Optimización del sistema de medida de emisiones portátil Miveco...

Universidad Politécnica de Madrid

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

Optimización del sistema de medida

de emisiones portátil Miveco y

estudio del consumo de un automóvil

en tráfico real

Fernando Paunero Ruiz-Dana

Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Tutelado por:

Jesús Casanova Kindelán

Julio de 2016

RESUMEN

En la actualidad, dentro del entorno del sector del automóvil, los consumidores que adquieren un vehículo tienen a su disposición gran cantidad de información acerca del modelo elegido. Esta información, además de incluir todos los datos relativos a la potencia y prestaciones, ofrece datos relativos al consumo del vehículo y a la cantidad de sustancias contaminantes emitidas. Es muy llamativo el cambio que está experimentando la actitud de los potenciales compradores en este sentido, ya que hace escasos años se solía prestar más atención a las características técnicas del vehículo, como la potencia máxima, y ciertas prestaciones más relacionadas con el confort que con el respeto al medio ambiente. Sin embargo, en la última década es más común que el consumidor consulte características como el consumo del vehículo y el nivel de emisiones producido, provocado también por la existencia de una legislación cada vez más restrictiva en este sentido, y desde el sector de la automoción han sabido adaptarse a esta nueva realidad ofertando vehículos que consumen menos y que son más respetuosos con el entorno. Ahora bien, como es lógico los datos facilitados por las marcas automovilísticas son valores estimados o promediados que solo obedecen a las características propias del vehículo, sin tener en cuenta las posibles variaciones de factores denominados exógenos, es decir, de origen externo al automóvil. En este sentido, son sumamente importantes las variaciones que introducen factores como pueden ser el conductor, las condiciones de temperatura, o las características de la vía. Resulta, por tanto, crucial en este sentido tener en cuenta el efecto que pueden producir los factores mencionados tanto en el consumo del automóvil como en sus emisiones. En este Trabajo Fin de Grado se estudia, mediante un equipo embarcado llamado Miveco-PEMS1, el consumo y las emisiones de CO2 y CO de un vehículo en tráfico real. Este vehículo es expuesto a la variación de factores que no dependen del vehículo con el fin de cuantificar la influencia de estos, tanto de manera instantánea como media, en forma de factores de consumo y de emisión.

El primer factor exógeno estudiado es la influencia del conductor, con lo que se establece el modo de conducción más apropiado para reducir estas dos variables a niveles asumibles. Este primer estudio se lleva a cabo realizando tres vueltas al circuito urbano predefinido para este Trabajo de manera que el estilo de conducción fuera evolucionando desde un estilo suave hasta un estilo agresivo. En segundo lugar, se analiza la relación entre el consumo y las emisiones y la temperatura del motor en el arranque. Para ello, antes de realizar las tres vueltas mencionadas se realizó una primera vuelta al trazado en conducción normal iniciada con el motor a temperatura ambiente, por lo que la temperatura del motor era muy inferior al resto de los casos. Por último, se realiza un estudio del consumo de combustible y de las emisiones contaminantes en tramos con pendiente pronunciada ascendente y descendente. Con ello se consigue tener una idea de la aportación a las variables estudiadas de este factor exógeno relativo a la vía. En el estudio de la influencia de estos tres factores, en las emisiones de monóxido de carbono se comparan además los valores obtenidos con los valores máximos establecidos por las normativas actuales (Euro 6), y del mismo modo se procede comparando los valores obtenidos de emisiones de CO2 con los límites impuestos por la ACEA2.

Posteriormente, se establecen las conclusiones más relevantes relacionadas con los estudios llevados a cabo y se plantean líneas futuras que desarrollar.

1 Portable Emissions Measurement System 2 Asociación Europea de Fabricantes de Vehículos

AGRADECIMIENTOS

Para comenzar me gustaría expresar mi más profundo agradecimiento y admiración a mis padres, que han sufrido y celebrado conmigo cada momento y me han acompañado siempre en este viaje. A mis tres hermanos, Marta, Laura y Carlos, junto a los cuales he crecido y he pasado los mejores momentos de mi vida. Especialmente importante en los estudios ha sido Carlos, en mis complicados primeros años. Siempre han confiado en mí, me han hecho sentir especial en los buenos momentos y me han animado y apoyado sin límites en los malos.

Quiero agradecer a toda mi familia por ambas partes todo su apoyo, de manera muy especial a mi abuelo Goyo, que me ha enseñado el valor del trabajo y del sacrificio; a mi padrino Miguel por ser una persona fundamental para hacer esto posible; y también a mi tía Angie, por estar siempre pendiente, ayudando y cuidando de todos.

Muchas veces es fundamental tener una vía de escape y de desconexión de los estudios, y por eso también me gustaría dar las gracias a mis amigos del colegio. De la misma forma han sido siempre un pilar muy importante, apoyándome y compartiendo las alegrías y fracasos en todo momento como si fueran los suyos.

A todas las buenas personas que he ido encontrando en mi paso por la Escuela. Estos años han estado llenos de aprendizaje, sacrificio, fracasos y éxitos a su lado. Siempre han sido un ejemplo de constancia y estoy seguro de que seguirán siendo muy importantes en los desafíos que están por llegar, ya que de esta Escuela me llevo amistades para toda la vida. En especial quería dar las gracias a Nuria, por ser un apoyo básico en esta tarea, y por acompañarme trabajando codo con codo para conseguir nuestros objetivos. Contigo todo es más fácil.

Por otra parte, gracias a Jesús Casanova por guiarme en este Trabajo, y por mostrar siempre su predisposición a recibirme en su despacho. Gracias también al personal del Laboratorio de Motores Térmicos, en especial a Juan Antonio, Adrián y Pedro, por echar una mano siempre que hacía falta en las labores mecánicas.

Gracias de corazón a todos, sin vosotros nada de esto hubiera sido posible.

Contenido

1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 9

1.1 Objetivos y fases del proyecto........................................................................................ 9 1.1.1 Objetivos ........................................................................................................................................... 9 1.1.2 Fases del proyecto ............................................................................................................................. 9 1.1.3 Planificación temporal..................................................................................................................... 11

1.2 Factores que influyen en el consumo de combustible de un vehículo ............................ 13 1.2.1 Factores endógenos ........................................................................................................................ 13 1.2.2 Factores exógenos ........................................................................................................................... 16

1.3 Emisiones contaminantes en vehículos con MCIA ......................................................... 17 1.3.1 Tipos de productos contaminantes y sistemas de contaminación ................................................. 17 1.3.2 Parámetros para caracterizar emisiones ......................................................................................... 17 1.3.3 Gases de escape .............................................................................................................................. 19 1.3.4 Monóxido y dióxido de carbono: formación y efectos .................................................................... 19

2 ESTADO DEL ARTE .................................................................................................... 23

2.1 Relación entre el estilo de conducción y el consumo ..................................................... 23 2.1.1 Claves de una conducción eficiente ................................................................................................ 23 2.1.2 Elección de un vehículo con criterios de eficiencia ......................................................................... 24

2.2 Análisis de emisiones contaminantes. Normativas Euro y limitación de CO2 .................. 25

2.3 Sistemas de medidas de emisiones portátiles (PEMS) ................................................... 27

3 EQUIPO MIVECO 2.0 ................................................................................................. 29

3.1 Introducción ................................................................................................................ 29

