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Emisiones y Consumo de Vehículos en Utilización

Dinámica Real

ECOUDINEntidad colaboradora:

Laboratorio de Motores Térmicos, ETSII, UPM

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Grupo de Motores Térmicos

Emisiones y consumo de

vehículos en utilización

dinámica real

– ECOUDIN-I –

Enero 2006

C/ José Gutiérrez Abascal, 2. 28006 Madrid. Tfno: 913363155 Fax: 913363006.

EMISIONES Y CONSUMO DE VEHÍCULOS EN UTILIZACIÓN DINÁMICA REAL –ECOUDIN-I.

Trabajo realizado para la Fundación Instituto Tecnológico de Seguridad del Automóvil

Enero 2006

Grupo de Motores Térmicos

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

C/ José Gutiérrez Abascal, 2. 28006 Madrid

Tfno: 91 3363155

e-mail: [email protected]

Dirección

Jesús Casanova Kindelán

Colaborador

Sergio Margenat Calvo

ECOUDIN I (GMT-UPM) Informe 2005

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ÍNDICE

1.- INTRODUCCIÓN......................................................................................................3

1.1. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 3

2.- OBJETIVOS...............................................................................................................5

2.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL PROYECTO ECOUDIN ................................................ 5

2.2. ALCANCE DEL TRABAJO REALIZADO HASTA AHORA . ............................................... 7

2.3. MEDIOS UTILIZADOS ............................................................................................... 9

Medios materiales ..................................................................................................... 9

3.- ADAPTACIÓN DE LOS EQUIPOS ......................................................................10

3.1. PLANTEAMIENTO GENERAL ................................................................................... 10

3.2. EQUIPOS PRINCIPALES ........................................................................................... 11

3.3. EQUIPOS AUXILIARES ............................................................................................ 13

Racores de unión y bifurcación: Estas bifurcaciones y así como la unión entre dispositivos, equipos, válvulas y racores especiales, se ha realizado mediante

racores de unión automáticos. Éstos permiten el ajuste del tubo al racor de forma segura para las presiones de trabajo utilizadas y la desconexión del tubo

manualmente, sin dificultad y sin dañar o deformar el tubo. ................................. 14

3.4. MODIFICACIONES DE CARÁCTE R GENERAL ............................................................ 17

Problemas de espacio.............................................................................................. 17

Problemas para el suministro de energía ............................................................... 18

Problemas en la extracción de datos del vehículo .................................................. 18

Evolución y mejora de parte de los equipos actuales ............................................. 18

3.5. TOMA DE MUESTRAS SOBRE EL ESCAPE ................................................................. 18

3.6. MEDIDOR DE CAUDAL ........................................................................................... 20

3.7. FILTRO DESECADOR .............................................................................................. 24

3.8. EQUIPOS NEUMÁTICOS .......................................................................................... 24

3.9. SISTEMA DE ALIMENTACI ÓN.................................................................................. 28

3.10. ENFRIADOR ......................................................................................................... 33

3.11. INTERCONEXIÓN VEHÍCUL O-EQUIPOS (TOMA DE DATOS DEL VEHÍCULO ) ............. 33

3.12. POSIBLES DISPOSICIONE S DE LOS EQUIPOS EN VEHÍCULOS ................................... 34


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4. ÍNDICE DE COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL CONDUCTOR............44

4.1. RESUMEN DE LA INFORMA CIÓN DISPONIBLE .......................................................... 44

Antecedentes históricos ........................................................................................... 44

Resultados anteriores.............................................................................................. 46

4.2. EVALUACIÓN GLOBAL DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL CONDUCTOR ......... 49

Factores relativos al conductor .............................................................................. 50

Factores relativos al ciclo....................................................................................... 60

4.3 EVALUACIÓN INSTANTÁNE A DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL CONDUC TOR 61

4.5. PLANTEAMIENTO GENERAL DEL ICD .................................................................... 62

4.6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁ FICAS ............................................................................. 63

5.- EPÍLOGO .................................................................................................................65

5.1 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 65

5.2. UTILIDAD DEL PROYECTO ...................................................................................... 65

5.3. DESARROLLO FUTURO ........................................................................................... 66


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1.- INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes

La evolución tecnológica del sector del automóvil está actualmente condicionada por su capacidad de desarrollo sostenible. El futuro del mundo de la automoción está dirigido

por el impacto ambiental: emisiones contaminantes en los niveles regionales, transfronterizo y planetario y por la previsible escasez de combustibles convencionales a medio plazo.

La necesidad de controlar las emisiones de los vehículos tiene su origen en la elevada contribución de éstos a la contaminación total emitida a la atmósfera por las diversas

fuentes. Los motores de los automóviles son responsables de un elevado porcentaje de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y de la mayor parte de la emisiones de

partículas (PM) provenientes del tráfico rodado. Esto hace que los vehículos en general sean los principales responsables de la contaminación en áreas urbanas y afecten

apreciablemente al medio ambiente a nivel regional en forma de acidificación y de formación de “smog” fotoquímico. Por otra parte la creciente inquietud social por el

calentamiento global de la atmósfera provocado por las emisiones de CO2, lleva a los estados a promover acciones para reducir estas emisiones en el transporte por carretera

en base a reducir el consumo de la flota de vehículos. En España se han redactado documentos como el Documento E4 y la Estrategia Española para el Cambio Climático,

que proponen medidas a acometer a corto plazo como la economía en la conducción, el efecto de la inspección y mantenimiento, entre otros.

En los últimos años en los países desarrollados se ha constatado la necesidad de medir emisiones contaminantes, no solo en banco de rodillos según ciclos de conducción preestablecidos, sino también en tráfico real con equipos embarcados. Éste ha sido el

objeto de varios trabajos desarrollados en el G.M.T. en los últimos años: implantar las técnicas de medida y equipamiento para medir emisiones contaminantes en el tubo de

escape y consumo de carburantes en uso real.

El trabajo ofertado trata de aunar los trabajos que se vienen desarrollando desde hace

años en el G.M.T. de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la U.P.M. y en el Dpto. de Electrónica de la U.A.H. sobre sensores, equipos y

metodologías par la medición de parámetros de vehículos en tráfico real. En este proyecto se trata de centrarse en las funciones del vehículo que tienen relación con su

impacto ambiental en forma de emisiones contaminantes (CO, HC, NOx y Partículas) y de efecto invernadero (CO2) y en el consumo de carburante.

Es ya conocido que las emisiones contaminantes y el consumo de carburante de los vehículos moviéndose en utilización real solo pueden ser medidos, analizados y

evaluados mediante la utilización de equipos embarcados y registro en tiempo real en el


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tráfico. Dentro de esta línea el G.M.T. se ha venido trabajando en proyectos sobre medida de emisiones como el Proyecto IMVEMA en colaboración con I.D.A.E y

Supervisión y Control, S.A., el proyecto ECOTEST financiado por el programa SAVE. o el proyecto ECODRIVING EUROPE en colaboración con I.D.A.E., todos ellos con el apoyo de la Comisión Europea. En todos estos proyectos se ha medido o estimado el

consumo de carburante y, en algunos casos las emisiones en vehículo mediante ensayos estacionarios, ensayos en bando de rodillos o medidas en tráfico real. Como

consecuencia de esto se ha detectado la necesidad de medir no solo consumo de carburante, sino lo que es más difícil, las emisiones en situaciones reales de tráfico

urbano o extraurbano.

Desde al año 2000 el G.M.T. ha trabajado en varios proyectos sobre medidas

embarcadas financiados por diversas entidades entre los que destacan, además del ya mencionado “Ecodriving Europe”, los siguientes:

“Estudio de definición de un ciclo de circulación en Madrid”, financiado por el Ayuntamiento de Madrid y por la Comunidad Autónoma de Madrid.

“Ciclos de conducción para la obtención de mapas de emisiones contaminantes y consumo energético en el área de Madrid”, financiado por el Ayuntamiento de Madrid.

“Proyecto DINA” en colaboración con el INSIA para establecer una metodología de ensayo de vehículos con el fin de diagnosticar integralmente los vehículos usados.

Desde el año 2001, F.I.T.S.A. ha colaborado con el G.M.T. en la realización de diversos trabajos relacionados con la utilización real de los motores de los vehículos, en la línea de investigación Consumo de carburante y emisiones contaminantes de los vehículos en

tráfico real; habiendo concluido el año 2004 disponiendo de dos equipos de medida de emisiones: uno embarcado de tecnología sencilla y de bajo coste en un Peugeot 205 de

gasolina y otro de tecnología más sofisticada en un Nissan Terrano (todo terreno) y teniéndose ya experiencia previa en la influencia de la dinámica de la conducción y el

estado de mantenimiento de los vehículos en sus emisiones y consumo.

Como resultado significativo del trabajo desarrollado hasta ahora por el G.M.T., se ha

adquirido experiencia en el registro de datos en un coche con instrumentación y adquisición de datos embarcados y se han implementado los equipos de registro de

parámetros de funcionamiento instantáneos y medida de las emisiones contaminantes de forma modal en dos vehículos, uno diesel y otro de gasolina, utilizando dos

tecnologías diferentes.

El proyecto que se presenta es, por tanto, continuación natural del que se ha

desarrollado durante el año 2004 sobre la línea de investigación: “Consumo de carburante y emisiones contaminantes de los vehículos en tráfico real (Fase III)” en el contrato nº CC-2003 / 2532: “Impacto de la Inspección Técnica de los Vehículos Diesel

de Nueva Generación en el Consumo y en las Emisiones Contaminantes en Tráfico


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Real” cuyo informe final se presentó en Octubre de 2004. Como conclusión de este trabajo se ha podido demostrar la significativa influencia que tiene la pauta de

conducción de los vehículos, el nivel de congestión y las infraestructuras urbanas, en su consumo y sus emisiones. También se han estudiado y clasificado los problemas asociados a la validez de los métodos de inspección de los vehículos con motor diesel

en las estaciones de ITV, justificándose la posible no validez de dicho procedimiento en los motores de tecnología actual.

2.- Objetivos

2.1. Objetivos y alcance del proyecto ECOUDIN

El proyecto se ha realizado por el G.M.T de la UPM, en colaboración coordinada con el proyecto MEDUSA GDE de la UAH, durante un periodo de tres meses y constituye la

primera parte de un proyecto más amplio de dos años de duración que trata de estudiar en mayor amplitud la medida de emisiones contaminantes y consumo de vehículos y su

relación con el comportamiento dinámico del conductor y el estado de mantenimiento de los vehículos en tráfico real. Su objetivo fundamental continua siendo, siguiendo la

experiencia de los trabajos ya concluidos, realizar estudios cobre las emisiones contaminantes y el consumo de vehículos ligeros en tráfico real, donde el motor y el

vehículo operan en condiciones dinámicas, con objeto de estudiar la influencia del comportamiento dinámico del conductor, del estado de mantenimiento del vehículo y

acometer mejoras en los sistemas de diagnosis e inspección del vehículo a lo largo de su ciclo de vida. Como etapa inicial será necesaria la adaptación, mejora y desarrollo del

sistema para la medida de parámetros que permitan evaluar el nivel de emisiones en el escape y el consumo de carburante, que implica la medición con equipos embarcados. Se medirán las emisiones de CO, HC, NOx, CO2 y opacidad, decidiéndose en una etapa

intermedia del proyecto la posibilidad de calcular el consumo a partir de algoritmos basados en el balance de carbonos para determinar el consumo instantáneo y

promediado. Este quipo se debe completar e integrar en un sistema de medida de parámetros dinámicos del motor, vehículo y ciertos mandos de control del vehículo

mediante sensores universales, siendo ésta la labor del proyecto MEDUSA de la UAH

El equipo de medida a utilizar en este proyecto debe ser embarcable en un vehículo de

gama media y ha de ser universal, es decir, aplicable a cualquier unidad del parque automovilístico, pensando más bien en vehículos de gama media o pequeña (turismo en

versión familiar, monovolumen, todoterreno, furgonetas ligeras, etc) con motores de gasolina y diesel.

