportati i risultati sperimentali con i relativi grafici e
osservazioni.
Capitolo 1 - Il GPL
9
Capitolo 1
Il GPL
1.1 Generalità
Con la sigla “GPL” si fa riferimento ai Gas di Petrolio Liquefatti, ottenuti tramite la
trasformazione del petrolio, nelle raffinerie e nei campi petroliferi; oppure tramite il
degasaggio del gas naturale (separazione degli idrocarburi liquidi contenuti nel gas).
Attualmente in Europa il GPL è per circa il 55% estratto da giacimenti di gas naturale e per il
restante 45% derivato dalla raffinazione del petrolio.
Il GPL rappresenta dunque un ‘sottoprodotto’ del petrolio, globalmente ne costituisce una
percentuale del 3 4 % e la sua disponibilità è legata a quella del greggio, per cui si può
affermare che il GPL non può costituire un’ alternativa alla benzina a tutti gli effetti , piuttosto
un elemento fondamentale del mix di combustibili a basso impatto ambientale necessari per
limitare, a medio-breve termine, il problema dell’inquinamento atmosferico.
Il GPL è un idrocarburo composto principalmente da una miscela di propano e di butano:in
virtù delle caratteristiche chimiche e fisiche di questi componenti, i gas di petrolio sono più
pesanti dell'aria, sono incolori e inodori. Butano e propano si differenziano per la temperatura
di ebollizione e per la tensione di vapore (che corrisponde alla pressione della fase gassosa in
Capitolo 1 - Il GPL
10
equilibrio con la fase liquida); la tensione di vapore del propano e del butano aumenta con il
crescere della temperatura. Avendo la proprietà di essere gassosi a temperatura ambiente e a
pressione atmosferica, il butano ed il propano diventano liquidi appena sottoposti ad una
modesta sovrapressione. Ciò ne consente l'utilizzo, in quanto allo stato liquido questi gas sono
facilmente trattabili e trasportabili, utilizzando recipienti a pressione come autocisterne,
serbatoi per autoveicoli, bombole per uso domestico.
Oggi il GPL è in Italia una fonte energetica diffusa e ben accolta, che vanta diversi utilizzi
tanto che, nel nostro Paese, si registra il consumo complessivo più elevato d’Europa.
In Italia esiste ed è prospero sia il mercato del GPL per uso domestico ed industriale, sia
quello per autotrazione. La ragione di questa diffusione si può trovare in una serie di
caratteristiche positive del GPL facilmente riscontrabili dagli utenti:
· facilità di trasporto;
· efficienza energetica;
· convenienza economica.
Inoltre, dal punto di vista ambientale e della sicurezza - grazie ad una costante innovazione
tecnologica – nel Settore GPL sono stati raggiunti risultati molto significativi.
È possibile dire, infatti, che oggi il GPL rappresenta una sicura ed immediata alternativa agli
altri combustibili di origine fossile da un punto di vista ambientale. I gas prodotti dalla
combustione del GPL hanno, infatti, un basso contenuto sia di sostanze inquinanti sia di gas
serra. Inoltre il benzene e gli IPA (idrocarburi policiclici aromatici) sono completamente
assenti nel GPL. Dal punto di vista dell’impatto ambientale associabile al suo uso, il GPL è
oggi l’unico combustibile che oltre a presentare basse emissioni inquinanti, ha anche costi di
utilizzo competitivi (rispetto ad altre soluzioni ancora oggi da considerarsi sperimentali). I
benefici ambientali del GPL non si limitano però solo al suo uso, ma anche alla sua
produzione. Rispetto ad altri combustibili tradizionali, infatti, il GPL ha un più basso costo.
Capitolo 1 - Il GPL
11
Una prova dell’elevato grado di compatibilità di questa risorsa è riscontrabile osservando i
nuovi sviluppi e le nuove applicazioni verso cui si sta orientando l’industria del settore. Dal
punto di vista della sicurezza sono ormai stati raggiunti elevati standard tecnici – nel Settore
sia della combustione sia dell’autotrazione - che assicurano un uso del GPL in piena
sicurezza. Sia a livello nazionale che internazionale, infatti, numerose decisioni, nuovi
regolamenti e applicazioni tecnologiche sono stati adottati per garantire sempre un maggior
livello di sicurezza in tutta la filiera del prodotto dallo stoccaggio nei depositi, al trasporto ed
alla distribuzione quotidiana alle utenze finali, sia per la combustione sia per l’autotrazione.
Nel campo dell'autotrazione, il GPL costituisce la soluzione ideale per conciliare sicurezza,
risparmio, prestazioni ed energia pulita. Tale merito è dovuto principalmente alle sue naturali
caratteristiche chimico-fisiche e all'elevata tecnologia raggiunta dai sistemi di alimentazione
del GPL. Questi fattori, uniti al basso costo di rifornimento e alle scarsissime emissioni
inquinanti, rispetto a benzina e diesel, hanno fatto del GPL il carburante ecologico alternativo
per eccellenza. A proposito delle emissioni, si deve osservare che i GPL, essendo esenti da
additivi, danno luogo a gas di combustione in genere privi di composti inquinanti connessi
alla presenza di detti additivi, quali composti metallici o solforati.