3.2 Partes del equipo Miveco............................................................................................. 30 3.2.1 Tubo de muestreo ........................................................................................................................... 30 3.2.2 Equipos de medida .......................................................................................................................... 30 3.2.3 Otros equipos y accesorios ............................................................................................................. 35 3.2.4 Adquisición de datos ....................................................................................................................... 36 3.2.5 Conexión eléctrica ........................................................................................................................... 37

3.3 Conexiones neumáticas ............................................................................................... 38

3.4 Entorno Labview .......................................................................................................... 39 3.4.1 Introducción de información ........................................................................................................... 40 3.4.2 Visualización de información .......................................................................................................... 41

3.5 Montaje de los equipos ............................................................................................... 42 3.5.1 Montaje en laboratorio ................................................................................................................... 42 3.5.2 Montaje en el vehículo .................................................................................................................... 42

4 PRUEBAS REALIZADAS PARA PUESTA A PUNTO ........................................................ 44

4.1 Pruebas con el vehículo parado .................................................................................... 44 4.1.1 Primera prueba con el vehículo parado (P1P) ................................................................................. 44 4.1.2 Segunda prueba con el vehículo parado (P2P) ................................................................................ 45

4.2 Pruebas con el vehículo en movimiento ....................................................................... 48 4.2.1 Primera prueba con el vehículo en movimiento (P1M) .................................................................. 49 4.2.2 Segunda prueba con el vehículo en movimiento (P2M) ................................................................. 49 4.2.3 Tercera prueba con el vehículo en movimiento (P3M) ................................................................... 50

5 ESTUDIO EN VEHÍCULOS EN TRÁFICO REAL ............................................................... 52

5.1 Descripción del vehículo de ensayo .............................................................................. 52

5.2 Circuito de ensayo ....................................................................................................... 53

5.3 Planificación del ensayo ............................................................................................... 56

5.4 Tratamiento de los datos obtenidos ............................................................................. 57 5.4.1 Obtención de la presión diferencial instantánea ............................................................................ 57 5.4.2 Densidad instantánea de los gases de escape ................................................................................ 58 5.4.3 Caudal de los gases de escape instantáneo .................................................................................... 58 5.4.4 Consumo de combustible y emisiones instantáneas ...................................................................... 60 5.4.5 Factor de consumo y factor de emisión .......................................................................................... 61

5.5 Resultado de los ensayos ............................................................................................. 62 5.5.1 Comprobación de la correcta medida de los equipos ..................................................................... 62 5.5.2 Emisiones de CO2 ............................................................................................................................ 63 5.5.3 Emisiones de CO .............................................................................................................................. 64 5.5.4 Consumo de combustible ................................................................................................................ 66

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................................................ 68

6.1 Comparación de consumo y emisiones según el estilo de conducción ............................ 68 6.1.1 Consumo acumulado y factor de consumo ..................................................................................... 68 6.1.2 Emisiones acumuladas y factor de emisión .................................................................................... 69

6.2 Comparación de consumo y emisiones según la temperatura al arranque ..................... 72 6.2.1 Consumo acumulado y factor de consumo ..................................................................................... 72 6.2.2 Emisiones acumuladas y factor de emisión .................................................................................... 73

6.3 Estudio de la influencia de la pendiente en el consumo y las emisiones de CO2 y CO ...... 76

7 VALORACIONES Y CONCLUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ................... 80

8 LÍNEAS FUTURAS Y CONCLUSIONES SOBRE LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO ................ 83

8.1 Líneas futuras .............................................................................................................. 83

8.2 Conclusiones personales sobre la realización del trabajo .............................................. 83

9 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 84

10 ANEXOS ................................................................................................................... 85

ANEXO I: PRESUPUESTO .................................................................................................. 85

ANEXO II: PROBLEMAS ENCONTRADOS EN LOS EQUIPOS Y SOLUCIONES ............................ 87

ÍNDICE DE FIGURAS

ÍNDICE DE TABLAS

Optimización del sistema de medida de emisiones Miveco y estudio del consumo en tráfico real

Fernando Paunero Ruiz-Dana 9

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Objetivos y fases del proyecto 1.1.1 Objetivos El objetivo principal de este proyecto es la realización de un análisis del consumo de un vehículo así como los gases contaminantes que emite, teniendo en cuenta diversos factores que pueden alterar los resultados obtenidos. Los factores que se van a tener en cuenta a la hora de cuantificar y valorar el consumo de combustible y las emisiones contaminantes son el estilo de conducción, las características de la vía y el estado del tráfico, entre otros.

Para la realización de estos estudios, se cuenta con un equipo de medida de emisiones y actividad del vehículo llamado Miveco-PEMS3 en donde se mide y se registra en tiempo real, además de la concentración de los diferentes gases y del caudal de gases de escape, parámetros de funcionamiento del vehículo tales como velocidad, posición, temperaturas, régimen de giro del motor, y condiciones atmosféricas. Mediante el tratamiento de los datos obtenidos y su correcta interpretación, es posible obtener conclusiones sobre el grado de influencia que tienen los factores anteriormente mencionados tanto en el consumo como en las emisiones.

Este proyecto pretende, por tanto, estudiar la variación de dichos parámetros en función de los comportamientos del conductor del vehículo y establecer los modos de conducción que los minimicen. Para completar de manera satisfactoria el objetivo principal se establecen también una serie de objetivos secundarios:

La inmersión del alumno en un ambiente de trabajo como el Laboratorio de Motores Térmicos.

La utilización por parte del alumno de los conocimientos desarrollados durante el Grado para la resolución de un Trabajo de actualidad y en condiciones reales.

La realización de trabajos propios del mundo de la ingeniería, aprendiendo a procesar e interpretar datos y a solucionar errores y problemas encontrados.

La obtención de resultados fácilmente interpretables y comparables entre sí a partir de los datos obtenidos de los equipos de medida utilizados.

El establecimiento de unas conclusiones e interpretaciones técnicas de los resultados.

1.1.2 Fases del proyecto Con el fin de llevar a cabo los objetivos planteados en el trabajo en el tiempo estipulado, ha sido necesario diseñar una serie de acciones para la consecución de los mismos. La estrategia elegida consta de varias fases.

1. Conocer los equipos.

Conocer el entorno del equipo de medida utilizado. Es importante saber la función de cada equipo y como están conectados entre ellos. Para ello es necesario leer el Manual del equipo Miveco.

2. Realizar e implantar mejoras en el equipo Miveco 2.0.

Analizar en profundidad aspectos como la colocación de los equipos o la forma de medición, para ser crítico con su funcionamiento, realizar mejoras y optimizar así el funcionamiento del equipo.

3. Puesta en marcha de las mejoras necesarias del equipo Miveco.

3 El equipo Miveco 2.0 PEMS se tratará de aquí en adelante como Miveco

1. INTRODUCCIÓN

10 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)

Llevar a cabo las mejoras presentadas en la etapa anterior. Cambiar las partes de los equipos que generaban problemas en la medición, además de recolocar los equipos y comprobar su correcto funcionamiento.