La “dieselización” del parque de vehículos ligeros puede continuar, pero los motores de gasolina no desaparecerán del mercado, por lo que no en este trabajo es necesario

continuar con el estudio de ambos tipos de motores.


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Para acometer un trabajo con medidas en vehículos reales, el primer paso sería disponer de un equipo bastante más pequeño en tamaño pero con la tecnología empleada en el

vehículo diesel Nissan, utilizando sensores adaptables a cualquier automóvil como es en parte el caso del Peugeot 205.

Una vez que se disponga del equipo “universal” objeto de este proyecto, se propone

acometer el estudio sobre algún vehículo de tecnologías antiguas, sobre las actualmente en vigor (Euro III) y de las nuevas tecnologías (Euro IV). Ello quiere decir que se

deberán ensayar en vehículos usados y nuevos, pudiendo pensarse en vehículos de segunda mano, de alquiler o cedidos por los fabricantes. Para poder embarcar los

equipos sería deseable que fueran vehículos de gama media con cierta capacidad: familiares, monovolúmenes, pequeñas furgonetas y algún todoterreno.

La continuidad del trabajo desarrollado hasta ahora se ha centrando en tres grandes bloques de trabajo:

Adaptación de los equipos medida de emisiones y consumo ya desarrollados para el vehículo NISSA y el vehículo PEUGEOT con objeto de reducir su

tamaño y hacerlos aplicables a cualquier unidad del parque automovilístico, tanto en condiciones de circulación como en banco de pruebas estacionario. La

decisión sobre la tecnología de medida y registro a adoptar es parte de este proyecto. En esta etapa se está colaborando estrechamente con el GDE de la

UAH en toda la parte de sensores de la dinámica del vehículo y las condiciones operativas del vehículo, así como en la integración de los equipos de análisis de gases y de consumo en el equipo de adquisición y registro de datos en tráfico

real. Como resultado se dispondrá de un equipo universal de medida de variables de vehículos, emisiones, consumo y forma de conducir instalable en diferentes

vehículos.

Estudio del comportamiento dinámico del conductor. Medida y análisis de

emisiones de vehículos diesel y de gasolina en utilización real para analizar y medir la influencia de las pautas de conducción urbana y extra-urbana con vista

a disponer de datos propios y fiables sobre las emisiones contaminantes en el tráfico real. Se ha estudiado y se han planteado las pautas para desarrollar un

nuevo el Índice de Agresividad, que pasa a denominarse Índice de Comportamiento Dinámico del Conductor, a la vista de los resultados ya

obtenidos. En una segunda parte se realizará una tanda de medidas con varios conductores y varios tipos de vehículos para dar generalidad a los resultados. Se

obtendrán datos y conclusiones sobre la influencia del estilo de conducción

Estudio la influencia de las averías y el grado de mantenimiento de los vehículos a los largo de su vida, en mayor profundidad y amplitud de lo

realizado hasta ahora. Esto tiene dos objetivos: uno es la discusión y evaluación de las pruebas de inspección técnica y otro es el desarrollo y validación de


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metodologías de diagnosis de los vehículos a los largo de su ciclo de vida. Para ello se estudiarán varios vehículos de tecnología diferente sometiéndolos a

determinadas averías.

La disminución de tamaño del equipo de medida de emisiones, embarcado actualmente en el vehículo diesel, se fundamenta en tres acciones:

Rehacer la estructura de montaje de los equipos actuales buscando una ubicación de menores dimensiones, pero manteniendo los mismos equipos básicos. La

optimización de las tuberías y panel de manómetros es una parte importante del trabajo

Sustituir el sistema de alimentación eléctrica por una unidad de alimentación continua de energía basada en acumuladores y convertidor a tensión alterna en

vez de en un generador con motor de gasolina.

Cómo sistema de adquisición de datos se mantiene equipo ETAS actualmente

disponible, pero para registrar los parámetros de funcionamiento del vehículo y su motor se sustituirá el actual procedimiento, que se basa en la comunicación

con la unidad de control (ECU) mediante un protocolo de la firma Nissan, por un sistema universal basado en sensores externos aplicables a cualquier

vehículo.

También se plantea estudiar la posibilidad de un sensor de caudal de gases a la salida

del tubo de escape como el que utiliza el equipo Horiba OBS2000.

2.2. Alcance del trabajo realizado hasta ahora.

La primera parte del trabajo del proyecto ECOUDIN se ha dedicado a iniciar los

estudios sobre el comportamiento dinámico del conductor y completar los trabajos de análisis de averías con los vehículos de los que actualmente se dispone. Durante este

plazo se han ido estudiando las modificaciones a realizar para adaptar los equipos y reducir su tamaño.

De las actividades propuestas en el proyecto ECOUDIN, enviadas a esa Fundación el pasado 14 de junio de 2005 a continuación se detallan las que se han realizado durante

el periodo denominado ECOUDIN – I en los meses de octubre a diciembre de 2005,

Fase Objetivos

1 Estudio de la instrumentación necesaria y metodología para mejorar los equipos ya disponibles.

2 Inicio de la preparación de los nuevos equipos universales adaptables a cualquier vehículos. Se desmontarán los equipos del Nissan y se realizará la

ingeniería de implantación en una estructura más ligera y de menor tamaño, estudiándose y seleccionándose aquellos equipos que se considere necesario


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sustituir.

5 Planteamiento de la redefinición del Indice de Comportamiento Dinámico

(ICD) del conductor para diferentes situaciones de tráfico y diferentes vehículos. En este periodo se realizará una nueva investigación bibliográfica actualizada sobre el tema y se plantearán las pautas para una nueva definición

del índice de comportamiento dinámico del conductor en base a la experiencia acumulada del proyecto anterior.

Estas actividades forman parte de la estructura general del proyecto que tiene una duración estimada de dos años. A continuación se indica en más detalle el trabajo

realizado:.

Item Descripción Estado

Item 1 Estudio de la instrumentación necesaria

Tarea 1.1 Definición, en coordinación con el grupo GDE –UAH, de los parámetros del automóvil necesarios para la determinación del

estado del vehículo y de la actitud del conductor en condiciones de tráfico real.

OK

Tarea 1.2 Coordinación con el equipo de trabajo GDE para asegurar la compatibilidad de las propuestas de sensado en un único equipo de procesamiento y monitorización de datos.

OK

Tarea 1.3 Identificación de los procedimientos posibles para la reducción de tamaño general del equipo de análisis de gases embarcados

OK

Tarea 1.4 Estudio de mercado de sistemas de alimentación eléctrica y otros sistemas auxiliares pera su funcionamiento.

OK

Tarea 1.5 Elección de las técnicas más apropiadas y los equipos adecuados

para hacer un equipo embarcable de menor tamaño al actual OK

Tarea 1.6 Localización de los posibles distribuidores nacionales o europeos de

los equipos seleccionados. OK

Tarea 1.7 Realización de un proyecto constructivo de la nuevo lay-out del sistema de medida de emisiones embarcado universal

OK

Item 2 Inicio de la preparación de los nuevos equipos universales.

Tarea 2.1 Desmontaje de los equipos actuales del vehículo NISSAN. NO

Tarea 2.2 Estudio y realización de una estructura ligera para soportar los

equipos OK

Tarea 2.3 Análisis de los circuitos de gases y conducciones eléctricas para

reducir peso s y tamaños. OK

Tarea 2.4 Inicio del montaje de los equipos en la nueva estructura e integración de los diversos componentes.

NO

Item 5 Redefinición del ICD.


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Tarea 5.1 Estudio bibliográfico en revistas y documentos a nivel internacional sobre comportamiento de conductores y agresividad en la conducción y su efecto en el consumo y las emisiones. .

OK

Tarea 5.2 Estudio teórico y experimental para una clasificación de las diferentes pautas de conducción de los conductores en el tráfico real

y análisis de las variables de uso del vehículo que afectan a cada pauta.

OK

Tarea 5.3 Análisis de la documentación obtenida buscando ideas coincidentes,

datos y parámetros de medida relevantes OK

Tarea 5.4 Planteamiento de varias posibilidades de formulación de un Indice

de Comportamiento Dinámico de los conductores para clasificar los comportamiento usuales en tráfico urbano y extraurbano.

OK

No se ha iniciado el desmontaje de los equipos en el vehículo Nissan ni el montaje en la

nueva estructura a la espera de asegurar la continuidad del trabajo y las decisiones que aun están por tomar.

2.3. Medios utilizados

Medios materiales

Para el desarrollo de la parte de este proyecto correspondiente al segundo semestre del 2005, han sido serán necesarios los siguientes medios materiales con indicación de su

uso y la disponibilidad de cada uno:

Medio Uso

Sistema de analizadores de gases de escape compuesto por medidores independientes de CO, de CO2, de NOx

y de HC

Equipos a embarcar en el vehículo para determinar las concentraciones de cada gas en el tubo de escape de forma instantánea durante

el tráfico real

Sistema de toma y preparación de

muestra de gases de escape

Con este sistema se trata de llevar en las

condiciones de temperatura y presión adecuadas los gases desde la salida del tubo de

escape hasta los analizadores.

Opacímetro de flujo total Medidor de opacidad de los gases de escape, a

instalar en la salida del escape

Sistema de alimentación eléctrica Alimentación eléctrica a 220V de todos los

equipos embarcados

Foso para preparación del vehículo Acceso a la parte inferior del vehículo para

acoplar sensores y tomas de gases.

Equipos informáticos Tres ordenadores de sobremesa para el


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desarrollo del software de adquisición de datos y del simulador y uno portátil para embarcar

en el vehículo.

3.- Adaptación de los equipos

3.1. Planteamiento general

Se trata de realizar un estudio de la ingeniería básica y en detalle de las modificaciones que se le van a realizar a los equipos existentes así como la de los equipos nuevos que

van a ser incorporados con objeto de alcanzar el grado de precisión en la medida que se desea, además de la posibilidad de embarcar los equipos en un amplio abanico de vehículos y de prácticamente todas las gamas de tamaños que ofrece el mercado.

La normativa para homologación de vehículos, y la de su inspección técnica, especifica ciertos procedimientos para la medición de emisiones contaminantes. Si bien éstos

sirven desde un punto de vista comparativo, no analizan las causas o factores que intervienen en la emisión de los mismos. Para este proyecto se ha hecho un estudio

tanto de los elementos contaminantes, como de los métodos de medida más adecuados para cada elemento, y todo ello se ha tenido en cuenta para la optimización de los

equipos de medida de los que se disponen.

Esta alternativa planteaba en origen la problemática de la precisión de los equipos

requeridos para la medición. Se requería mucha mayor precisión que la que ofrecían los equipos embarcables hasta el momento. Lógicamente estos equipos deben ser capaces

de medir en continuo con tiempos de respuesta cortos para poder hacer un seguimiento apropiado del ciclo. A falta de tecnología desarrollada a tal efecto se ha optado por

embarcar equipos de alta precisión, concebidos originalmente para trabajar en instalaciones fijas por sus características y dimensiones.

Cabe añadir como un motivo adicional para embarcarnos en este proyecto, que la nueva

legislativa prevé la incorporación de serie en los automóviles de un conector universal de autodiagnóstico para la comprobación “in situ” del nivel de emisiones nocivas,

mediante controles oficiales en situaciones de conducción real, lo que desembocaría en la necesidad de seguir desarrollando como con el que se está trabajando.