Alla luce di ciò, risulta chiaro che il GPL deve ricoprire un ruolo importante per
l’autotrazione privata e pubblica nei grandi centri urbani, dove può contribuire a ridurre
drasticamente i tassi di inquinamento dell’aria.
A conferma della consapevolezza di questo impegno è la scelta del GPL in sempre più
numerosi paesi europei e mondiali (Italia, Austria, Francia, Olanda, USA, Giappone, …) per
l'alimentazione dei mezzi pubblici quali autobus, taxi e scuolabus.
Capitolo 1 - Il GPL
12
1.2 Caratteristiche chimico-fisiche
1.2.1 Composizione
Come già accennato, il GPL per autotrazione è costituito principalmente da butano e propano.
Più precisamente il GPL è ottenuto tramite miscelazione di due sotto-miscele di idrocarburi
leggeri, chiamate di norma propano commerciale e butano commerciale.
Oltre a butano e propano, queste sotto-miscele possono includere altri idrocarburi più pesanti
o più leggeri: la composizione tipica di queste miscele è riportata in Tabella 1.1.
+ leggeri di C
3
C
3
C
4
C
5
+ pesanti di C
5
Propano commerciale (C
3
H
8
) < 3 > 94 < 3 Tracce Tracce
Butano commerciale (C
4
H
10
) Tracce < 4 > 94 < 2 Tracce
Tabella 1.1 – Principali componenti del GPL per autotrazione (1994)
Dalla tabella 1.1 si può osservare la prevalenza di idrocarburi con soli 3 o 4 atomi di carbonio
per molecola , presenti al minimo al 94%, e l’inconsistenza degli altri idrocarburi, presenti
con frazioni molari inferiori al 6-7%. Nonostante la quasi irrilevante presenza di alcuni
idrocarburi , è comunque interessante conoscere tutti gli idrocarburi che compongono il GPL.
Gli idrocarburi presenti nel GPL si dividono innanzi tutto in due grandi serie:
Idrocarburi paraffinici saturi (CnH2n+2)
Idrocarburi olefinici insaturi (CnH2n)
Secondo questa distinzione, la tabella 1.2 riporta i principali idrocarburi costituenti il GPL:
Tabella 1.2
Capitolo 1 - Il GPL
13
Si osserva che, con cinque atomi di carbonio presenti nella struttura molecolare l’idrocarburo
si presenta allo stato liquido sia per gli “idrocarburi saturi” sia per gli “idrocarburi olefinici”.
La tabella 1.3 offre una panoramica sulle principali caratteristiche chimico-fisiche dei
maggiori componenti del GPL , alcune delle quali saranno affrontate in dettaglio più avanti.
Proprietà
Propilene Propano Butilene i-Butilene Butano i-Butano
C
3
H
6
C
3
H
8
C
4
H
8
C
4
H
10
Massa molecolare kg/kmol
42.079 44.094 56.105 56.105 58.12 58.12
Rapp. Carbonio/Idrogeno kg/kg 6 4.5 6 6 4.8 4.8
Temperatura critica °C 91.4 96.8 147.2 144.7 152.0 134.0
Pressione critica bar 45.4 42.0 42.1 39.5 36.0 36.9
Densità del liquido a 15.5°C kg/m
3
522 508 601 600 584 563
Densità °API 139.7 147.0 103.9 104.3 110.8 119.8
Dens. vapore (1 atm, 15°C) kg/m
3
1.776 1.861 2.369 2.369 2.452 2.432
Cal. latente di vap. (1 atm) kJ/kg 440 425 404 388 386 368
Punto di ebollizione °C -47.7 -42.1 -6.3 -6.9 -0.5 -11.7
Tens. di vapore Reid (37.8°C) bar 15.67 13.07 4.30 4.38 3.58 5.06
Pot. Calorifico superiore
MJ/kg 48.985 50.450 48.520 48.240 49.640 49.520
MJ/l 102.4 106.5 120.7 121.4 120.0 115.9
Rapporto stechiometrico
kg/kg 14.76 15.71 14.76 14.76 15.49 15.49
l/l 21.44 23.87 28.58 28.58 31.03 31.03
Limiti di infiammabilità
Inf. % vol. 2 2-2.4 - - 1.5-1.9 1.8
sup. % vol. 11 7-9.5 - - 5.7-8.5 8.44
Numero di ottano
RM 102 112 97.5 - 95 101
MM 85 99 80 - 92 100
Tabella 1.3 – Caratteristiche chimico-fisiche dei principali componenti del GPL
Come si vedrà meglio nel paragrafo 1.1.2 , una delle principali differenze risiede nelle diverse
tensioni di vapore dei vari componenti, che determina una notevole variabilità nella pressione
alla quale i GPL possono essere stoccati in fase liquida al serbatoio dell’autoveicolo, ovvero
del punto di rifornimento.
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