L’evoluzione dei sistemi di propulsione dei veicoli, dai motori a combustione interna convenzionali ai sistemi ibridi ed elettrici, ha notevolmente aumentato la complessità dei test sulle emissioni e della conformità normativa. Viene qui illustrato lo scenario attuale delle procedure di omologazione delle emissioni per i veicoli ibridi ed elettrici nell’ambito del quadro normativo europeo.
Partendo dai fondamenti della combustione e della formazione degli inquinanti, lo studio evidenzia la transizione verso metodologie di prova più rappresentative, come il WLTP e le Real Driving Emissions (RDE), progettate per riflettere meglio le condizioni di guida reali. L’attenzione è rivolta in particolare alle sfide introdotte dai veicoli elettrificati, in cui le emissioni dipendono non solo dal funzionamento istantaneo del motore, ma anche dalle strategie di gestione dell’energia e dallo stato di carica della batteria.
La combustione e relative emissioni
L’origine delle emissioni dei veicoli risiede nel processo di combustione, che rimane il meccanismo dominante di conversione energetica nei sistemi di propulsione convenzionali. Nei motori a combustione interna, l’energia chimica immagazzinata negli idrocarburi viene liberata attraverso l’ossidazione, generando calore e lavoro meccanico. Tuttavia, questo processo è intrinsecamente legato alla formazione di sostanze inquinanti, rendendo la combustione sia una risorsa tecnologica che una sfida ambientale.
Il processo di combustione richiede tre elementi principali: combustibile, comburente e accensione. Il combustibile è tipicamente costituito da idrocarburi, composti da carbonio e idrogeno, mentre l’aria atmosferica fornisce il comburente, contenente circa il 21% di ossigeno. L’accensione può avvenire tramite una scintilla (motori ad accensione comandata) o tramite compressione (motori ad accensione per compressione).
In condizioni ideali, la combustione completa produce anidride carbonica (CO₂), vapore acqueo (H₂O) e azoto (N₂). Tuttavia, i motori reali operano in condizioni transitorie, con miscelazione imperfetta, gradienti di temperatura e carichi dinamici. Queste deviazioni comportano una combustione incompleta e la formazione di emissioni nocive quali monossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC) e ossidi di azoto (NOx).
Un concetto chiave per comprendere le emissioni è la conservazione della massa. Gli atomi che entrano nel motore non scompaiono, ma vengono riorganizzati in molecole diverse. Ciò significa che le emissioni non vengono eliminate, ma trasformate.
La qualità della combustione, e quindi delle emissioni, è influenzata da molteplici parametri, tra cui:
- Rapporto aria-carburante
- Carico e velocità del motore
- Temporizzazione dell’accensione
- Temperatura di combustione
Questi parametri influenzano direttamente i meccanismi di formazione degli inquinanti. Ad esempio, le alte temperature favoriscono la formazione di NOx, mentre le miscele ricche aumentano le emissioni di CO e HC.
La necessità di controllare le emissioni, sia per le autorità di regolamentazione che per i produttori, ha portato allo sviluppo di standard di emissione sempre più severi e alla diffusione di propulsori ibridi ed elettrici.
Norma europea sulle emissioni di scarico
Il quadro normativo europeo in materia di emissioni è uno dei sistemi più strutturati e all’avanguardia a livello mondiale. È concepito non solo per limitare le emissioni inquinanti, ma anche per standardizzare le modalità di misurazione di tali emissioni, garantendo la comparabilità tra veicoli e costruttori.
L’evoluzione da Euro 1 a Euro 6 riflette una continua riduzione dei limiti di emissione e una crescente attenzione alla rilevanza nel mondo reale. Le prime norme riguardavano principalmente le emissioni di CO e HC, mentre le normative successive hanno introdotto limiti per NOx e particolato, influenzando in modo significativo lo sviluppo dei motori diesel.
Un cambiamento fondamentale si è verificato con l’introduzione di Euro 6, che non solo ha ridotto i limiti di emissione, ma ha anche ridefinito la metodologia di prova. L’obiettivo non era più solo la conformità in laboratorio, ma l’allineamento alle condizioni di guida reali.
Il passaggio dal Nuovo ciclo di guida europeo (NEDC) alla Procedura di prova armonizzata a livello mondiale per i veicoli leggeri (WLTP) ha segnato uno dei cambiamenti più significativi nella normativa europea, poiché il WLTP è stato sviluppato utilizzando dati di guida reali raccolti a livello globale, rendendolo molto più rappresentativo dell’uso effettivo dei veicoli.