En primer lugar debe plantearse cuáles son los gases que se deben medir con los equipos disponibles. La composición de las emisiones de un vehículo tanto diesel como

gasolina, provienen principalmente de las que acompañan a los gases de escape de la combustión. Éstas dependen en gran medida de factores asociados al proceso que tiene

lugar en la cámara de combustión en cada condición de funcionamiento, tanto


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estacionaria como transitoria. Entre las emisiones contaminantes emitidas por este tipo de motores destacan:

Monóxido de Carbono (CO)

Hidrocarburos (HC)

Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Partículas (o materia particulada PM)

Metales pesados

Óxidos de azufre

Con los equipos actuales mediremos todas ellas excepto los metales pesados y los

óxidos de azufre. Estos últimos no se medirán ya que las emisiones de SO2 estén condicionadas al contenido en azufre del combustible, limitado por la reglamentación

vigente, y al consumo de combustible en conducción, pudiendo obtener su valor a partir de datos de consumo y composición del combustible. En cuanto a los metales

pesados, al igual que en el caso del óxido de azufre, su cantidad depende de la composición del combustible, aunque también sería considerable el aporte del aceite

quemado y del desgaste del motor.

3.2. Equipos principales

El vehículo lleva en el estado actual del proyecto una serie de equipos que, para el desarrollo de la nueva fase del proyecto se verán modificados, de forma que se adapte a

las nuevas necesidades que se presentan. Los equipos por tanto que se encuentran instalados hasta el momento son:

3000 HM : Para medida de hidrocarburos totales por ionización de llama.

4000 VM : Para medida de óxidos de nitrógeno por quimioluminiscencia.

SIGNAL 9000 MGA. Analizador multigás para medir la concentración de CO y

CO2 así como la de O2 en los gases de escape. Éste analizador utiliza la técnica de medida de NDIR (infrarrojos no dispersivos) para la medida de concentración

de CO y CO2. Para la medida de la concentración de O2 emplea un sensor paramagnético.


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Opacímetro WAGER 6500. Que utiliza un método indirecto basado en la opacidad del gas de escape, ya que solo las partículas en suspensión absorben radiación luminosa y hacen el gas más o menos opaco. Opacímetro de Flujo

parcial: una parte de los gases de escape se hacen pasar por una cámara con paredes internas no reflectante, cuya longitud entre fuente de luz y célula de

medida es fija. La figura muestra un sistema de este tipo instalado en el vehículo.


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3.3. Equipos auxiliares

Filtro: Para el filtrado de las partículas que no se han podido separar de los gases

de escape con la cabeza de toma de muestras se utiliza un filtro a base de lana de fibra de vidrio. Este filtro está calefactado mediante resistencias eléctricas con objeto de que no condensen los hidrocarburos en el mismo.

Termostato situado aguas a bajo de la toma de muestra, que es el punto más desfavorable en cuanto a la temperatura, se entiende que el resto de la línea está

a la temperatura del termostato (alrededor de los 200ºC, o por encima).

Líneas y tubos: La tubería utilizada, es de teflón, material químicamente inerte que no adsorbe los gases de escape, capaz de aguantar temperaturas de trabajo

del orden de los 200 ºC, y material flexible para una fácil instalación. El diámetro utilizado es de 12 mm de diámetro exterior que corresponde a un

diámetro interior de 10 mm, para la línea principal. Para las líneas de distribución se ha utilizado tubo de 8 mm de diámetro interior correspondiéndole

6 mm de diámetro interior.


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Racores de unión y bifurcación: Estas bifurcaciones y así como la unión entre dispositivos, equipos, válvulas y racores especiales, se ha realizado mediante

racores de unión automáticos. Éstos permiten el ajuste del tubo al racor de forma segura para las presiones de trabajo utilizadas y la desconexión del tubo

manualmente, sin dificultad y sin dañar o deformar el tubo.


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Válvulas: En la instalación se han utilizado dos tipos de válvulas, las de bola con el fin de permitir el paso de gas o no, en funcionamiento todo – nada. Y una

válvula de aguja para restringir el caudal de paso por el conducto.

Manómetros: Con objeto de detectar posibles problemas y anomalías se

monitorizan las presiones de la muestra en las entradas de todos los equipos, las cuales no coinciden con la presión medida por los equipos debido a la modificación de los conductos interiores de los mismos.

También se miden las presiones de entrada a los equipos de todos los gases de calibración y de los gases de consumo de los equipos.


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Generador de energía eléctrica: Encargado de alimentar todo el sistema, mientras el equipo se encuentra en circulación, ya que se es necesaria una

cantidad de energía que el propio vehículo no puede generar por sí mismo.

Bombas para vacío ó succionar el gas:

Botellas con oxígeno, nitrógeno y hidrógeno:


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Enfriador y sistemas de adquisición de datos (sonda lambda, temperaturas, etc):

También el vehículo está equipado con una ECU de memoria flash digital,

programable y un módulo ETK para adquisición de datos del motor.

3.4. Modificaciones de carácter general

Con el objetivo de evolucionar el proyecto para alcanzar los puntos previstos, la utilización de los equipos anteriormente descritos presenta diversos problemas, y

trataremos en este capítulo de definir las operaciones que se van a realizar para la adecuación al nuevo proyecto.

Para plantearnos las modificaciones oportunas hemos escogido una estrategia por la cual cada modificación tendrá como fin, solventar los problemas que se van a exponer.

Tras un estudio de la situación se ha convenido que los problemas que el anterior proyecto presentaba frente al actual son:

Problemas de espacio

Puesto que uno de los objetivos directos que tenemos para el proyecto es la adecuación

de los equipos para el mayor número de vehículos posible, debemos reducir tanto


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volumen como peso de los equipos, para que sean portátiles ó de relativa rápida instalación.

Problemas para el suministro de energía

En esta nueva fase el elemento generador de energía que se utilizaba, ha sido deshechado, en primer lugar por el volumen excesivo, pero principalmente por la

necesidad de poder montar los equipos en cualquier vehículo, sin tener que hacer modificaciones de carácter irreversible sobre el mismo.

Problemas en la extracción de datos del vehículo

En los proyectos anteriores la posibilidad de modificar los vehículos de una

forma irreversible, ó el carácter permanente del montaje de los medidores, hacía que se pudiese tener conexión con la ECU del coche ó poner dispositivos en el vehículo tales

como medidores de temperatura y presión, y de esta forma obtener datos necesarios. Para este nuevo proyecto la obtención de datos del vehículo se hará más complicada,

por no disponer de acceso total a los datos facilitados por el mismo.

Evolución y mejora de parte de los equipos actuales

Los equipos actuales han sido comprobados y evaluados con equipos estáticos de uso habitual, siendo los resultados de la comparación favorables, pero ante una evolución en

este proyecto, no se puede más que intentar que la precisión de los equipos aumente, fijando la atención también en pequeños factores como conexiones, disposición,

temperaturas de trabajo, etc… que a fin de cuentas pueden ser influyentes en la obtención de una medida mucho más precisa.

En definitiva se deben realizar sobre el vehículo determinadas modificaciones para que

todos estos problemas sean resueltos. Se expondrán por tanto a continuación cada una de las modificaciones que se requieren.

3.5. Toma de muestras sobre el escape

Hasta ahora la toma de muestras sobre el escape se hacía a sólo una pequeña parte de

los gases y partículas expulsadas, se considera que para la nueva configuración la toma de muestras se realizará sobre el total de los gases emitidos, y por absorción un

porcentaje de los mismos irá a parar a los equipos de medida,.

Uno de los elementos más beneficiados con esa medida será el opacímetro WAGER

6500 que utilizábamos y vamos a seguir usando, ya que ahora este opacímetro no tomará medida parcial de los gases, sino total. Esta medida influirá positivamente sobre

la precisión en este dato particular.


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Para la toma de muestras, después de un estudio de las dimensiones y de los elementos que se tienen que anclar a ella así como de los propios anclajes de la misma al vehículo,

se han tenido en consideración dos posibilidades que se explican seguidamente.

En primer lugar se consideró la posibilidad de una toma de muestra recta y de una longitud reducida. En la figura se observa la parte dorada que sería metálica, y la

plateada es un compuesto de silicona que se uniría al escape del vehículo.

La posibilidad de obtener la pieza metálica está asegurada. En cuanto a la pieza de silicona se ha contactado con varias empresas, y nos han proporcionado la posibilidad

de obtener un tubo de silicona que soporte esas temperaturas así como los componentes químicos que saldrían por el escape del vehículo. Estas características se refieren a la

temperatura que éste debe soportar, que rondará un máximo de 300ºC, y un mínimo de 200ºC. El uso de este tubo recto de silicona (que por el material del que está formado, es

el más restrictivo) es para acoplarlo a tubos de escape de diferentes automóviles, para poder medir sus emisiones contaminantes, luego tiene que estar adaptado para soportar

contactos con CO, CO2, NO, NO2, y óxidos de azufre.

Aun con esta posibilidad factible, una nueva disposición se ha presentado como más

adecuada, teniendo en cuenta que las características de los materiales serán las ya expuestas. La anterior conexión con el escape estaba pensada para el uso de un tubo de Pitot encargado de la medida del caudal a través de presión diferencial. Por motivos en

este informe explicados se ha optado por otra solución para la medida de caudal, y eso implicaba sobre el elemento de toma de muestra una modificación importante, tanto en

diámetros como en longitudes y disposiciones de los aparatos, llegando al segundo modelo que se muestra en la figura adjunta.


20

Las dimensiones exactas del mismo así como el plano acotado se han desestimado, ya

que oscilarán dependiendo de las dimensiones y la disposición final, del equipo medidor de caudal. En cualquier caso con dimensiones estimadas este modelo se puede ver

adaptado al vehículo más adelante.

3.6. Medidor de caudal

Como ya se ha comentado, otra de las modificaciones importantes que se acometerán en esta nueva fase será la incorporación un nuevo elemento, un medidor de presión

termométrico. La necesidad de incluir este elemento viene porque en la situación de uso de los equipos no tendremos la posibilidad de obtener el flujo de gases del vehículo

como lo veníamos haciendo hasta ahora, ya que aunque todos los vehículos incorporan ya un caudalímetro, para medir λ, no tendremos acceso a esos datos más que a través

una línea de información muy lenta, lejos de los 0,1 segundos de muestreo actuales, ya que tendremos que prescindir de la unidad ETK. Por ello requerimos de otro medidor de

caudal externo.

Los factores que nos han llevado a la utilización de un caudalímetro termométrico en

lugar de tubos de Pitot son:

El medidor termométrico confiere mayor robustez, precisión y un fondo de

escala más amplio.

El Pitot presenta un problema también en la medida de vehículos gasolina con

cilindradas de entre 1000-1800cc, en cuyo caso puede haber pulsación de flujo y aumentar el error en la medida sobre el 20%.


21

La salida de los gases de escape puede estar entorno a los 220-280º, temperaturas demasiado elevadas para tubos de pitot con un rango de medidas

como el que interviene en este proyecto.

Por otro lado el tubo de pitot también dará errores de medida por las dimensiones, éste requiere unos diámetros mínimos del tubo de toma de

muestra, y tramos rectos.

Por todo lo anterior hemos optado por un medidor de caudal por efecto térmico FCI GF

92/90 FLOW ELEMENT. Teniendo en cuenta que el medidor FCI tiene un campo de medida de 0,005 a 0,18 kg/s en gases, es considerablemente más robusto y su precisión

es superior.

La disposición del equipo sería la siguiente:


22

Las características técnicas que han sido estudiadas en profundidad para contrastar a adecuación del mismo al uso que se requiere del aparato, estas características se detallan

a continuación:


23


24

3.7. Filtro desecador

Otro elemento que también se va a incluir en el equipamiento será un filtro desecador.