4. Calibración y ensayo en laboratorio en vehículo Peugeot 406.

Calibrar los equipos, comprobar que los datos recopilados por los dispositivos que conforman el equipo Miveco son coherentes y supervisar si existe algún fallo no detectado en las fases anteriores.

5. Aprendizaje de la herramienta Labview destinada a la adquisición de datos.

Familiarizarse con la herramienta LabView, de modo que se sepa utilizar perfectamente la interfaz a la hora de realizar los ensayos, así como conocer la manera de extraer los datos obtenidos en ellos e intentar sacar el máximo partido de estos.

6. Segunda puesta en marcha de las mejoras necesarias del equipo Miveco.

Cambiar y subsanar las partes de los equipos que han fallado en el ensayo, tanto cableado eléctrico como sensores. En esta fase ha sido necesario reemplazar algunos componentes, y ha supuesto sin duda una inversión de tiempo importante ya que muchas de las reparaciones fueron costosas. Dichas reparaciones se exponen más adelante con detalle.

7. Montaje del equipo Miveco. en el vehículo Peugeot 406.

Montaje e instalación del equipo en el vehículo, de modo que esté listo para realizar los

ensayos en carretera.

8. Realización de ensayos en laboratorio en el vehículo.

Realización de ensayos con el vehículo parado para conocer en profundidad el funcionamiento de los equipos, su puesta en marcha y el postratamiento de los datos.

9. Reparación de componentes de los equipos.

Saneamiento de ciertas partes del equipo para mejorar el funcionamiento del Miveco. En esta fase se realizaron tareas de reparación similares a las expuestas en la sexta fase.

10. Ensayos con el vehículo en movimiento.

Realización de ensayos con el vehículo en movimiento para conocer bien la puesta en marcha de los equipos y los componentes auxiliares antes de realizar ensayos.

11. Medida de emisiones en carretera en vehículo con tráfico real.

Realización de los ensayos finales con cuyos datos se realizará el posterior estudio de

consumo y emisiones. Esta es la parte central del Trabajo.

12. Análisis de los datos recopilados.

Obtención de los datos registrados durante el ensayo, y realización del tratamiento y representación gráfica adecuados para mostrar correctamente los resultados del ensayo y establecer conclusiones.

13. Redacción de la memoria.

Reflejar en un soporte físico la actividad del trabajo llevada a cabo y las conclusiones

obtenidas a través de la realización de éste



14. Entrega del proyecto

1.1.3 Planificación temporal Las tareas en las que se divide el Trabajo se han detallado y explicado en el punto anterior. Gracias a la realización del diagrama de Gantt, se puede observar de manera clara la distribución temporal de las tareas realizadas y su duración en el tiempo, además de las relaciones existentes entre ellas.

El presente Trabajo Fin de Grado comenzó a realizarse en septiembre de 2015, y se ha extendido hasta julio de 2016. Evidentemente, durante este periodo de tiempo la distribución del trabajo no ha sido homogénea, y se ha visto afectada tanto por periodos de vacaciones como por periodos de exámenes correspondientes al Grado. Con todo ello, el resultado se muestra en el diagrama de Gantt que se puede ver a continuación.

Tabla 1. Tareas realizadas

Figura 1.1 Diagrama de Gantt

1. INTRODUCCIÓN


La dedicación ha sido aproximadamente de 320 horas que se han distribuido de la siguiente manera:

Tarea 1: 15 horas

Tarea 2: 12 horas

Tarea 3: 58 horas

Tarea 4: 10 horas

Tarea 5: 30 horas

Tarea 6: 20 horas

Tarea 7: 4 horas

Tarea 8: 17 horas

Tarea 9: 12 horas

Tarea 10: 30 horas

Tarea 11: 6 horas

Tarea 12: 33 horas

Tarea 13: 73 horas

Lo que hace un total de 320 horas dedicadas a la realización de este Trabajo Fin de Grado. Es importante destacar que la redacción de la memoria ha supuesto la mayor dedicación en cuanto a tiempo con 73 horas estimadas, y que la tarea 3, puesta en marcha de las mejoras ha tenido un tiempo de dedicación estimado de 58 horas.



1.2 Factores que influyen en el consumo de combustible de un vehículo

1.2.1 Factores endógenos Los factores endógenos son, entre otros, el tipo y características técnicas del motor, el peso y la forma del vehículo, las características técnicas del sistema de transmisión y el sistema de rodadura. Por ejemplo, la relación entre la potencia del motor y el peso del vehículo impone un límite de aceleración. La interacción de todos estos factores da lugar a un patrón de conducción o curva de velocidad que, dependiendo de la marcha en la que el conductor conduzca, determina en cada instante la condición de operación del motor, y por tanto el consumo y las emisiones.

1. Motores de encendido por compresión Un motor de encendido por compresión es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, debido a la compresión de los gases contenidos en esta. También existen motores de combustión interna rotativos, a cuyo grupo pertenecen las turbinas de gas, pero este trabajo se centrará exclusivamente en los motores de combustión interna alternativos, en los cuales la transformación de energía térmica en mecánica se debe al movimiento de uno o varios pistones que se deslizan en sus cilindros con movimiento lineal alternativo de entrada y salida.

Para el correcto funcionamiento cíclico de los MCIA4 resulta necesario sustituir los gases producto de la combustión por una nueva mezcla de aire y combustible en el interior del cilindro. Esto se conoce como renovación de la carga, proceso al cual se deben las diferencias entre motores de dos y de cuatro tiempos.

En los motores de cuatro tiempos el ciclo de trabajo se lleva a cabo en dos vueltas de cigüeñal. Por cada vuelta del cigüeñal el émbolo completa dos carreras. De ahí proviene la denominación de motores de cuatro tiempos. En la siguiente imagen se muestran las fases de un motor de este tipo:

Figura 1.2 Fases de un motor de cuatro tiempos

4 Motores de combustión interna alternativos

1. INTRODUCCIÓN


Los procesos que ocurren, salvo modificaciones detalladas posteriormente, son:

Fase de admisión: Se abren las válvulas de admisión y el émbolo se mueve desde el punto muerto superior hacia el punto muerto inferior, lo que genera en el interior del cilindro una cierta depresión, la cual facilita la entrada de los gases mediante el conducto de admisión. Los gases será una mezcla de aire y combustible.

Fase de compresión: Con todas las válvulas cerradas, el émbolo va desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior realizando una compresión del fluido contenido en el cilindro. Cerca del punto muerto superior se produce la inyección de combustible, en el caso de un motor de encendido por compresión, produciéndose la combustión.

Fase de expansión: Debido a la combustión, se produce un aumento de la presión de los gases contenidos en el cilindro, cuyo efecto es el de empujar al émbolo, el cual se desplaza desde el punto muerto superior al punto muerto inferior.

Fase de escape: Cuando el émbolo llega al punto muerto inferior se abre la válvula de escape y éste comienza a desplazarse hacia el punto muerto superior, expulsando hacia el exterior los gases quemados. La válvula de escape se cierra cuando el émbolo se encuentra en el punto muerto superior y comienza un nuevo ciclo.

La siguiente figura muestra el diagrama presión-volumen de un motor de cuatro tiempos.