Il ciclo WLTP è strutturato in quattro fasi:
- bassa velocità (guida urbana),
- media velocità (condizioni extraurbane),
- alta velocità (guida extraurbana),
- velocità molto elevata (guida in autostrada)
ciascuna delle quali incorpora accelerazioni, decelerazioni e arresti per riflettere meglio i modelli di guida reali, introducendo così una maggiore variabilità nel carico del motore e nelle condizioni operative e ottenendo misurazioni delle emissioni più realistiche.
Oltre ai test in laboratorio, la normativa Euro 6 ha introdotto anche le Real Driving Emissions (RDE), che prevedono la misurazione delle emissioni su strade pubbliche utilizzando apparecchiature portatili per garantire che i veicoli rispettino i limiti di emissione non solo in condizioni controllate, ma anche in scenari reali. Inoltre, l’emergere dei veicoli ibridi ed elettrici ha richiesto un cambiamento fondamentale nella filosofia normativa, poiché questi veicoli operano in modalità multiple e le loro emissioni dipendono da fattori quali l’utilizzo della batteria, il comportamento di guida e le strategie di controllo; di conseguenza, le normative ora pongono l’accento su aspetti quali il bilancio energetico (stato di carica della batteria), le transizioni di modalità tra funzionamento elettrico e a combustione, la ripetibilità delle condizioni di prova e criteri di interruzione chiaramente definiti, tutti elementi che garantiscono misurazioni delle emissioni coerenti e affidabili indipendentemente da come il veicolo gestisce la propria energia.
Normativa
Il quadro normativo che disciplina i test sulle emissioni si è progressivamente evoluto da una serie relativamente semplice di procedure di laboratorio a un sistema altamente articolato, progettato per cogliere il comportamento reale di propulsori sempre più complessi. Questa evoluzione è stata determinata non solo da obiettivi ambientali più rigorosi, ma anche dall’introduzione dei veicoli ibridi ed elettrici, la cui logica di funzionamento non può essere descritta attraverso un’unica condizione di regime stazionario.
Nei veicoli convenzionali con motore a combustione interna (ICE), le emissioni sono direttamente collegate alla combustione del carburante. Per questo motivo, le procedure normative erano storicamente incentrate su cicli di guida ripetibili eseguiti in condizioni di laboratorio controllate. Tuttavia, anche in questo scenario apparentemente semplice, garantire la riproducibilità richiede un controllo rigoroso delle condizioni al contorno quali temperatura, condizionamento del veicolo e precisione della traccia di guida.
Con i veicoli elettrificati, la situazione diventa significativamente più complessa. Le emissioni non dipendono più esclusivamente dal funzionamento istantaneo del motore, ma anche dalla cronologia dell’utilizzo di energia all’interno del veicolo. In particolare, lo stato di carica (SOC) della batteria gioca un ruolo centrale, poiché determina se il veicolo opera in modalità elettrica, ibrida o a combustione. Ciò introduce una dimensione temporale nei test sulle emissioni: il risultato dipende non solo da ciò che il veicolo sta facendo, ma anche da ciò che ha fatto in precedenza.
Veicoli con motore a combustione interna (ICE)
Per i veicoli con motore a combustione interna (ICE), la logica normativa si basa sul concetto di ripetibilità. L’obiettivo è garantire che due veicoli identici, sottoposti a prova in laboratori diversi, producano risultati comparabili. A tal fine, la procedura di prova inizia con una fase di precondizionamento, durante la quale il veicolo viene stabilizzato in condizioni ambientali controllate. Questa fase è essenziale poiché la temperatura del motore, la viscosità del lubrificante e l’efficienza del sistema di post-trattamento dei fumi dipendono tutte dalla temperatura.
Una volta stabilizzato, il veicolo viene sottoposto al ciclo di guida WLTP su un banco prova dinamometrico. Il banco prova simula il carico stradale, consentendo al veicolo di “marciare” pur rimanendo fermo. Il conducente deve seguire una traccia di velocità predefinita e anche piccole deviazioni possono invalidare il test. Ecco perché vengono utilizzati sistemi di assistenza alla guida come AVL DriverAid: forniscono un feedback in tempo reale per garantire che la velocità del veicolo corrisponda il più possibile al profilo prescritto.