El objetivo es intentar minimizar la influencia del H2O en la medida que ofrecen los equipos con tecnología HDIR.

La influencia del agua sobre las medidas queda detallada de la siguiente manera:

Para medidas de 1500-3000 ppm encontramos

o 3.5% de H2O en 7 ppm de CO

Para medidas de 100 ppm encontramos

o 3.5% de H2O en 25 ppm de CO

Puesto que esos datos influyen en la medida de los equipos según sus especificaciones técnicas, debemos incluir un elemento desecador que evite esa influencia.

El nuevo aparato será un tubo con sección superior a la de la conexión de línea fría, en el cual se dispondrá ó bien Sílica Gel, ó bien Ascarite, substancias capaces por sí

mismas de absorber ese exceso de H2O.

3.8. Equipos neumáticos

Bajo el objetivo de conseguir una instalación más manejable, tanto en peso, como en

volumen, e incluso en la necesidad de poder realizar los montajes en los vehículos de una forma rápida, se han adoptado medidas sobre el equipo neumático usado hasta el

momento, que tienden a reducir el número de componentes, el número de uniones (para evitar escapes indeseados) y la longitud de los tubos utilizados.

Como equipo neumático teníamos:


25

Líneas y tubos

Racores de unión y bifurcación

Válvulas

Manómetros

Bombas

Botellas de gases

Sobre las líneas y tubos no vamos a hacer ninguna modificación importante salvo la

reducción del tamaño de los tubos de teflón, de forma que reduzcamos el tiempo de retraso, y las pérdidas de calor en la línea caliente, con esto necesitaremos menos

energía para calefactar la línea, ya que acompañaremos esa línea de un aislante adecuado para minimizar las pérdidas de calor.

En cuanto a los racores de unión y bifurcación, después de hacer un estudio de las diferentes posibilidades que presenta el mercado hemos tomado la decisión de continuar

utilizando los mismos racores, ya que la relación calidad precio que presentan, unido a la fiabilidad y adaptabilidad a los trabajos que realizan, éstos son idóneos. No presentan

escapes a tener en cuenta, sabiendo el orden de magnitud de los flujos que los atraviesan, además la posibilidad de un fácil y rápido montaje y desmontaje. Cabe

reseñar que sí será significativa la disminución del número de racores que se van a usar, en parte debido a que se eliminarán un alto porcentaje de los manómetros que se venían

usando hasta ahora.

Al igual que el caso anterior, la posibilidad de cambiar el tipo de válvula utilizada, se ha desestimado, ya que el funcionamiento que han proporcionado las mismas hasta el

momento ha sido el idóneo. Lo que sí cambiará será también el número de válvulas debido principalmente a esa reducción del equipo neumático que se ha de embarcar.

En esta parte de los manómetros es donde se realizará la modificación más importante, junto con la inclusión de una conexión para el desecador de Sílica Gel.

Para esta nueva instalación vamos a eliminar los manómetros destinados al control de las presiones de los gases de calibración.

El objetivo de ésta modificación atiende a razones de peso, volumen y simplicidad en el montaje, debemos reducir todas ellas para conseguir un equipo embarcable mucho más

manejable y ante todo portátil.

Eliminaremos el manómetro de O2, N2 y H2 para calibración, junto con sus tubos de

teflón, líneas válvulas y racores.

Esta modificación no afectará a la toma de medidas de emisiones, ya que para la

calibración se usan botellas que en su salida tienen manómetros propios, luego se hacen redundantes los manómetros instalados en el vehículo, y hasta ahora como el montaje


26

era relativamente permanente realizaban su función para corroborar los datos que los manómetros del equipo de calibración ofrecían.

Por último, las bombas y las botellas de gases de alimentación de los equipos, seguirán igual. Sólo cabe destacar que la disposición de los mismos tendrá variaciones importantes, ya que es importante, sobre todo para las botellas de gases el anclaje al

vehículo, para evitar golpes, etc. Hasta ahora las botellas se anclaban al chasis del vehículo, pero esa acción destructiva no se puede llevar a cabo en vehículos que no

queremos modificar de forma permanente. Por todo ello hemos diseñado un sistema de anclajes que combina una unión con el soporte de las baterías (por su peso y posición no

son susceptibles de moverse) y por otro lado con los cinturones de seguridad traseros, quedando de este modo resuelto el problema.

El plano de la instalación neumática queda detallado en la página siguiente.


27


28

3.9. Sistema de alimentación

En este caso el sistema de alimentación eléctrica es uno de los equipos que cambian

radicalmente, el equipo utilizado era un generador de energía eléctrica que ante el nuevo planteamiento presenta como inconvenientes:

En primer lugar es un equipo que tiene un peso y un volumen específico muy

alto. Éste es un inconveniente menor debido a que la nueva disposición también lo tendrá.

Por otro lado el montaje de ese generador no es practicable a un vehículo que no requiere ser dañado, ya que es necesario practicar aberturas para el escape de

humos, y aún así es peligroso, pues los ocupantes del vehículo podrían inhalar todo lo que no escapa adecuadamente.

Otro problema adicional es el calor generado por el aparato, que debe ser disipado al ambiente o podría alterar la precisión de todos los equipos

embarcados.

Por último, cabe destacar el problema ergonómico que produce el excesivo ruido

generado, ya que se supera la barrera de los 60 decibelios, que para una prueba de larga duración podría provocar a los ocupantes del vehículo sorderas

temporales y otros problemas.

Por todo lo anterior se ha planteado la posibilidad de obtener la energía de un medio

alternativo, y para ello se ha hecho un estudio de las necesidades de energía.

La suma de las energías que se prevé consuma todo el equipo estará entorno a 1750 W,

y se sobreestimará teniendo en cuenta que es el consumo en los picos, es decir en los

Equipo Amperios medidos

Tensión de alimentación (V)

(W) Requeridos V %

FILTRO 0.17 115 V ó 230 V 37.5 15 %

LÍNEA CALIENTE 1.2 115 V ó 230 V 264 15 %

EQUIPOS DE MEDIDA

3.5-5.5 115 V ó 230 V 990 15 %

SENSORES 115 V ó 230 V 30 15 %

PORTÁTIL 115 V ó 230 V 200 15 %

RESTO DE SENSORES

115 V ó 230 V 200 15 %

CAUDALÍMETRO 115 V ó 230 V 30 15 %


29

casos más desfavorables, adoptando de esta forma un colchón de seguridad que nos permita trabajar sin sobresaltos, y con la posibilidad de gastos adicionales de energía

que en un principio no se hayan tenido en cuenta.

Para el abastecimiento de esta demanda de energía eléctrica se optó en su momento por la instalación de un generador de energía eléctrica de unos 3 kW, con las siguientes

características.

GENERADOR

Voltage (V) 230 230

Frecuencia (Hz) 50 60

Amperaje (A) 12.2 11.7

Potencia nominal 2.8 (kVA)

Salida AC

Potencia máx. 3.0 (kVA)

El cambio que se introduce en este apartado es substancial, y se ha optado por sustituir

dicho generador por un sistema de baterías, acondicionando la salida de corriente que es en continua, con un inversor que transforme esa corriente en alterna, ya que todos

nuestros equipos usan corriente alterna.

Se han barajado varias posibilidades teniendo siempre en cuenta las necesidades

fundamentales a las que nos debemos someter. Por un lado el abastecer en todo momento a los equipos, y por otro a las restricciones de espacio, además de una

autonomía suficiente para las pruebas. Hemos calculado la instalación para 24 V en contínua y la solución más adecuada es de 6 baterías conectadas en serie de 2 en 2 y las

3 series en paralelo.

La elección final ha sido el uso de 6 baterías, para lo cual tendremos en consideración dos posibilidades para las cuales habrá que tomar la decisión de una u otra por aspectos

económicos, ya que ambas soluciones cumplen los requisitos requeridos.

En primer lugar tenemos 6 baterías MARATHON L con las siguientes características:

Por otro lado tenemos la posibilidad de baterías POWERFIT S500, con las siguientes

características:


30

Con la incorporación al equipo de esas nuevas baterías se hace indispensable el uso de

un cargador, ya que no sería económicamente viable el uso de baterías nuevas para cada prueba. Las características del cargador de corriente son las siguientes:

Por último y como ya se ha comentado, es necesario transformar la corriente continua que aportan las baterías, con un inversor, cuyas características también se detallan a

continuación:


31

Cabe destacar que de las tres posibilidades que se ofrecen, la que es apta para nuestras necesidades es la que trata 12 V de energía a la entrada. También se puede observar que

este mismo inversor podría actuar como cargador de baterías, de ahí que aparezcan las características como tal.

En cuanto a las secciones de la instalación, calcularemos las secciones que van de las

baterías hasta el inversor, ya que a partir de éste las secciones que traen los propios cables de los equipos son suficientes.

Para una potencia máxima de 2000W, con una tensión de 24 voltios obtenemos I = 84 A, la primera sección que lo resiste es de 35 mm2. Como los grupos de 2 baterías

estarán conectadas en serie, la intensidad total rondará los 255 A, lo que nos lleva a una sección de 185 mm2.

El esquema eléctrico se detalla a continuación:


32


33

3.10. Enfriador

El montaje de la instalación anterior utilizaba un enfriador Peltier, para la línea fría. El

objetivo consistía en proporcionar al equipo de medida que utiliza la tecnología NDIR, una muestra de gases a una temperatura tal que todo el H2O que ésta contenga, quede condensado antes de llegar al equipo, ya que ese componente desvirtúa la medida de

CO, O2 y CO2.

En este caso la nueva disposición del desecador de Sílica Gel eliminará por sí mismo el

agua de la toma de muestra, siendo ayudado en cualquier caso por una longitud de tubos y líneas algo mayores, para que tenga más pérdida de calor en el transporte.

La motivación de eliminar es este equipo, es como en otros casos, la necesidad de hacer un montaje mucho más rápido, con sistemas más ligeros.

3.11. Interconexión vehículo-equipos (toma de datos del vehículo)

Hasta ahora el método de adquisición de datos del vehículo, se realizaba a través de la

ECU del mismo, con un módulo ETK, proporcionado por el propio fabricante.

El sistema queda excluido de las posibilidades para la nueva instalación, ya que el

vehículo será un elemento cambiante, los equipos deben poder ser montados sobre cualquier vehículo, y no es posible adquirir módulos de adquisición de datos para todos.

En definitiva, todas las modificaciones, como ya se expresó anteriormente, van encaminadas a la reducción, de volumen, y peso en los equipos que se deben embarcar,

así como un más fácil montaje de los mismos, con objeto de conseguir lo que realmente se busca, es decir un equipo fiable, que supla los imprecisos ciclos de conducción para determinar la emisión de gases contaminantes del parking de vehículos actual.

A veces esa reducción de volumen y peso implica la eliminación, ó modificación de los equipos con los que se venía trabajando hasta ahora, pero después de un estudio

exhaustivo de cada una de esas modificaciones se ha considerado como más adecuado llevarlas a cabo, bien sea porque se han adoptado soluciones tecnológicas más

avanzadas, ó porque se ha profundizado en la necesidad ó no del uso de esas herramientas ó equipos, llegando a la conclusión técnica, en base al estudio, de que

deben ser eliminados.

Con todas estas modificaciones hemos conseguido obtener un equipo mucho menos

intrusivo en el vehículo, por tanto cualquier vehículo bien sea comercial, como particular, podrá instalar estos equipos en un tiempo realmente corto, para poder

analizar sus emisiones, y tras esta toma de muestras el equipo se podrá desmontar, y a diferencia de lo que se había conseguido hasta ahora, el vehículo quedará en las mismas

condiciones que antes de realizar la prueba, evitando orificios sobre el chasis y otras acciones intrusivas.