Figura 1.3 Diagrama P-V de un motor de cuatro tiempos

Como es sabido, dentro de los motores de combustión interna alternativos existen dos tipos muy diferenciados: el motor de encendido provocado y el motor de encendido por compresión. En el caso de este trabajo el vehículo utilizado tiene motor diésel por lo que la explicación se va a centrar en este tipo de MCIA.



2. Combustión en motores diésel En este tipo de motores la combustión comienza gracias a la compresión, que eleva la temperatura de la cámara de combustión provocando el autoencendido de la mezcla de combustible. Para conseguir controlar de manera aproximada el momento de encendido, se introduce únicamente aire en el proceso de admisión y el combustible se inyecta hacia el final de la carrera de compresión, instante en el cual el aire alcanza los elevados niveles de temperatura necesarios provocar el autoencendido.

A diferencia de los MEP5, en este tipo de motores la mezcla aire-combustible es especialmente heterogénea. La combustión se produce en aquellas zonas en las que las condiciones de la mezcla aire-combustible son las apropiadas, con preferencia en las zonas donde el dosado local es cercano al estequiométrico. Es por ello que no existe una zona claramente diferenciada donde se produce la combustión, sino que se originan muchos frentes de llama cuya evolución está ligada al chorro de combustible inyectado y al movimiento del aire en la cámara.

Por lo tanto, el proceso de combustión depende tanto espacial como temporalmente del proceso de inyección, y está controlado por el desarrollo de ciertos procesos físicos que ocurren en el seno del chorro del combustible, como la atomización, la evaporación, la penetración y la mezcla con el aire. Este motor se llama habitualmente motor diésel.

Según se trate de un MEC6 o un MEP, el combustible empleado para llevar a cabo la combustión es distinto. En el caso del vehículo utilizado, se utiliza combustible diésel.

El gasoil o diésel es un hidrocarburo líquido de densidad 832 kg/m³ y poder calorífico inferior de 43,1 MJ/kg. El gasóleo derivado del petróleo está compuesto aproximadamente de un 75% de hidrocarburos saturados (principalmente parafinas) y un 25% de hidrocarburos aromáticos, incluyendo naftalenos y alcalobencenos. La fórmula química general del gasóleo común es C12H26, incluyendo cantidades pequeñas de otros hidrocarburos cuyas fórmulas van desde C10H22 a C15H32.

3. Influencia en el consumo La diferenciación entre los motores de gasolina y los diésel se hace notable en el consumo. Actualmente las diferencias se han acortado, pero es el motor diésel el que menos consume. La justificación de este inferior consumo es que el ciclo termodinámico que emplea es de mayor rendimiento (ciclo Diésel) frente al de motores de gasolina (ciclo Otto). Además la válvula de mariposa de los motores de gasolina introduce pérdidas en la admisión, sobre todo a carga parcial. Otro motivo es que el combustible diésel tiene una mayor densidad energética, es decir, más energía por litro de combustible, lo que implica un menor consumo.

Los últimos avances en los motores de gasolina, como reducir cilindrada y sobrealimentar o el empleo de carga estratificada, entre otros, han reducido de forma notable el consumo en los mismos. Además, la introducción en los motores diésel de la válvula EGR7, que recircula gases quemados del escape a la admisión, así como otros sistemas de postratamiento de gases para conseguir cumplir la normativa de emisiones, reducen el rendimiento y aumentan el consumo. Por tanto, pese a que el motor diésel consume menos que el motor de gasolina, las diferencias no son tan acusadas.

5 Motor de encendido provocado 6 Motor de encendido por compresión 7 Exhaust Gas Recirculation

https://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburo_arom%C3%A1tico

https://es.wikipedia.org/wiki/Naftaleno

https://es.wikipedia.org/wiki/Benceno

1. INTRODUCCIÓN


1.2.2 Factores exógenos

Estilo de conducción

El estilo de conducción se refiere a los aspectos de la acción propia de conducir que el conductor puede elegir libremente a pesar de estar condicionado por otros factores externos como la pendiente de la vía, los cruces, la congestión del tráfico y las condiciones climáticas y visuales. El estilo de conducción viene dado por la manera en que el usuario actúa sobre los controles del vehículo: volante, acelerador, freno, embrague y palanca de cambios. Se suelen diferenciar tres estilos de conducción: suave, normal y agresivo.

La conducción suave en vehículos diésel se caracteriza por esperar unos segundos antes de empezar la marcha, cambiar de marcha entre 1300 y 2000 r/min y utilizar sobre todo marchas largas (5ª y 6ª).

Por otro lado, la conducción agresiva se caracteriza por los acelerones fuertes, uso prolongado de la primera y segunda marcha y conducción a más de 2000 r/min.

Características de la vía

Se define empíricamente un factor denominado Importancia de la Calle (impC) que permite determinar el tipo de vía urbana según la Ocupación media diaria (OMD) y el número de carriles por vía. La ecuación utilizada para calcular la impC es la siguiente:

impC = OMD √𝑛º 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑙𝑒𝑠 (Ecuación 1)

De esta forma, se distinguen los siguientes tipos de calles:

- Calles locales: impC < 2000 - Calles secundarias: 2000 < impC < 30000 - Calles principales: 30000 < impC < 65000 - Calles arteriales: impC > 65000

En el circuito realizado para los ensayos que se describe más adelante, existen calles de los cuatro tipos.

Nivel de tráfico

Para cuantificar el nivel de tráfico se define el Indice de Tráfico (IT) como la variable entre 0 y 1 que cuantifica el grado de restricción que el nivel de tráfico impone en el conductor. Para determinar esta variable se estudió la relación que existe entre otras dos variables que están estrechamente relacionadas con la congestión vial y que son el tiempo medio que el vehículo está parado por cruce o intersección y la relación entre la velocidad media y la velocidad media sin tráfico. En el caso del presente Trabajo, esta es una variable que no se tendrá en cuenta.



1.3 Emisiones contaminantes en vehículos con MCIA Las emisiones contaminantes tienen gran relevancia en los motores de combustión interna alternativos, ya que el sector del transporte es uno de los principales emisores de sustancias contaminantes a la atmósfera. Pese a los múltiples beneficios que se obtienen gracias al transporte, esta actividad siempre lleva asociada la emisión de sustancias contaminantes o muy contaminantes.

1.3.1 Tipos de productos contaminantes y sistemas de contaminación Los productos contaminantes son aquellos que son emitidos a la atmósfera en suficiente concentración para tener un efecto medible en los seres vivos o en los objetos materiales, pudiendo ser gases, partículas sólidas, líquidos o mezclas. Existen dos tipos de productos contaminantes, los contaminantes primarios y los contaminantes secundarios:

Contaminantes primarios: son emitidos directamente por fuentes identificables.

Contaminantes secundarios: son producidos en la atmósfera mediante la interacción de varios contaminantes primarios.

Ambos tipos de contaminantes están presentes en todo sistema de contaminación. Los sistemas de contaminación los forman el conjunto de emisores, receptores y el entorno, y existen dentro de ellos varios niveles:

Nivel local: conlleva una toxicidad directa, si bien su repercusión se reduce a una pequeña área, como por ejemplo en garajes y túneles. El producto contaminante más importante a este nivel es el CO.