Il ciclo WLTP in sé non è un semplice test a velocità costante, ma una sequenza altamente dinamica di accelerazioni, decelerazioni e fasi di regime stazionario. Questa variabilità è cruciale, poiché costringe il motore a funzionare in un’ampia gamma di condizioni, rivelando un comportamento delle emissioni che non sarebbe visibile in condizioni di funzionamento stazionario.
Parallelamente ai test di laboratorio, le procedure RDE (Real Driving Emissions) estendono la valutazione alle condizioni del mondo reale. In questo caso, il veicolo viene guidato su strade pubbliche mentre sistemi di misurazione portatili registrano le emissioni. Questo duplice approccio (laboratorio più mondo reale) garantisce che i veicoli non siano ottimizzati esclusivamente per le condizioni di prova, ma che offrano prestazioni costanti nell’uso quotidiano.
Veicoli ibridi con ricarica esterna (OVC-HEV) o Ibrido plug-in (PHEV)
I veicoli elettrici ibridi a ricarica esterna (OVC-HEV), meglio conosciuti come veicoli ibridi plug-in (PHEV) introducono un paradigma sostanzialmente diverso. Questi veicoli possono funzionare utilizzando l’energia elettrica immagazzinata nella batteria, l’energia generata dal motore a combustione interna o una combinazione di entrambe. Di conseguenza, le loro emissioni non possono essere caratterizzate da un unico ciclo di prova.
La soluzione normativa a questa complessità è la definizione di condizioni operative distinte, principalmente le modalità di scarico della batteria (CD) e di mantenimento della carica (CS). Queste modalità non sono etichette arbitrarie, ma riflettono il bilancio energetico sottostante del veicolo.
Nelle operazioni di scarica della batteria, il veicolo fa ampio ricorso alla batteria e l’energia elettrica immagazzinata diminuisce nel tempo. Questa modalità è rappresentativa di scenari reali in cui un ibrido plug-in parte con la batteria completamente carica e passa gradualmente al funzionamento ibrido. Dal punto di vista dei test, ciò introduce la necessità di cicli di guida ripetuti. Il veicolo viene guidato per cicli WLTP consecutivi e, dopo ogni ciclo, il sistema valuta se si è verificata la transizione verso un comportamento di mantenimento della carica (figura 1).
Questa transizione non è definita da un unico parametro, bensì da un criterio di interruzione che rileva la stabilizzazione del bilancio energetico. In pratica, il test prosegue finché la batteria non si scarica più in media, a indicare che il veicolo ha raggiunto un funzionamento ibrido quasi stazionario. A quel punto, viene identificato il ciclo in cui avviene la transizione e viene eseguito un ulteriore ciclo di conferma per garantire la coerenza.
La condizione di mantenimento della carica, al contrario, rappresenta un funzionamento ibrido in regime stazionario in cui la batteria funge da buffer piuttosto che da fonte primaria di energia. In questo caso, l’energia prelevata dalla batteria durante la guida è approssimativamente bilanciata dall’energia recuperata tramite la frenata rigenerativa o generata dal motore. Grazie a questo equilibrio, un singolo ciclo WLTP è sufficiente per caratterizzare le emissioni.
Ciò che rende particolarmente interessante il test OVC-HEV è la possibilità di combinare queste modalità in sequenze diverse. Ad esempio, un test può iniziare in modalità di esaurimento della carica e poi passare alla modalità di mantenimento della carica, o viceversa. Queste combinazioni non sono semplici variazioni procedurali; sono progettate per catturare diversi modelli di utilizzo nel mondo reale e garantire che il veicolo funzioni in modo coerente in tutte le condizioni operative.
Veicoli elettrici ibridi tradizionali o Full Hybrid (NOVC-HEV)
I veicoli elettrici ibridi a ricarica interna, ossia i veicoli ibridi tradizionali (Not Off-Vehicle Charging Hybrid Electric Vehicle – NOVC-HEV) semplificano il problema eliminando la ricarica esterna. In questi veicoli, la batteria viene sempre ricaricata internamente, tramite la frenata rigenerativa o tramite il motore stesso. Di conseguenza, il veicolo funziona esclusivamente in un regime di mantenimento della carica.
Dal punto di vista normativo, ciò significa che scompare la complessità associata al funzionamento con esaurimento della carica. Non è necessario monitorare l’esaurimento della batteria su più cicli e non è richiesto alcun criterio di interruzione. Il test si concentra invece sul garantire che il veicolo funzioni in una condizione di equilibrio energetico stabile, che può essere raggiunta dopo un singolo ciclo di precondizionamento seguito da un ciclo di prova WLTP.