34

También cabe destacar que estas modificaciones facilitarán la instalación, por un lado con una mayor compacidad de los equipos, por otro por la simplificación en las líneas

neumáticas, y por último la reducción drástica de peso, con la eliminación de Peltier y el equipo de generación de energía.

Después de un estudio sobre la posibilidad de medir la opacidad de los gases, se han

evaluado alternativas, y hemos llegado a la conclusión que el equipo que veníamos montando hasta ahora, el equipo de medida de opacidad WAGER 6500, es el más

adecuado para ese propósito, ya que la mayoría de las posibilidades del mercado ofrecen soluciones no adaptables a la medida de un flujo continuo, como es el caso que nos

ocupa.

3.12. Posibles disposiciones de los equipos en vehículos

La posibilidad de encontrar vehículos a los cuales no se les pudiese adaptar los equipos con los que estamos trabajando, no ha llevado a plantearnos la posibilidad de hacer un

estudio, en el cual se refleje la posible distribución de los aparatos dentro de los espacios que un vehículo nos aporta.

El estudio ha considerado dos disposiciones diferentes, en la primera los equipos de medida de gases se encontrarán en un mismo soporte, y en la segunda disposición los

equipos se encontrarán en dos soportes diferentes, dejando un espacio adicional para la colocación de termostatos, conexiones con sensores, así como manómetros.

Otra diferencia entre disposiciones, se basa en las baterías, ya que para el primer caso las baterías se apilarían en vertical, permitiendo por tanto que las dimensiones de las mismas (aunque ya estudiadas) tengan una mayor amplitud ó libertad en su área de

apoyo. Por otro lado la segunda disposición se basa en apilar las baterías en un misma línea horizontal. Para este caso se han tenido en cuenta las medidas aportadas por las

baterías que se han considerado, y que aparecen en el capítulo anterior.

Por último, la última diferencia importante es sobre la toma de muestra en el escape,

para la cual el primer estudio tuvo en consideración que el caudalímetro podría ser un tubo de Pitot, luego esa conexión sería de unas características específicas. Por otro lado

en el segundo montaje, la conexión con el escape se hace teniendo en cuenta que el caudalímetro a utilizar sería el termométrico.

En definitiva para la realización de estos modelos se han considerado las medidas reales de los aparatos que conforman este equipo completo, a falta tan sólo de elementos

flexibles ó de pequeño volumen, que como se observará con implicarán ningún problema por el excedente de espacio.

Se podrá observar el estudio sobre cuatro diferentes modelos, desde un vehículo de dimensiones pequeñas (basado en dimensiones de Citroën Saxo), pasando por un


35

vehículo de 4 puertas (Renault 19 Chamade), por un vehículo considerado semimonovolumen (SEAT Altea), hasta una berlina 5 puertas (Renault Laguna II)


36

Simulación de vehículo de pequeñas dimensiones (Saxo)


37


38

Vehículo de dimensiones intermedias 4 puertas (Renault19 Chamade)


39


40

Vehículo de dimensiones intermedias 5 puertas (Seat Altea)


41


42

Simulación de vehículo berlina (Renault Laguna)


43


44

4. Índice de Comportamiento Dinámico del Conductor

4.1. Resumen de la información disponible

Antecedentes históricos

Cuando se pretende evaluar las prestaciones a nivel de emisiones contaminantes de un

vehículo o de un parque de vehículos, la tecnología del vehículo, la carga de uso del mismo, el combustible utilizado, la situación del trafico, el estado del firme, etc. Son factores muy importantes. Pero de entre estas influencias el modo de uso del vehículo se

ha demostrado que puede tener efectos en consumo de al menos el 10% y en términos de emisiones contaminantes de incluso el 500%.

Muchos han sido los trabajos realizados para evaluar la influencia del modo de uso de los vehículos en sus prestaciones en consumo y emisiones contaminantes. Los primero

trabajos realizados se centraron en mostrar que existen diferencias en la emisiones contaminantes que los vehículos arrojan cuando circulan según un ciclo de operación u

otro. La influencia del ciclo de conducción que está siguiendo el vehículo se viene estudiando desde los años 50, tras lo que seguidamente se empezaron a ligar las

relaciones de los ciclos de conducción con el consumo y las emisiones. De esta forma ciclos de homologación como el FTP 75 el NEDC o el Japonés 10-15 modos se

estudiaron para que representasen de alguna manera, con mayor o menor éxito, la forma de conducir y sus consecuencias en las emisiones. Fue precisamente de la incertidumbre

de la representatividad de estos ciclos de homologación lo que desencadenó la necesidad de evaluar ciclos más representativos (André et al., 1991).

Se observó que los distintos ciclos de conducción afectaban considerablemente a los niveles de emisiones contaminantes que uno u otro arrojaban. De esta forma comenzaron los trabajos de estudio de los contaminantes que los vehículos e emiten en

circulación real. Primero con la medida indirecta a través de la sonda lambda para vehículos de gasolina (St. Denis M. et al.,1994). Otros estudios basados en la

simulación (André y Hammarstrom, 2000) han demostrado la influencia que no sólo el valor de la velocidad media sino la calidad de la misma, es decir la distribución de

velocidades, supone discrepancias en emisiones de hasta el 30%. Otros estudios demostraron que determinados eventos en la conducción no presentes en los ciclos de

homologación, como fuertes aceleraciones o pendientes, representan un importante potencial de emisiones contaminantes (Cicero-Fernandez P., Long J R., 1994, 1995).

De esta forma, a lo largo de los últimos años se ha abordado la tarea de intentar establecer ciclos de conducción que simulen el comportamiento medio de los vehículos

en sus condiciones de uso más habituales (André et al., 1994). Lo que sin duda en baterías de ensayos como podrían ser los de homologación de las series daría datos


45

utilizables para la estimación de las emisiones contaminantes (Samaras Z. Et al., 1999) (André M., 2004).

No contentos con esta elaboración de ciclos de conducción intentando imitar las condiciones más habituales de funcionamiento de los vehículos se intentó evaluar las prestaciones en emisiones contaminantes de los vehículos cuando se les hace funcionar

en un ciclo real programado en un banco de rodillos. De esta forma se ha demostrado que los ciclos de homologación pueden subestimar las emisiones en caliente en un 50%

en motores de gasolina y en un 30% en motores diesel (Joumard R. et al., 2000). Por otro lado también se hizo necesario evaluar como afecta el comportamiento del tráfico

en las emisiones (Boulter P.G. et al., 1999).

Sin embargo todavía no quedaba claro que al exportar los datos de circulación a un

banco de rodillos para medir las emisiones producidas, éstas caracterizasen correctamente el ciclo de conducción. Además quedaba la incertidumbre de que los

ciclos de alguna forma había que volver a seguirlos intentando copiar un patrón en lugar de representar la actitud espontánea del conductor. De esta forma se empezó a

instrumentar vehículos de gasolina con tecnologías de análisis relativamente sencillas (Cicero-Fernandez P., Long J R., 1995) (Frey H.C. et al., 2001) y diesel con tecnologías

de instrumentación más avanzadas (Casanova et al., 2004).

Fue posteriormente, cuando se empezaron a estudiar explícitamente los efectos del tipo

de conducción , así como los efectos del tipo de vía, en las emisiones y el consumo, cuando se plantearon las posibles causas de discrepancia en cuanto a los resultados en consumo y emisiones contaminantes que ofrecían ciclos de conducción similares, y en

qué medida estos factores afectaban a los resultados. De esta forma se apreció que una conducción agresiva suponía un incremento de emisiones de hasta 4 veces respecto al

uso normal; e incluso, si la conducción era sosegada, se podían conseguir reducciones aun mayores excepto para los NOx (De Vlieger I., 1997). También se pudo observar que

los vehículos que daban mejores prestaciones en términos de emisiones contaminantes en homologación no necesariamente respondían de esta forma en uso. Paralelamente se

realizaron trabajos relativos a la influencia que tenían los distintos conductores en las mismas condiciones en las emisiones contaminantes (Holmen B. A. y Niemeier D. A.,

1998) sugiriendo que las discrepancias entre los mismos se debían a las diferencias de intensidad en la conducción del vehículo y no a una distribución diferente en la

frecuencia de modos de conducción. Posteriormente, con la adaptación de tecnologías de análisis de gases para vehículos diesel, se vio que el estilo de conducción presentaba

mayor influencia en los vehículos propulsados con motores de gasolina, aunque los de motor diesel también se veían afectados notablemente del estilo de conducción (De Vlieger I., 2004).

Habida cuenta de la importancia que el modo de uso del vehículos y en particular de su motor tiene sobre las prestaciones en consumo y emisiones contaminantes se hizo


46

necesario la realización de estudios al respecto. En concreto y a partir del programa ECO-DRIVING se han desarrollado diversos estudios relacionando el comportamiento

del conductor con el consumo de combustible con el objeto de educar a los conductores para reducir el consumo de combustible (De Vlieger I., 1997). Desarrollando métodos de enseñanza para la formación de los conductores en la conducción económica (Af

Walhlberg A. E., 2002)(TNO Report, 2002). También se han desarrollado otros estudios relativos a como afecta el comportamiento del conductor en los que se intentaba medir

cuantitativamente el comportamiento del mismo mediante un índice, que en principio se denominó de “agresividad”, incluyendo los factores controlados por los programas de

conducción económica como son la velocidad de actuación sobre el acelerador, el régimen al que se llevaba el motor y la deceleración(Casanova J. et al., 2004).

Precisamente de la idea de poder medir cuantitativamente el comportamiento del conductor mediante un índice surge la necesidad de determinar cuales son los factores

que pueden definir el mismo, relacionándolos con el consumo y las emisiones contaminantes que se derivan de ello. Un primer intento de relacionar la dinámica en el

uso del vehículo y su motor con el consumo y las emisiones contaminantes realizado por La Universidad Técnica de Graz (MEET Project, 1998) se enfocaba en generar

mapas de velocidad frente a potencia de aceleración específica (velocidad por aceleración). Eva Ericsson, en estudios preliminares, planteó ciertos parámetros que

podían definir el modo de conducción de desarrollaba un conductor, parámetros parecidos a los propuestos por el TNO. Estos parámetros los agrupó e identificó su interdependencia para extraer una redefinición de parámetros independientes (Ericsson

E., 2001).

Sin embargo ya se planteó hace unos años (Newman P. y Kenworthy J., 1984) la

necesidad de no abusar del estudio de ciclos de conducción sacando conclusiones locales dentro del área de interés sino haciendo un estudio a todos los niveles de

definición para abordar el macro-problema del consumo y las emisiones contaminantes derivadas del uso del transporte.

Resultados anteriores

Aunque ha habido otros trabajos como el realizado por el TNO en el que se planteaban

distintos parámetros a estudiar, los trabajos que en más detalle han estudiado los distintos factores influyentes en el modo de conducción son los realizados por Eva

Ericsson.

En principio la mayor parte de los estudios se han centrado en las variables medidas

para luego extraer las relaciones que existen con el consumo y con las emisiones contaminantes.

En concreto Eva Ericsson clasificó los parámetros en distintas categorías como las

mostradas en la siguiente tabla:


47

Nivel Oscilación Distribución Efecto

Media y desviación

estándar de la velocidad

Frecuencia de los

valores máximos y mínimos.