Nivel zonal: su área de influencia es mayor, y afecta a zonas industriales como centrales térmicas o redes de carreteras. Productos contaminantes como el CO, HC, o el SO2 tienen influencia en este nivel.

Nivel regional: se produce en ciudades pobladas, donde existe una interacción entre los contaminantes con activación fotoquímica. El NOx, el SO2, o el O3 destacan en este nivel.

Nivel transfronterizo: cuando existe lluvia ácida y partículas finas. Cobran importancia aquí en SO2 y el NO2.

Nivel planetario: a este nivel se produce el denominado efecto invernadero, provocado por el CO2.

De todas las emisiones mencionadas anteriormente, en este trabajo se van a tratar sólo algunas de ellas. Van a ser estudiadas las emisiones de NOx, de partículas, de CO y CO2. Especial atención merece el estudio de estas últimas (CO y CO2) dada su estrecha relación con el consumo de combustible, por lo que se va a explicar detalladamente la formación de este tipo de emisiones.

1.3.2 Parámetros para caracterizar emisiones

1. Índices de emisión

El índice de emisión para la especie contaminante 𝑖 es la relación entre la masa de dicha especie y la masa de combustible quemado por el proceso de combustión.

𝐸𝐼𝑖 =𝑚𝑖

𝑚𝑓

(Ecuación 2)

Pese a ser adimensional, para valores realmente pequeños de éste, es común utilizar unidades como, por ejemplo, g/kg. Este índice refleja la cantidad de contaminante formado por masa de combustible consumido, sin importar la eficiencia de la combustión o el grado de dilución de los productos.

1. INTRODUCCIÓN


En la combustión de un hidrocarburo con aire, este parámetro puede ser calculado a partir de otra fórmula que usa las fracciones molares (𝑋), los pesos moleculares de la especie 𝑖 y del

combustible y el número de átomos de carbono en un mol de combustible CnHm (𝑛).

2. Unidades de medida de la contaminación

La cantidad de contaminante emitido se puede medir de varias maneras. Principalmente existen dos formas, la primera haciendo referencia a la concentración del contaminante en el gas de escape dentro de la cual se puede expresar la concentración como:

Fracción molar: se mide como la cantidad de moles de contaminante entre la cantidad de moles totales emitidos.

𝑥𝑖 =𝑛𝑐

𝑛𝑡=

𝑉𝑐

𝑉𝑡

(Ecuación 3)

Porcentaje en volumen.

Partes por millón en volumen: ppm v.

Miligramos o microgramos por metro cúbico normal (a 760 mmHg y 0ºC): mg/Nm3 o μg/Nm3.

Del mismo modo, también puede expresarse en cantidad emitida en términos másicos:

Gramos emitidos por kilogramo de combustible consumido: g/kgcomb.

Gramos por kilovatio de potencia y hora de funcionamiento: g/kWh.

Gramos emitidos por segundo: g/s.

Toneladas por año: Tm/año.

En el caso del presente trabajo, el equipo de medida de emisiones y consumo obtiene las medidas en ppm en volumen (como el CO) y también en % en volumen (como el CO2). Pero las unidades que interesa obtener realmente son g/s, y ese proceso de obtención de estas unidades a partir de ppm y % en volumen se explica más adelante.



1.3.3 Gases de escape

Como ya es sabido, el aire se compone principalmente por dos gases: nitrógeno (N2) y oxígeno (O2). Su proporción volumétrica es de un 79% nitrógeno y 21% oxígeno. Mientras que el oxígeno es indispensable para la combustión, el nitrógeno no se combina con nada durante ésta y es expulsado al exterior del cilindro de la misma manera que ha entrado.

En la figura siguiente se tiene un ejemplo típico de la composición de los gases de escape en función del motor usado por el vehículo (Otto o Diesel):

Figura 1.4 Ejemplo de composición de los gases de escape en motores Otto y Diésel

1.3.4 Monóxido y dióxido de carbono: formación y efectos

Monóxido de Carbono (CO)

El monóxido de carbono, también denominado óxido de carbono (II), gas carbonoso y anhídrido carbonoso (los dos últimos cada vez más en desuso), cuya fórmula química es CO, es un gas inodoro, incoloro y altamente tóxico, pudiendo causar la muerte cuando se respira en niveles elevados. Se produce por la combustión deficiente de sustancias como gas, gasolina, keroseno, carbón, petróleo, tabaco o madera. Los vehículos con el motor encendido también lo despiden. En este caso nos centraremos en la formación de CO en vehículos.

El CO es un producto intermedio en la oxidación de un hidrocarburo y es una de las especies contaminantes más importantes producidas en las reacciones de combustión. Tiene una relación muy estrecha con el dosado, ya que se forma en aquellos procesos de combustión en los que localmente puedan darse condiciones de mezcla rica. Esto puede ocurrir en sistemas de combustión que trabajen con mezclas estequiométricas o ricas, como motores de gasolina, o bien en sistemas que utilicen mezclas pobres pero las condiciones de mezcla sean bastante heterogéneas, como los motores Diésel.

En los motores de gasolina, la formación de CO se debe básicamente a la disociación de las moléculas de CO2 a temperaturas elevadas. La cantidad de CO generada en la combustión depende del balance entre los procesos de formación y oxidación del mismo, siendo ambos muy activos a altas temperaturas. Por esta razón, si las reacciones tuvieran una duración del orden de segundos, las reacciones de oxidación del CO alcanzarían el equilibrio y prácticamente no habría CO en los gases de escape. Sin embargo en sistemas como los motores de gasolina, con tiempos de residencia cortos, las temperaturas bajan muy rápidamente provocando la congelación de la reacción y emitiendo una cantidad de CO.

https://es.wikipedia.org/wiki/Carbono


https://es.wikipedia.org/wiki/Gas

https://es.wikipedia.org/wiki/T%C3%B3xico

https://es.wikipedia.org/wiki/Muerte

https://es.wikipedia.org/wiki/Gasolina

https://es.wikipedia.org/wiki/Keroseno

https://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo

https://es.wikipedia.org/wiki/Tabaco

https://es.wikipedia.org/wiki/Madera

1. INTRODUCCIÓN


La combustión de un hidrocarburo se puede descomponer en dos etapas: la primera supone la ruptura de las moléculas de combustible para formar CO, mientras que la segunda supone la oxidación de CO a CO2:

RH R* RO2 RCHO RCO R* + CO

La reacción del radical RCO para producir CO suele ocurrir por descomposición térmica, tal y como él mismo aparece en la reacción anterior, ya que a las temperaturas que se alcanzan en procesos de combustión, la descomposición térmica es muy probable.

Las emisiones de CO provocadas por los motores de combustión interna alternativos están controladas principalmente por el dosado, siendo estas emisiones más importantes en los motores de gasolina que en los diésel, ya que los primeros trabajan con mayores dosados relativos, cercanos al estequiométrico a bajas cargas y ricos a plena carga. En motores de gasolina, trabajando en un rango de mezclas ricas, las concentraciones de CO en el escape aumentan con el dosado, mientras que para mezclas pobres estas concentraciones son mucho menores y no se ven afectadas prácticamente por este parámetro. En este tipo de motor la principal causa de formación de CO es la disociación de las moléculas de CO2, teniendo menos importancia otros procesos como el enfriamiento provocado por superficies frías y la oxidación parcial de parte del combustible.