Nonostante questa semplificazione, è importante notare che il sistema ibrido influenza ancora le emissioni. L’interazione tra il motore a combustione e il motore elettrico influisce sulla distribuzione del carico, sul comportamento transitorio e sull’efficienza complessiva. Pertanto, anche nei veicoli NOVC-HEV, la procedura di prova deve garantire che la strategia di controllo ibrida sia adeguatamente rappresentata.
Veicoli elettrici ricaricabili (PEV) o veicoli elettrici Plug-in
I veicoli elettrici ricaricabili (PEV), rappresentano il cambiamento più radicale rispetto ai tradizionali test sulle emissioni. Poiché questi veicoli non si basano sulla combustione durante il funzionamento, l’attenzione si sposta dalle emissioni inquinanti al consumo energetico e all’autonomia.
Tuttavia, l’assenza di emissioni dallo scarico non semplifica i test quanto ci si potrebbe aspettare. La sfida consiste nel determinare con precisione quanta energia consuma il veicolo in condizioni di guida realistiche e quanta strada può percorrere prima che la batteria si esaurisca.
Per affrontare questo problema, le normative definiscono due principali approcci di prova: cicli consecutivi e cicli abbreviati.
Nell’approccio a ciclo consecutivo, il veicolo viene guidato ripetutamente lungo il ciclo WLTP fino all’esaurimento della batteria. Questo metodo riproduce fedelmente la guida nel mondo reale, dove un veicolo viene utilizzato continuamente fino all’esaurimento della sua riserva di energia. La fine del test è determinata da una condizione di interruzione, tipicamente quando il veicolo non è più in grado di seguire la traccia di velocità prescritta entro i limiti di tolleranza.
L’approccio a ciclo abbreviato introduce un’interessante ottimizzazione. Invece di basarsi esclusivamente su cicli WLTP ripetuti, combina segmenti di guida dinamica con fasi a velocità costante. I segmenti dinamici rappresentano le condizioni di guida tipiche, mentre i segmenti a velocità costante, spesso a velocità relativamente elevate, accelerano l’esaurimento della batteria. Ciò riduce la durata complessiva del test preservando al contempo la rappresentatività dei risultati.
Procedura di prova
Sebbene le definizioni normative forniscano il quadro di riferimento, l’effettiva esecuzione delle prove sulle emissioni avviene all’interno di un ambiente software altamente strutturato. Qui le procedure sono state implementate nella piattaforma di automazione AVL i4Lx, che coordina tutte le fasi della prova, dall’inizializzazione all’acquisizione dei dati e all’elaborazione dei risultati (figura 3).
Le prove sui veicoli ibridi ed elettrici richiedono un approccio multidisciplinare che integri sistemi meccanici, elettrici e software. La complessità deriva dalla necessità di monitorare sia i flussi di energia derivante dal carburante sia quelli elettrici.
Una cella di prova tipica include:
- Dinamometro a telaio per la simulazione del carico;
- Sistemi di raffreddamento per la gestione termica;
- Analizzatori di gas per la misurazione delle emissioni;
- Software di automazione per il controllo della prova.
Per i veicoli elettrificati sono necessari componenti aggiuntivi:
- Sistemi di monitoraggio della batteria (monitoraggio SOC);
- Analizzatori di potenza (tensione, corrente, flusso di energia);
- Sistemi di sicurezza ad alta tensione;
- Logica di controllo per il funzionamento ibrido.
Veicoli a combustione interna
Il processo di prova per i veicoli con motore a combustione interna (ICE) inizia con la configurazione dell’ambiente di prova. L’operatore seleziona i parametri di prova appropriati, tra cui le caratteristiche del veicolo, le condizioni ambientali e il ciclo di guida da utilizzare. Questa fase di configurazione non è meramente amministrativa, ma definisce le condizioni al contorno che garantiscono la validità della prova.
Una volta configurato il sistema, la traccia di velocità WLTP viene caricata nel sistema AVL DriverAid. Questo passaggio è fondamentale, poiché l’intero test dipende dalla capacità del conducente di seguire il profilo di velocità prescritto. L’interfaccia AVL DriverAid fornisce un feedback in tempo reale, mostrando sia la velocità target che la velocità effettiva del veicolo, insieme alla deviazione consentita.
All’inizio del test, il veicolo viene guidato sul banco prova a rotazione e tutti i dati rilevanti (emissioni, consumo di carburante, parametri del motore) vengono registrati in modo continuo. Il software di automazione assicura la sincronizzazione tra i vari sistemi di misurazione, garantendo che tutti i dati siano allineati nel tempo.