% tiempo en

diferentes intervalos de velocidad

Consumo de

combustible

Media y desviación

estándar de la aceleración

Integral del

cuadrado de la aceleración

% tiempo en

diferentes intervalos de aceleración

Emisiones de NOx

Media y desviación estándar de la

deceleración

Aceleración positiva relativa

% tiempo en diferentes intervalos

de deceleración

Emisiones de HC

De esta clasificación de parámetros extrajo 62 factores que pudiesen verse afectados y realizando ensayos en múltiples vehículos y conductores independientes. Mediante un

modelo de emisiones evaluó todos los parámetros extrayendo aquellos que fuesen independientes una vez evaluados mediante un análisis de varianza. La siguiente tabla

muestra la influencia de los distintos factores sobre el consumo y las emisiones modelizadas. Donde + significa correlación positiva, – negativa y entre paréntesis la

relación no está muy clara.

Consumo HC NOx

Factor de deceleración -

Factor de aceleración con fuerte demanda de potencia ++++ +++ ++++

Factor de aceleración con demanda moderada de potencia

++

Factor de aceleración extrema ++ +++++ ++++

Factor de oscilación de la velocidad ++

Factor de parada +++++

Factor para velocidad entre 15 y 30 km/h -

Factor para velocidad entre 50 y 70 km/h --

Factor para velocidad entre 70 y 90 km/h -

Factor para velocidad entre 90 y 110 km/h

Factor de velocidad >110 km/h


48

Factor de régimen >3500 rpm (++) ++

Factor de cambio retardado entre 2ª y 3ª + (++) +++

Factor de velocidades moderadas en 2ª y 3ª -- -

Factor de baja velocidad en 4ª - (-)

Factor de baja velocidad en 5ª - (-)

Sin embargo estos trabajos no extraen un indicador global del ciclo de forma que se pueda calificar el comportamiento de un conductor cuantitativamente.

Otros estudios como el de Casanova et al. parte de un intento de comprender cuales son

las variables que están a disposición del conductor y caracterizan su comportamiento en la conducción teniendo influencia en el consumo y en las emisiones contaminantes. De

esta forma, basándose en los conceptos de conducción económica postulados por el programa Eco-Driving, tomaron la deceleración, el régimen del motor y la velocidad de

accionamiento del pedal del acelerador como parámetros para definir un índice de agresividad.

100

8.5

2a

5000

2000n

150t

3

1AI

pedal.acc

Donde AI es el índice de agresividad, pedal.acc es la variación de la posición del pedal

del acelerador, n el régimen del motor, y a es a aceleración del vehículo, la cual sólo se considera cuando es menor que -2m/s2.

Evaluar la pauta de conducción en tráfico real necesita del conocimiento de los factores

que definen el comportamiento de un conductor. Estos factores se pueden evaluar en base a ciertos parámetros o variables susceptibles de ser medidas.

En general los trabajos encontrados hasta la fecha han partido de las variables medidas para acabar extrayendo los factores a los que hacían referencia. No obstante parece

interesante abordar el problema en orden inverso, determinando los factores que puedan influenciar el comportamiento del conductor. Lamentablemente el modo de conducción

de un vehículo no sólo viene determinado por aspectos relativos al conductor sino también por otros concernientes a la ruta seguida, el estado del tráfico, etc.

En principio se va a evaluar únicamente aquellos aspectos que tengan influencia en el consumo de combustible o en las emisiones contaminantes producidas. Otros aspectos

como la conducción o el respeto de las normas de tráfico no se evaluarán en este trabajo. Sin embargo, es cierto que las medidas que sirven para controlar el consumo

pueden ser aprovechadas para evitar los accidentes.


49

De trabajos realizados anteriormente se pueden extraer factores que pueden definir el comportamiento del conductor en distintos aspectos como la deceleración, la

aceleración, la capacidad de mantener una velocidad, los regímenes del motor habituales o la velocidad a la que suele conducir. Por otro lado también se pueden extraer factores definiendo el ciclo en aspectos como el nivel de congestión o el tipo de

vía por el que se circula. Evidentemente estos dos tipos de factores afectan a los resultados que se desean analizar como son el consumo y las emisiones contaminantes.

El comportamiento del conductor y la evaluación del ciclo de conducción seguido se puede abordar de dos formas: Bien instantáneamente, de manera que se puede evaluar la

“agresividad” o el comportamiento dinámico del conductor en cada momento para determinar que acciones son perjudiciales y como podemos evitarlas. Bien de manera

acumulada, evaluando el ciclo de conducción de forma global mediante una serie de indicadores o factores. Pasaremos a analizar estos factores.

4.2. Evaluación global del comportamiento dinámico del conductor

Cuando se evalúa una pauta de conducción existe el riesgo de contaminar la evaluación

del comportamiento dinámico netamente debido al conductor con condicionantes del ciclo de conducción lo que hace necesario extraer indicadores para cada fenomenología.

Una primera cuestión es que el consumo de combustible proviene del uso del motor. En general, y sin entrar por ahora en más detalles, el aumento de energía producida por el

motor aumenta el consumo, como muestra la gráfica adjunta obtenida del tratamiento de los datos obtenidos del proyecto del año 2004.

Consumo en función de la energía utilizada del motor y = 0.0084x + 3.4015

R2 = 0.7974

6

7

8

9

10

11

450 550 650 750 850 950

Energía utilizada del motor (kJ/km)

Co

nsu

mo

(L

/100

km)

Cuando el conductor percibe un comportamiento más agresivo la energía demandad del motor crece.


50

Trabajo realizado por el motor en función de la percepción del comportamiento del conductor

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3

Comportamiento (1 suave, 2 normal, 3 agresivo)

Tra

ba

jo m

oto

r (k

J/k

m)

Factores relativos al conductor

Factor de deceleración

Puesto que conduciendo con anticipación el conductor puede minimizar las frenadas y

hacer que estas sean muy suaves el control de las deceleraciones en un factor que está íntimamente relacionado con el estilo de conducción.

Energia disipada en la frenada en función de la percepción del comportamiento del conductor

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3


Tra

baj

o m

oto

r (k

J/km

)

Existen posibles interacciones de este factor como indicador del estilo de conducción y

como indicador de la situación del tráfico al contabilizar las frenadas de emergencia o más fuertes cuando la situación no era posible de prever (como el cruce de algún peatón

u otro vehículo inesperado o la puesta en rojo de un semáforo).


51

El control del factor de deceleración permite una reducción del consumo al realizar la frenada con anticipación con el freno motor y dejando que el vehículo se decelere con la

marcha engranada. De esta forma el motor se encuentra en situación de corte de inyección recorriendo a menor velocidad cierta distancia y ganando tiempo a la situación de espera de ralentí en el semáforo o a la situación en la que tuviese que estar

el vehículo detenido. De esta forma, tanto recorrer metros con consumo cero como reducir el tiempo de espera, contribuyen a que el consumo por kilómetro recorrido sea

menor.

Consumo en función de la energía disipada en la frenada y = 0.0119x + 5.8905

R2 = 0.8364

6

7

8

9

10

11

12

70 120 170 220 270 320 370 420 470

Energía disipada en la frenada (kJ/km)

Co

nsu

mo

(L

/100

km)

% de frenada

0102030405060708090

100

0 1 2 3


Tra

baj

o m

oto

r (k

J/km

)

'% de frenada noaerodinámica'

'% de frenada noaerodinamica suave

'% de frenada suave'

El hecho de que el consumo se reduzca mediante el corte de inyección tiene un efecto

directamente proporcional en las emisiones contaminantes reduciendo las mismas dado que no se produce combustión ni emisiones asociadas a la misma. Si bien, en motores

diesel equipados con catalizador de oxidación, los cortes de inyección hacen que el catalizador se enfríe, reduciendo su rendimiento en la posterior aceleración, no queda

claro que de otra forma se pudiese emitir menos inquemados.


52

El factor de deceleración se puede definir mediante diferentes variables:

Porcentaje de tiempo con niveles de deceleración altos

Deceleración media

Desviación estándar de la deceleración

Trabajo de deceleración no aerodinámica

Aunque en trabajos anteriores (Ericsson E.,2001) se tome la deceleración media como parámetro fundamental a la hora de estimar este factor, el efecto más importante sobre

las emisiones y el consumo se puede esperar del parámetro de potencia de deceleración. No obstante será necesario evaluarlos todos.

En la gráfica siguiente se aprecia como si se aumenta el porcentaje de frenada suave en un ciclo de conducción real, la tendencia del consumo es claramente a la baja.

Consumo en función del porcentaje de frenada suave (a<0.1) y = -0.1763x + 23.589

R2 = 0.6698

6

7

8

9

10

11

70 75 80 85 90 95

Porcentaje de frenada suave

Co

nsu

mo

(L

/100

km)

Resumiendo, el factor de deceleración describe la cantidad de deceleración en la pauta de conducción y es grande con grandes deceleraciones y pequeño cuando las deceleraciones son escasas y suaves. En concreto el factor de deceleración debería

definirse entorno a la cantidad de energía disipada en la frenada por como influye en el consumo y las emisiones.

Factor de aceleración con fuerte demanda de potencia

El conductor tiene siempre el control de la cantidad de aceleración que imprime a su

vehículo con lo que es evidente que un claro indicador del modo de uso del vehículo es la aceleración.

Aunque en principio este factor no debe interaccionar con la situación del tráfico existen ciertas circunstancias, como las incorporaciones a vías de alta velocidad, en las que la

aceleración aplicada al vehículo debe ser relativamente elevada. Controlando los niveles


53

de la misma se puede considerar que es un factor totalmente desacoplado de la situación del tráfico.

En realidad para llevar al vehículo a una cierta velocidad la energía empleada en la aceleración es independiente del valor de la aceleración, puesto que a bajas aceleraciones el tiempo durante el cual se está acelerando el vehículo es mayor. Sin

embargo es cierto que cuanto mas tiempo esté acelerando el vehículo menor será la velocidad media, presentando menores pérdidas aerodinámicas. Por otro lado muchas

veces acelerando lentamente no se llega a la misma velocidad final objetivo, (por ejemplo 50 km/h en ciudad) dado que ocurre un evento antes de que esto se produzca

(por ejemplo que el siguiente semáforo se ponga en ambar), con lo que no se empleará energía en sobreacelerar el vehículo para luego disiparla en la frenada sin obtener

ninguna ganancia en tiempo. De esta forma se puede considerar que este factor directamente no supone un ahorro de combustible pero si de forma indirecta. Para el

caso de los motores de gasolina, en eventos de fuertes demandas de potencia modifican su mezcla enriqueciéndola, lo que supone un mayor gasto de combustible.

En cuanto a emisiones contaminantes la situación difiere un poco en función de la tecnología del motor. Los motores de gasolina catalizados cuando la demanda de

potencia es elevada funcionan con bucle abierto con lo que no se controla la estequiometría de la combustión y el catalizador sale de rango de funcionamiento,

siendo los óxidos de nitrógeno los primeros gases en salir fuera del rango de actuación del mismo. Así los niveles de contaminantes aumentan bastante con motores de gasolina cuando este factor es elevado, sobre todo los de NOx. Para el caso de los motores diesel

la situación difiere un poco. La emisión de óxidos de nitrógeno en estos motores es casi proporcional al consumo pero depende un poco del algoritmo de gestión del EGR del

motor. Los hidrocarburos y monóxido de carbono mejoran sobre todo en motores catalizados al aumentar la temperatura del catalizador mejorando las condiciones para

su destrucción. No obstante estos contaminantes no son muy importantes en esta clase de motores. Sin embargo las emisiones de mayor impacto en estas situaciones de

aceleraciones fuertes en motores diesel son las de partículas.

Este factor se puede evaluar positiva o negativamente. Es decir puede ser interesante

evaluar cuando se está en situaciones de este estilo de alta demanda de potencia para la aceleración o puede ser interesante determinar el porcentaje de aceleraciones que se

producen de forma moderada.