Figura 1.5 Formación de CO según el dosado

En motores donde la combustión por difusión sea mayoritaria hay dos fuentes principales de formación de CO. La primera de ellas se da en regiones excesivamente pobres, incapaces de soportar una rápida combustión. La llama no se puede propagar en estas zonas y por ello el carbono del combustible se oxida parcialmente. Este proceso suele darse a bajas cargas y con gran exceso de aire. La segunda fuente de formación de CO se corresponde con el proceso contrario, ya que se da cuando existen zonas excesivamente ricas, incapaces de mezclarse con la suficiente cantidad de aire para oxidar completamente el combustible. Este proceso suele darse a altas cargas con bajo nivel de exceso de aire.



El cálculo de emisiones de CO asumiendo equilibrio químico conduce a errores importantes, ya que se ha comprobado que los valores obtenidos teóricamente distan mucho de los medidos en la realidad. Esto se debe a la lentitud con la que ocurren las reacciones de recombinación de radicales OH y O a medida que disminuye la temperatura durante la expansión y el escape. Esto provoca que no se alcancen las cantidades de equilibrio de estos radicales, produciéndose las reacciones de destrucción del CO. El CO emitido es incoloro e inodoro, letal incluso en bajas dosis debido a su mayor facilidad frente al oxígeno para combinarse con la hemoglobina de la sangre, reduciendo la capacidad de la sangre para transportar este.

Dióxido de Carbono (CO2)

El dióxido de carbono, también denominado óxido de carbono (IV), cuya fórmula química es CO2, es uno de los principales gases involucrados en el efecto invernadero. De los gases reconocidos como contribuyentes al dicho efecto, solo las emisiones de CO2 causadas por los motores son significativas como emisiones directas de éstos, a pesar de que el potencial molecular de calentamiento global de otros gases como el metano o el óxido nitroso sea entre 23 y 296 veces mayor que el del CO2, respectivamente. Esto se debe a que las cantidades emitidas de estos gases son muy inferiores a las de CO2. Sin embargo, las emisiones de estos gases durante el ciclo de vida de algunos biocarburantes sí que pueden ser apreciables, y por eso se denominan emisiones de CO2 equivalente, en la que se suma ponderadamente la cantidad de dióxido de carbono emitido a la de otros contaminantes. Se estima que el transporte es el causante del 48% de las emisiones de CO2.

Si el tipo de combustible consumido por un vehículo no se modifica, las emisiones de CO2 son directamente proporcionales al consumo de combustible. El único factor que puede afectar a las emisiones de CO2 de un vehículo, además de sus condiciones operativas, es el comburente. La dependencia de las emisiones de CO2 con el combustible se manifiesta a través de dos parámetros que describen su composición: la proporción hidrógeno/carbono y la proporción oxígeno/carbono, esta última especialmente significativa en el caso de los biocarburantes. Los combustibles con baja o nula concentración de carbono, y por tanto menor potencial de formación de CO2, como el metanol, el monóxido de carbono, el gas natural y el hidrógeno, son poco habituales en automoción.

Figura 1.6 Efecto de la formulación del combustible en las emisiones de CO2



1. INTRODUCCIÓN


Puede verse que las emisiones de CO2 por unidad de masa de combustible consumido son algo inferiores en biodiesel que con gasóleo. Sin embargo, este análisis es incompleto, ya que el biodiesel tiene menor poder calorífico que el gasóleo, y por tanto el consumo másico de los biocarburantes debe ser proporcionalmente superior si se pretenden lograr las mismas prestaciones. Dado que los rendimientos del motor con gasóleo y con biodiésel son prácticamente idénticos, lo mismo ocurre con la gasolina y sus sustitutos, es más adecuado realizar la comparación en términos de índices energéticos. Bajo esta óptica puede verse el escaso efecto del combustible sobre las emisiones directas en g CO2/MJ.

Un análisis más realista de su influencia sobre el efecto invernadero requiere un análisis del ciclo de vida del CO2 utilizando diversos combustibles. Sin embargo, éste es muy difícil de llevar a cabo, pues está sujeto a una serie de hipótesis sobre los consumos, y por tanto emisiones, durante todo el ciclo formado por el cultivo, recogida, transporte, pretratamientos, prensado, postratamientos, distribución, repostaje, consumo, y rendimiento hasta la rueda del vehículo.



2 ESTADO DEL ARTE

2.1 Relación entre el estilo de conducción y el consumo

El estudio de la relación entre el estilo de conducción y el consumo de combustible ha ido adquiriendo mayor importancia con el paso de los años. Es una cuestión que normalmente interesa más a los posibles compradores que el problema de las emisiones contaminantes de sus vehículos, debido a que en esta última cuestión, las consecuencias no repercuten directamente en sus gastos. Esta es la razón por la que en los últimos años se han ido estableciendo unos patrones a seguir para el ahorro de combustible mediante un modo de conducción eficiente, que habitualmente ha contado con un importante seguimiento debido, principalmente, a las razones expuestas anteriormente.

Al contrario de lo que ocurre con las emisiones contaminantes, en las que sobrepasar ciertos límites supone el incumplimiento de la ley, una conducción no conservadora en cuanto al consumo, como bien es sabido, no conlleva dicho incumplimiento. Por esta razón, lo que se dispone actualmente acerca del estilo de conducción en relación con el consumo de combustible es meramente informativo, y simplemente se presenta como consejo para el beneficio propio del usuario aunque evidentemente, y por extensión, también supone un beneficio para el medio ambiente.

La conducción eficiente ha adquirido tal dimensión en el nuevo siglo que el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, conocido como IDAE, perteneciente al Ministerio de Industria, Energía y Turismo, cuenta con una base de datos mediante la cual el usuario puede disponer de información sobre el consumo y emisiones de CO2 de los turismos nuevos para poder considerar la eficiencia energética como un importante factor de decisión en la compra del vehículo.

De la misma forma, el Gobierno de España expone en su página web oficial un documento en el que se informa sobre cómo llevar a cabo una conducción más eficiente:

2.1.1 Claves de una conducción eficiente

Arranque y puesta en marcha Arrancar el motor sin pisar el acelerador. Iniciar la marcha inmediatamente después del

arranque. En los motores turboalimentados, esperar unos segundos antes de comenzar la marcha. Primera marcha: usarla sólo para el inicio de la marcha, y cambiar a segunda a los dos

segundos o seis metros aproximadamente. Aceleración y cambios de marchas Según las revoluciones:

En los motores de gasolina: en torno a las 2.000 rpm. En los motores diésel: en torno a las 1.500 rpm. Según la velocidad:

tercera marcha: a partir de unos 30 km/h cuarta marcha: a partir de unos 40 km/h quinta marcha: a partir de unos 50 km/h Después de cambiar, acelerar de forma ágil. Utilización de las marchas Circular lo más posible en las marchas más largas y a bajas revoluciones.

2. ESTADO DEL ARTE


En ciudad, siempre que sea posible, utilizar la 4ª y la 5ª marcha, respetando siempre los límites de velocidad. Es preferible circular en marchas largas con el acelerador pisado en mayor medida (entre el 50% y el 70% de su recorrido), que en marchas más cortas con el acelerador menos pisado.