Veicoli ibridi con ricarica esterna (OVC-HEV)
Per i veicoli OVC-HEV, la procedura di prova diventa notevolmente più dinamica. Il software non solo deve controllare l’esecuzione del ciclo di guida, ma anche monitorare lo stato interno del veicolo, in particolare il livello di carica della batteria (SOC).
Nei test di esaurimento della carica, la procedura inizia con una fase di precondizionamento, seguita dall’esecuzione del ciclo WLTP. Al termine di ogni ciclo, il software valuta se è stata raggiunta la condizione di interruzione. In caso contrario, il ciclo viene ripetuto automaticamente. Questo ciclo continua fino a quando il sistema rileva che il veicolo è passato al funzionamento in mantenimento della carica.
Uno degli aspetti più delicati di questa procedura è la gestione dell’evento di interruzione. Quando si raggiunge la condizione di interruzione, il test deve essere terminato in modo controllato. Il veicolo non può semplicemente fermarsi bruscamente; deve invece decelerare dolcemente fino all’arresto entro una finestra temporale definita. Questo requisito garantisce sia la sicurezza che la coerenza tra i test.
Nei test di mantenimento della carica, la procedura è più semplice. Dopo il precondizionamento, il veicolo esegue un singolo ciclo WLTP. Poiché il bilancio energetico è stabile, non è necessario ripetere il test né rilevare eventuali interruzioni.
Quando si utilizzano modalità di test combinate, il software deve gestire le transizioni tra le fasi. Ciò include il monitoraggio del completamento del precondizionamento, l’identificazione del livello di test corrente e la garanzia che ogni fase venga eseguita nella sequenza corretta. La complessità di questa logica evidenzia l’importanza dell’automazione nei moderni test sulle emissioni.
Veicoli elettrici ibridi tradizionali o Full Hybrid (NOVC-HEV)
La procedura di prova per i veicoli ibridi tradizionali riflette il loro principio di funzionamento più semplice. Dopo il precondizionamento, il veicolo esegue un unico ciclo WLTP in condizioni di mantenimento della carica. L’assenza di ricarica esterna e di operazioni che comportano l’esaurimento della carica elimina la necessità di ripetere il ciclo e di applicare una logica di interruzione.
Tuttavia, il software deve comunque garantire che il veicolo sia correttamente inizializzato e che tutti i sistemi di misurazione siano sincronizzati. Anche in uno scenario semplificato, la precisione rimane fondamentale.
Veicoli elettrici ricaricabili (PEV) o veicoli elettrici Plig-in
Per i veicoli elettrici a batteria (PEV), la procedura di prova si concentra sull’energia piuttosto che sulle emissioni. Nelle prove consecutive, il ciclo WLTP viene ripetuto fino all’esaurimento della batteria. Il software monitora continuamente le prestazioni del veicolo e la prova termina quando si raggiunge la condizione di interruzione (figura 4).
Nelle prove a ciclo abbreviato, la procedura diventa più strutturata. Il software alterna segmenti dinamici e segmenti a velocità costante, gestendo le transizioni e assicurando che il veicolo segua il profilo prescritto. La condizione di interruzione si verifica in genere durante il secondo segmento dinamico, segnando la fine del test.
Ciò che contraddistingue i test sui PEV è la necessità di integrare le misurazioni elettriche nella valutazione. Il consumo energetico viene calcolato sulla base sia dell’energia prelevata dalla batteria sia di quella ricaricata dalla rete, fornendo un quadro completo dell’efficienza del veicolo.
Conclusioni
- La crescente complessità dei sistemi di propulsione dei veicoli ha trasformato i test sulle emissioni da una procedura puramente meccanica a un processo multidisciplinare che coinvolge software avanzati, logiche di controllo e conformità normativa.
- I veicoli ibridi ed elettrici richiedono metodologie di prova sofisticate che tengano conto di molteplici modalità operative, flussi di energia e interazioni di sistema. L’integrazione di piattaforme di automazione come AVL i4Lx consente l’implementazione di queste procedure complesse in modo affidabile e ripetibile.
- In definitiva, prove accurate sulle emissioni sono essenziali non solo per la conformità normativa, ma anche per guidare lo sviluppo di veicoli più puliti ed efficienti. Combinando tecnologia avanzata e standard rigorosi, l’industria automobilistica può proseguire la sua transizione verso una mobilità sostenibile.