Las variables interesantes para evaluar este factor son:

ARP: Aceleración positiva relativa dta·vX

1APR , donde X es la distancia

total recorrida

Potencia específica de aceleración


54

Potencia motor

Este factor comprende situaciones en las que existe gran cantidad de demanda de

potencia, lo que también está relacionado con la aceleración. De esta forma el factor es alto cuando la pauta de conducción incluye grandes cantidades de aceleraciones de alta demanda de potencia. Este factor se debe asociar con las aceleraciones mayores de las

necesarias. Es inevitable tener que destinar parte de la potencia a acelerar el vehículo pero dentro de unos ordenes con lo que el límite inferior se deberá establecer.

Factor de oscilación de velocidad

El conductor tiene pleno control sobre la velocidad de su vehículo y la variación de la

misma, de lo que una frecuencia de la variación de la velocidad alta denota una falta de control de la velocidad. Cuando aparecen frecuencias bajas se puede considerar que el

conductor está adaptando la velocidad del vehículo a la situación del tráfico o a las condiciones del ciclo.

Hay que considerar que los cambios de pendiente producen cambios en la velocidad, y con ciclos con muchos altibajos se pueden encontrar variaciones debidas a este efecto.

No obstante los conductores tienen cierta tendencia a corregir este efecto acelerando para mantener la velocidad. Corrección que nunca se consigue completamente.

En general es deseable que no existan transitorios en el motor. El efecto directo sobre consumo y emisiones no está totalmente definido. En principio los transitorios de fuerte

intensidad pueden hacer que los motores de gasolina catalizador salgan fuera de su control en bucle cerrado sacando fuera de funcionamiento al catalizador. En el caso de los motores diesel la centralita de control puede modificar las cantidades de EGR

influyendo en las emisiones de NOx y partículas. No obstante los efectos de fuertes variaciones de velocidad se ven reflejados en el factor que atañe a las fuertes

aceleraciones.

Para el estudio de este factor se puede disponer de las siguientes variables:

Frecuencia de la oscilación de la curva de velocidad

Frecuencia de la oscilación del pedal acelerador

Amplitud de la oscilación del pedal acelerador

ECP: Energía cinética positiva. XvvECP 2i

2f , cuando 0dtdv

donde X es la distancia total recorrida.

Desviación estándar de la velocidad

Este factor describe la oscilación de la curva de velocidad. Este factor crece con el

número de máximos y mínimos locales de la curva de velocidad.


55

Factor de velocidad

En cierta medida el conductor tiene la total responsabilidad sobre la velocidad de su

vehículo. Es cierto que el tipo de vía por el que se circula impone un nivel mínimo y máximos de velocidad, lo que acota la responsabilidad del conductor. Así en ciudad la velocidad máxima es de 50 km/h generalmente y la mínima es 0 km/h lo que no siempre

es cierto puesto que hay vías en las que uno no puede parar, lo que hace que se deba establecer un mínimo lógico. En autovía la velocidad máxima es de 120 km/h y la

mínima es de 60 km/h, algo que tampoco es cierto en eventos especiales como curvas peligrosas, además es sentido común nos dice que incluso la velocidad de 60 km/h no es

adecuada, para lo que también será necesario establecer un nivel mínimo lógico.

El objetivo final de un vehículo es transportarnos de un sitio a otro, lo que consigue a

una cierta velocidad. Puesto que las cargas resistivas que tiene que vencer el vehículo, además de la resistencia a la rodadura y tener que vencer desniveles, son

fundamentalmente las aerodinámicas las cuales son función de la velocidad, linealmente para bajas velocidades y cuadráticamente para velocidades más altas. Con lo que se

puede resumir que la carga que debe vencer el motor es proporcional a la velocidad.

Consumo en función de la velocidad media mantenida

6

7

8

9

10

11

15 25 35 45 55

Velocidad (km/h)

Co

ns

um

o (L

/10

0k

m)

a<0.01

a<0.1

a<0.5

Consumo en función de la velocidad media

6

7

8

9

10

11

15 20 25 30 35 40 45

Velocidad (km/h)

Co

nsu

mo

(L

/100

km)

V>=0

V>0

V>3


56

Consumo en función del gap de velocidad entre la media del ciclo y la media circulando

y = 0.3847x + 4.7843

R2 = 0.63126

7

8

9

10

11

5 7 9 11 13 15

Gap de velocidad (km/h)

Co

nsu

mo

(L

/100

km)

Dicho todo lo anterior es evidente que el consumo es directamente proporcional a la

velocidad del vehículo como muestran las gráficas anteriores obtenidas de los ensayos realizados como parte del proyecto anterior. En muchas ocasiones encontraremos

estudios e incluso nuestra propia experiencia personal nos indicará que circular con velocidades medias bajas incrementa el consumo. Y efectivamente así es, sin embargo

esto se debe a las constantes aceleraciones y los largos periodos con el motor a ralentí. La figura anterior muestra que a medida que aumenta el “gap” entre la velocidad media

de un ciclo de conducción y la velocidad media cuando el vehículo se mueve, lo que equivale a que aumentan los periodos al ralentí y por tanto acelerando desde parado, el

consumo aumenta. A bajas velocidades el motor del vehículo tal vez no se encuentre en su punto optimo de rendimiento (seguro que no) pero consume menos que si la

velocidad es algo mayor, siempre teniendo en cuenta que la velocidad sea constante. Dicho esto es evidente que existen efectos que hay que desacoplar.

Velocidad media del ciclo en función de la percepción del comportamiento del conductor

6

11

16

21

26

31

36

41

46

0 1 2 3


Vel

oci

dad

(km

/h)

V>=0

V>0

V>3


57

Velocidad media mantenida en función de la percepción del comportamiento del conductor

6

11

16

21

26

31

36

41

46

51

0 1 2 3


Ve

loc

ida

d (k

m/h

)

a<0.01

a<0.1

a<0.5

En las dos gráficas anteriores puede comprobarse como la percepción de su propia agresividad (valorada de 1 a 3) en la conducción da lugar a velocidades medias

mayores.

Llegado el momento de analizar el efecto en las emisiones contaminantes la cosa no es evidente. Los motores de gasolina en régimen permanente o semi-permanente Tienen a

su catalizador funcionando con un alto rendimiento. El rendimiento del catalizador en principio aumentará con la temperatura con lo que cuanto mayor sea la carga del motor

mas calientes saldrán los gases de escape y más calentarán al catalizador. Pero siempre dentro de unos límites, y tampoco se puede decir que las variaciones sean muy elevadas.

Por otro lado puesto conforme aumenta la velocidad del vehículo, y consiguientemente la carga de su motor, el consumo aumenta, con lo que se producen más emisiones, sobre

todo de NOx en la combustión. Dicho esto no es fácil decir cual de los dos efectos tendrá mayor importancia si es que finalmente la tienen. En motores diesel las

emisiones cde NOx, que son proporcionales al consumo, aumentarán, también lo harán las emisiones de PM. Por otro lado las de CO y HC disminuirán, dado que la

temperatura de la combustión aumenta y se favorece la oxidación.

Para el estudio de este factor se plantean las siguientes variables:

Velocidad media del ciclo

Velocidad media mantenida. Se contabiliza la velocidad media cuando el vehículo no está parado ni acelerando o decelerando demasiado como para

cambiar de velocidad ostensiblemente.

El factor de velocidad simplemente define la velocidad a la que se recorre un ciclo. En

definitiva hasta hace no mucho tiempo este era el único factor que se tenía en cuenta para definir las características de un ciclo de conducción y no existe motivo alguno para

desestimarlo.


58

Factor de régimen Motor

El conductor puede controlar el régimen del motor utilizando marchas más largas para

que el régimen sea más bajo a una velocidad determinada. Con lo cual este factor, aunque de alguna manera viene condicionado por la velocidad del vehículo, es responsabilidad del conductor.

En principio es un factor que no presenta interacciones con la situación del tráfico según se evalúe el mismo. En realidad el régimen de giro del motor está conectado con la

velocidad del vehículo mediante una relación de conversión que determina la marcha engranada. Así, en la medida en la que se vea condicionada la velocidad por el tráfico se

puede ver condicionado el régimen de giro. Sin embargo una buena definición de los parámetros que lo evalúen puede resolver esta interferencia.

Conforme el régimen del motor es mayor para una misma velocidad del vehículo las pérdidas mecánicas del motor son mayores, empeorando el rendimiento del mismo y

consecuentemente aumentando el consumo. En el caso de los motores de gasolina, los cuales tienen estrangulada la admisión a cargas parciales, el efecto es incluso mayor

puesto que las pérdidas de bombeo, las que se asocian al proceso de renovación de la carga en el cilindro, son mayores debido a esta restricción. Las emisiones contaminantes

tan sólo se verán afectadas en la medida que lo hace le consumo.

Para la evaluación de este factor se pueden establecer las siguientes variables:

Régimen de giro del motor

DEC: Desarrollo especifico medio del ciclo. Se considera como la marcha media en función de la velocidad, considerando que la marcha suave de referencia sea

ir en 5ª a 80km/h.

80ª5

VmedMmed

DEC , donde Mmed es la marcha media y

Vmed es la velocidad media del ciclo.

Desviación estándar del DEC

Posición media del pedal acelerador en carga.


59

Posicion media del aceleradory = 0.1336x + 6.4547

R2 = 0.5314

6

7

8

9

10

11

12

0 5 10 15 20 25 30 35

Posicion acelerador

Co

nsu

mo

(L

/100

km)

Este factor evalúa la forma en que actúa el conductor para condicionar el régimen al que

se lleva el motor. El programa Eco-Driving lo incorpora como un de los parámetros a controlar para ahorrar combustible, pero considera que apretar más el acelerador con el

motor en régimen del motor bajo es positivo para ahorrar carburante. Esto no se refleja en la gráfica, por lo que la posición del acelerador en si misma no es una variable

apropiada si no se conjuga con otra que determine en qué desarrollo se está haciendo trabajar al sistema de propulsión.

La gráfica siguiente muestra el efecto d explicado de que el uso de desarrollos medios

más altos (marchas más largas) es positivo para reducir el consumo medio.

Consumo en función del desarrollo medioy = -5.6431x + 14.679

R2 = 0.468

6

7

8

9

10

11

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Desarrollo medio (m/vuelta)

Co

ns

um

o (

L/1

00

km

)


60

Factores relativos al ciclo

Factor de parada

El factor de parada sirve para denotar la duración de las paradas. El factor será elevado si el tiempo de parada es elevado o si el número de paradas es alto.

Este factor no es en absoluto responsabilidad del conductor y tan sólo denota la

situación del tráfico o las características del ciclo recorrido. Sin embargo si que es posible que el conductor pueda modificarlo previendo las paradas y ralentizando su

marcha para pasar el menor tiempo posible de deceleración. En cualquier caso si que tiene influencia en los resultados en consumo y emisiones con lo que es necesario

evaluarlo para poder desacoplarlo del comportamiento del conductor.

Este factor tiene un efecto directo en el consumo puesto que el motor a ralentí consume

combustible para no avanzar nada.

Las emisiones contaminantes vinculadas a este factor dependen de la tecnología del

motor. En motores de gasolina con catalizador, este factor no afecta demasiado a las emisiones puesto que a ralentí el catalizador funciona correctamente y tan sólo se ven

incrementadas las emisiones en la medida que se produce consumo de combustible; siempre dentro de los límites de la eficiencia del catalizador. En cuanto a motores

diesel, si estos están equipados con catalizador de oxidación, las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos inquemados se ven incrementadas con periodos

largos de ralentí, puesto que el catalizador se enfría y baja su rendimiento.