2.1.2 Elección de un vehículo con criterios de eficiencia Un coche comprado con criterios de eficiencia puede ahorrar hasta un 50% de las emisiones de CO2 con respecto a un coche ineficiente e inapropiado; un vehículo medio a lo largo de su vida puede emitir a la atmósfera más de 30 toneladas de CO2. Además, se obtendrá un ahorro considerable en el gasto de combustible y una disminución de la cantidad de emisiones

contaminantes.

Actualmente las marcas de vehículos incorporan, junto al modelo escogido, un folleto comparativo con vehículos del mismo segmento o tamaño de manera que se pueda tener una idea general del nivel de consumo y emisiones de CO2 del vehículo en particular. Dicho folleto informativo cuenta en primer lugar con los datos del vehículo: marca, modelo, combustible, transmisión, consumo, emisiones, y posteriormente se añade una comparativa en forma de gráfico. En el caso que se tiene, el vehículo consume entre un 15% y un 25 % menos que la media de los vehículos de tamaño y características similares.

Figura 2.1 Ejemplo de ficha de eficiencia energética



2.2 Análisis de emisiones contaminantes. Normativas Euro y limitación de CO2

La legislación Euro se encargan de fijar los valores límite de las emisiones contaminantes de los vehículos nuevos a nivel europeo. Esta normativa diferencia entre vehículos con motor de gasolina y vehículos con motor diésel, habiendo evolucionado desde la norma Euro1 hasta la actual normativa Euro6. A medida que se ha ido implantando una normativa nueva, se ha buscado una mayor exigencia en cuanto a los niveles de partículas contaminantes emitidas por los vehículos con la reducción de los niveles de contaminación emitida por los turismos. En la tabla se muestran los valores máximos de contaminantes fijados por la Unión Europea a lo largo de estas más de tres décadas:

Tabla 1. Valores admisibles de las normas EURO en motor de gasolina

Válido desde

CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) HC + NOx (g/km) PM (g/km)

EURO1 Dic-92 2,72 - - 0,97 0,14

EURO2 Ene-97 2,2 - - 0,5 0,08

EURO3 Ene-00 2,3 0,2 0,15 - 0,05

EURO4 Ene-05 1 0,1 0,08 - -

EURO5 Sep-09 1 0,1 0,06 - 0,005

EURO6 Ago-14 1 0,1 0,06 - 0,005

Tabla 2. Valores admisibles de las normas EURO en motor diésel

Válido desde

CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) HC+ NOx (g/km) PM (g/km)

EURO1 Ene-92 3,16 - - 1,13 0,14

EURO2 Ene-96 1 0,15 0,55 0,7 0,08

EURO3 Ene-00 0,64 0,06 0,5 0,56 0,05

EURO4 Ene-05 0,5 0,05 0,25 0,3 -

EURO5 Sep-09 0,5 0,05 0,18 0,23 0,005

EURO6 Ago-14 0,5 0,09 0,08 0,17 0,005

La normativa vigente es la Euro6, la cual busca reducir las emisiones de NOx y PM (productos naturales de la combustión de hidrocarburos) emitidas por vehículos Diesel, aunque también pretende limitar la emisión de otros gases nocivos.

2. ESTADO DEL ARTE


Como puede apreciarse en la tabla, la Euro6 pretende una reducción del 55,6% de las emisiones de NOx en comparación con la especificada en la normativa anterior, siendo en motores diésel la reducción de óxidos de nitrógeno de 180 mg/km a 80 mg/km. En cuanto a las partículas en suspensión, su límite no se ve afectado con respecto a la norma Euro5. En motores gasolina no se ven afectados estos límites, puesto que la cantidad de partículas en suspensión que emiten es baja en comparación con las que emiten los vehículos diésel.

Ahora bien, las normas Euro no incluyen ninguna restricción en cuanto a las emisiones de CO2 de los fabricantes de vehículos. En este sentido, es necesario mencionar a la ACEA8, que desde mediados de la década de los 90 exige a los fabricantes unas emisiones medias máximas de CO2 en toda su gama de vehículos. Como es lógico, año a año el objetivo se ha ido haciendo más ambicioso, y si en el año 1998 el objetivo era tener unas emisiones medias máximas de 140 g/km, hoy en día las emisiones medias son un 35,7% menores en comparación con las de dos décadas atrás. En cuanto a los objetivos inmediatos, la ACEA prevé que en el año 2021 dichas emisiones habrán caído hasta los 95 g/km de media para cada fabricante, es decir un 26,9% en relación con los 130 g/km que en la actualidad marcan el límite. En la siguiente gráfica se puede observar la evolución de las emisiones límite, que han pasado en total a reducirse de 186 g/km a los 95 g/km previstos para 2021, lo que supondría una reducción del 50%.

Figura 2.2 Objetivos de la ACEA en cuanto a emisiones de CO2 (g/km)

8 Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles



2.3 Sistemas de medidas de emisiones portátiles (PEMS)

Los sistemas de medida de emisiones portátiles PEMS9 son sistemas embarcados de medida de emisiones en motores de combustión. Son ampliamente utilizados para llevar a cabo pruebas en vehículos, consiguiendo datos que permiten observar el comportamiento de estos en el mundo real. Esto es posible gracias a la capacidad de adquisición de datos en tiempo real y a la alta frecuencia de toma de datos que poseen dichos equipos.

Así, se puede comprobar el impacto sobre el medio ambiente de las emisiones de los motores de combustión de los millones de vehículos que circulan por las carreteras a diario. Los PEMS más novedosos del mercado integran avanzados analizadores de gases, medidores de flujo másico, estación meteorológica, GPS y conexión a la red del vehículo, permitiendo un control absoluto y preciso en tiempo real de las emisiones contaminantes. En este sentido, puede considerarse el sistema Miveco como un PEMS más rudimentario, como se muestra más adelante en el apartado de descripción de los equipos. Desde hace algunos años, las pruebas realizadas por estos equipos se han convertido en elementos indispensables para la legislación europea de emisiones, llegando a ser una de las soluciones previstas para controlar y limitar las emisiones de los vehículos en conducciones reales. Prueba de ello es que dichas pruebas llevadas a cabo con los PEMS están incluidas en el reglamento 715/2007 de la Euro6.

En la década de los noventa comenzó a surgir interés por la posibilidad de medir las emisiones contaminantes mediante equipos embarcados. La causa de este hecho fue la aprobación de la normativa americana 40 CFR 1065, que propuso medir emisiones en vehículos pesados en condiciones de conducción. Primero universidades y centros de investigación americanos y después europeos, junto con fabricantes de equipos de análisis de gases, comenzaron a desarrollar sistemas universales de medida de emisiones que se ajustasen a lo requerido por la normativa.

Desde que se desarrollaron los primeros prototipos a mediados del siglo XX de PEMS hasta la actualidad, su evolución ha ido en aumento de manera vertiginosa especialmente en los últimos años.

Debido al creciente interés mundial por realizar medidas oficiales de comprobación y certificación de emisiones de motores de combustión interna en condiciones reales de funcionamiento, se han llevado a cabo varios proyectos en Europa y en América para evaluar y validar las prestaciones de los PEMS disponibles con relación a los sistemas normalizados de medida de emisiones. Los proyectos PEMS más importantes son:

Proyecto Europeo sobre Sistemas Portátiles de Medición de Emisiones (Proyecto EU-PEMS). Lanzado en enero de 2004, era un programa de investigación para estudiar la factibilidad de usar PEMS en la inspección técnica de vehículos pesados en uso.