Para evaluar este factor las variables a escoger fundamentalmente se centran en las que delimitan el tiempo de parada:

Porcentaje de tiempo con velocidad menor a 2 km/h (parado)

Tiempo medio de parada

Número de paradas por kilómetro

Factor de congestión

La congestión es una fenomenología que afecta a la pauta de conducción considerablemente y muchas veces es difícil de aislar.

El tráfico congestionado se caracteriza por encontrarse un número elevado de paradas relativamente largas, con una velocidad media extremadamente baja y con velocidades

máximas también bajas.

La congestión tiene un efecto sobre el consumo claro, puesto que la velocidad media es

bajísima y se invierte mucho tiempo a ralentí. En el caso de las emisiones el efecto se acentúa al no conseguir unos gases de escape con una temperatura suficientemente

elevada como para que el catalizador tenga un gran rendimiento.


61

Para la evaluación del factor de congestión se pueden utilizar las siguientes variables:

Porcentaje de tiempo con velocidad entre 0 y 15 km/h

Velocidad media del ciclo

Velocidad máxima

Porcentaje de tiempo con velocidad mantenida

4.3 Evaluación instantánea del comportamiento dinámico del conductor

La evaluación instantánea del comportamiento dinámico es muy interesante puesto que

monitoriza variables controlables directamente por el conductor y permite desarrollar un económetro más desarrollado que un simple medidor del consumo de combustible. Es

interesante abordar este estudio partiendo de unos indicadores globales que permitan evaluar el desempeño global en la conducción para concretar el análisis instantáneo.

De los visto en los factores globales del ciclo se pueden extraer los siguientes indicadores instantáneos:

Deceleración. Cuando los niveles de deceleración superan cierto valor se puede establecer unos límites o zonas para evaluar una conducción suave, normal o

agresiva.

Potencia de frenada no aerodinámica. Descontando la frenada debida a efectos

aerodinámicos la frenada debida a freno motor o freno mecánico disipan energía. Cuando el freno motor es a bajas revoluciones se puede considerar que el efecto

es bajo y en concreto beneficioso.

Potencia específica de aceleración. Denotando un sobre esfuerzo en aceleración, para lo que habrá que establecer unos valores.

Velocidad. Este parámetro habrá que contrastarlo con los límites de la vía por la que se circule, valorándolo como negativo tan sólo cuando se superen estos

límites.

Posición del acelerador. Cuando la posición del acelerador es elevada dentro de

una conducción normal se entiende que la marcha es lo más larga posible y haciendo funcionar el motor a regímenes bajos lo que denota una conducción

sosegada.

Régimen motor. Indica si el conductor cambia de marcha altas o bajas

revoluciones del motor. Normalmente, a mayores revoluciones de motor para la misma potencia entregada se consumo más y se emiten más contaminantes. Es

usual utilizar el parámetro denominado “desarrollo” cuyo unidad suele ser metros por revolución (o vuelta) del motor. Marchas largas (4ª, 5ª o 6ª)


62

proporcionan más metros avanzados por cada revolución del motor que las marchas más cortas como 2ª o 3ª.

4.5. Planteamiento general del ICD

Del estudio de la bibliografía consultada y del análisis de los resultados obtenidos en los ensayos realizados anteriormente se pueden dar algunas pautas para la formulación del

Índice de Comportamiento Dinámico del conductor (ICD). El ICD puede tener valor absoluto, con unos valores mínimos y máximos que serán los que se obtengan de datos

reales medidos en un vehículo, pero consideramos recomendable que el ICD tenga un valor de 0 a 100, que resulta más fácil de interpretar, de forma que

ICD = 0: conducción muy suave. Evidentemente la conducción menos dinámica es no moverse, pero como esto no tiene sentido parece mas razonable, en

principio, dar esta valoración a una conducción en el entorno de las pautas de la conducción económica o eficiente, suave y relajada, como la reflejadas en la

página web del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (I.D.A.E.), (http://www.idae.es/coches/index1.asp) que es consecuencia de los

estudios del proyecto europeo Ecodriving Europe. Ello querer decir que deberá establecerse unos valores mínimos para las variable a considerar en al ICD, que

se fijarán en base a una evaluación en ensayos futuros realizados con un vehículo sensorizado en utilización real.

ICD = 100. Deberá valorarse como una conducción muy agresiva, con significativas variaciones de velocidad y actitudes de conducción poco relajadas y sosegadas. La forma de establecer este valor se basará en asignar valores

elevados a comportamientos dinámicos determinados que se deberán establecer en base a ensayos en tráfico real y mediante la apreciación personal de

conductores expertos.

En principio, y a falta de más ensayos en tráfico real, se asigna dinamismo a

agresividad, pero también velocidades máximas y medias en un recorrido, así como regimenes de giro del motor elevados. Es por ello que podría establecerse un ICD

basado solo en variables del movimiento del vehículo: aceleración, deceleración y velocidad, que están fuertemente afectadas por el tipo de tráfico, la secuencia

semafórica el nivel de congestión, el urbanismo, y los otros usuarios de la vía pública. Por ello consideramos que no es suficiente para interpretar la forma o pauta de

conducción del conductor del vehículo y deben añadirse parámetros que dependan del manejo del motor y los mandos del vehículo como régimen del motor, manejo de la caja

de cambios y los movimientos de los pedales de acelerador y freno.

El ICD se podría evaluar de forma instantánea para luego obtener un valor medio del recorrido. Sin embargo, no parece razonable pensar que un conductor es agresivo en

ocasiones y no en otras, u si ello ocurre posiblemente no sea su responsabilidad sino del

http://www.idae.es/coches/index1.asp


63

entorno. Es por ello que el planteamiento del ICD deberá hacerse en base a valores medios ponderados de las variables registradas durante la conducción real. En caso de

considerarse necesario podría establecerse ICD para diferentes zonas de la conducción, por ejemplo zonas urbanas, vías rápidas o circunvalaciones.

Las variables de conducción que formarán parte del ICD serán:

Velocidad media

Valor medio de aceleración (derivada de la velocidad respecto al tiempo)

Valor medio de deceleración (derivada de la velocidad respecto al tiempo)

Porcentaje de tiempo a ralentí. Esta variable no es fácil valorarla, pues en

principio estar parado es poco dinámico, pero implica un consumo de combustible sin movimiento del vehículo (consumo en l/100 km = infinito).

Porcentaje del tiempo a velocidad constante

Régimen medio del motor.

Porcentaje de tiempo con la caja de cambios en marchas largas ( evaluado posiblemente como km / vuelta del motor)

Número relativo de veces que se pisa en pedal de freno.

Un vez realizadas varias tandas de ensayos en tráfico real con coches y conductores

diferentes se podrá precisar si estos son o no suficientes parámetros para evaluar un estilo de conducción en base a su dinamismo, entendido como agresividad en la forma

de conducir.

4.6. Referencias bibliográficas

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Annual Meeting of the Air & Waste Management Association 2001.

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pipe emissions. TNO report 02.OR.VM.004.1/HVDB

5.- Epílogo

5.1 Conclusiones

Del desarrollo de esta primera parte del proyecto ECOUDIN, se han obtenido las siguientes conclusiones:

Es posible reducir el tamaño y peso de los equipos de análisis de gases de forma que pueden acoplarse en la parte trasera de la mayor parte de los automóviles de

tamaño medio, e incluso de muchos pequeños. Para ello se elimina el refrigerador y se instalará un sistema de alimentación eléctrica diferente.

La colaboración con la el GDE de la UAH ha sido muy beneficioso y dará sus frutos en una sistema de registro de variables de la conducción que pueden ser

empleados de forma universal en cualquier vehículo.

Se ha estudiado una forma de redefinir el concepto de agresividad en base a la

información publicada por otros autores y a la experiencia adquirida en los anteriores trabajos. La “agresividad” de la conducción se evalúa mejor por un Índice de Comportamiento Dinámico” (ICD) del conductor. Diversos

parámetros registrados durante un recorrido en tráfico real permitirán definir este parámetro.

Debe continuarse con este trabajo para concluir lo que ahora se ha comenzado.

5.2. Utilidad del proyecto

El desarrollo tecnológico de los vehículos para reducir su impacto medio ambiental está en manos de las grandes firmas automovilistas, pero los estudios conducentes a reducir

el impacto ambiental y los consumos de energía a nivel local, regional o global se basan en este tipo de estudios que toda sociedad con cierto nivel tecnológico debe poseer. Se

pueden acometer diferentes estudios basándose siempre en datos reales adecuados al


66

lugar, clima y orografía concreta, utilizando para ello datos propios adecuadamente validados.

Al final del primer año de trabajo se dispondrá de un equipo de medida de emisiones contaminantes, consumo y variables dinámicas del vehículo universal, embarcable en vehículos, que permita acometer ensayos de muy diferente índole.

Se es consciente de los problemas que el procedimiento de inspección técnica actualmente vigente presenta y que su futuro es incierto con los automóviles de nuevas

tecnologías. Comprobar la validez del mismo de forma lo más general posible y proponer mejoras es un objetivo de gran trascendencia para los Ministerios y

organismos nacionales y autonómicos implicados en la Inspección Técnica de Vehículos

Además, continuar aumentando la experiencia en los procedimientos de medida de emisiones y consumo en utilización real será un importante activo científico de gran

utilidad para acometer otras acciones en el ámbito del ahorro de energía y la reducción del impacto ambiental del transporte por carretera.

Como resultados concretos de este proyecto a dos años se espera poder obtener datos y conclusiones sobre:

La influencia del estilo de conducción en el impacto ambiental y el consumo de una gama representativa de vehículos. Con ello plantear acciones encaminadas a

la diseminación de técnicas de conducción económica y de bajo impacto ambiental.

Validez de las metodologías de medida de emisiones en las estaciones de

Inspección Técnica de Vehículos con una muestra más amplia de datos y aplicable a la mayor parte del parque de vehículos actual.

Demostración de la viabilidad de diagnosticar vehículos usados con vistas a llevar un registro de su estado de conservación.

Finalmente, y no por ello de menor importancia, la previsible colaboración en estas fases del trabajo con otros centros de investigación en esta materia será de gran utilidad

para el sistema científico español en el sector de automoción, necesario si se pretende acometer estudios y mejoras medio ambientales en el sector del transporte.

5.3. Desarrollo futuro

Como se dijo al inicio de este informe, este proyecto ECOUDIN – I es solo el comienzo

de un proyecto a dos años, por lo que ninguna de sus partes está realmente totalmente concluida. La continuidad de este proyecto deberá dar frutos en dos etapas:

1. Terminación del equipo de análisis de variables de conducción incluyendo el comportamiento dinámico del conductor y las emisiones contaminantes con


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equipos embarcados, trabajo que se está realizando en colaboración con el GDE de la UAH. El nuevo equipo, basado en la utilización de la mayor parte de los

equipos ya disponibles, será portátil y embarcable en cualquier vehículo de tamaño medio.

2. Realización de estudios de los factores que influyen en el consumo de

combustibles y en las emisiones de los vehículos en su utilización real, incluyendo el comportamiento del conductor y su pauta de conducción, el

análisis del estado de mantenimiento. En esta etapa podría plantearse un estudio del parque de vehículos, analizando la validez de los procedimientos de

homologación de vehículos y de inspección técnica.

Como consecuencia de todo ello se podría disponer de información y datos reales y

precisos sobre el impacto ambiental del automóvil con objeto de proponer soluciones contrastadas a los problemas de mejora de la calidad del aire que la sociedad demanda y

a los problemas de la diversificación energética como solución de futuro para la sostenibilidad del transporte de personas y mercancías.

Por último, es importante señalar que el Ministerio de Medio Ambiente está interesado en colaborar con este proyecto como medio de disponer de datos sobre emisiones y

consumos de vehículos reales con el fin de proponer actuaciones para la reducción del impacto ambiental del transporte.

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