OSCAR (On-board emission measurements in Central London). Comenzó en el año 2002, y dentro de este macroproyecto uno de los objetivos fue encontrar un factor de emisión apropiado para las situaciones de circulación lenta y tráfico urbano congestionado. Esto se realizó basándose en las características de conducción de cuatro ciudades europeas y el uso de estas en el desarrollo de ciclos de conducción para el uso dentro de un programa de medida de emisiones en veinte vehículos ligeros.

9 Portable Emissions Measurement System

2. ESTADO DEL ARTE


Proyecto americano de Evaluación de PEMS para inventario de emisiones y ensayos de certificación NTE en motores diésel de servicio pesado. Este proyecto fue desarrollado en Estados Unidos por la Universidad de California entre el año 2003 y 2006, con el objetivo de medir las prestaciones de los métodos alternativos de medida de emisiones con respecto al método de referencia con banco de rodillos o en banco de motor establecido en la normativa americana.

Proyecto sobre determinación de errores de medida de factores de emisión usando PEMS para el programa de control de emisiones de motores pesados en su uso, denominado Heavy-Duty In-Use Testing (HDIUT). Este proyecto se culminó en el año 2008 y tenía el objetivo de determinar los errores incrementales que existen entre la medida de emisiones bajo condiciones controladas en un laboratorio con equipos normalizados y la medida realizada con equipos portátiles de medida de emisiones.

Desde entonces hasta la actualidad han sido numerosos los sistemas de medidas de emisiones portátiles desarrollados por diversas marcas. Algunos de ellos han implementado la tecnología de los equipos descritos y otros simplemente han buscado llevar a cabo modelos más prácticos en cuanto a comodidad, fabricación y tamaño se refiere.



3 EQUIPO MIVECO 2.0

3.1 Introducción

El equipo empleado en este proyecto es el Miveco PEMS 2.0. Este equipo es un sistema portable de medida de emisiones que se sitúa en el vehículo a ensayar, conectando su tubo de escape a una de las entradas de manera que se disponga del gas de salida y pueda ser analizado. El equipo consta de módulos de medida de concentración de gases, medidor de caudal de escape, estación meteorológica y GPS entre otros. Además del módulo principal, denominado Bloque Miveco, el equipo Miveco cuenta con una serie de equipos no integrados en el mismo bloque como son los enfriadores y las bombas, además del tubo de muestreo.

El Miveco facilita un seguimiento preciso y completo en tiempo real de la concentración de gases contaminantes emitidos por el motor.

La ventaja económica del equipo reside en la posibilidad de ser transportado fácilmente de un lugar a otro por una persona. Por ello se pueden realizar más ensayos en menos tiempo, involucrando a menor número de personas, aumentando notoriamente el número de ensayos realizados en un período de tiempo. Esto provoca la disminución de coste por ensayo y permite tener resultados de ensayos actualizados y en consonancia con el estado actual de la industria.

Por otro lado, el equipo Miveco cuenta con la desventaja de una menor precisión en comparación con un equipo de laboratorio. Un equipo PEMS habitualmente tiene limitación de tamaño, peso y consumo, por lo que es difícil que ofrezca la misma precisión que se exige a un equipo fijo. Pero, por otra parte, las emisiones de vehículos medidas con equipos fijos pueden ser muy imprecisas si los motores seleccionados y las condiciones ambientales y operativas no son las mismas que se tienen en condiciones de conducción en carretera o ciudad.

La seguridad asociada al uso del Miveco PEMS 2.0 es también un aspecto importante a tratar. Los peligros más comunes a los que está expuesto el usuario es la posible proyección de los distintos componentes del equipo si no están bien sujetos, además del hecho de que se están introduciendo los gases de escape dentro del vehículo, por lo que habría que poner especial atención en posibles fugas. La fuente de electricidad empleada son dos baterías que suministran la energía demandada para el ensayo por tiempo limitado, por lo que también deben ser controladas ya que, en caso contrario, pueden suponer un peligro para el usuario.

En cuanto a los resultados que se obtienen, no debe esperarse que éstos sean siempre constantes ya que es un ensayo sujeto a muchas variaciones, así como el consumo de los vehículos en condiciones normales, que nunca está sujeto a condiciones constantes, y a veces no son previsibles.

3. EQUIPO MIVECO 2.0


3.2 Partes del equipo Miveco

Como ya se ha mencionado anteriormente, el equipo Miveco se caracteriza por estar compuesto de varios subequipos al ser un sistema con múltiples funciones. En el presente Trabajo, centrado en el análisis del consumo y las emisiones de CO y CO2, no se ha hecho uso de algunos de los subequipos descritos en este apartado. No obstante se van a detallar sus características debido a que forman parte del equipo de medida utilizado, y de este modo se muestran las amplias posibilidades del mismo.

3.2.1 Tubo de muestreo

El tubo de muestreo es el elemento que proporciona la muestra de gases a todos los equipos del Miveco PEMS 2.0. La muestra se toma directamente del tubo de escape del vehículo, por lo que se denomina muestra directa.

Figura 3.1 Esquema del tubo de muestreo

3.2.2 Equipos de medida Como ya se ha mencionado anteriormente como se ha mencionado anteriormente, los equipos de medida de emisiones se encuentran integrados en un mismo módulo (Bloque Miveco), excepto el Analizador de Partículas que se encuentra separado del resto.

Figura 3.2 Partes del bloque principal Miveco



Analizador de CO y CO2

El analizador utilizado para medir el CO y el CO2 de los gases de escape se llama SIGNAL 9000 MGA. Este analizador también mide concentraciones de O2, pero no se emplea ya que al emplear métodos no admite las vibraciones del vehículo.

La técnica empleada para medir la concentración de CO y CO2 se denomina NDIR10, que en ingles son las siglas de absorción de infrarrojos no dispersivos. Los componentes principales de un sensor NDIR son una fuente o lámpara de infrarrojos, una cámara para la muestra o tubo de luz, un filtro de longitud de onda, y el detector de infrarrojos. El gas se bombea a la cámara de la muestra, y la concentración de gas se mide electroópticamente por la absorción de una determinada longitud de onda en el infrarrojo. La luz infrarroja se dirige cruzando la cámara de la muestra hacia el detector. El detector tiene un filtro óptico frente a él, que elimina toda la luz, salvo la longitud de onda que pueden absorben las moléculas del gas seleccionado. Lo ideal sería que las moléculas de otro tipo de gas no absorbieran la luz de esa longitud de onda, y no afectasen a la cantidad de luz que llega al detector.

Figura 3.3 Equipo Signal

La técnica NDIR puede plantear problemas de interferencia cuando hay dos especies en el gas de muestra que absorben energía infrarroja de la misma longitud de onda. En el caso de los gases de escape de un motor, el vapor de agua interfiere en la medida de CO. Por ello, antes de introducir los gases en el equipo de medida de CO y CO2 por NDIR, se les somete a un proceso de enfriamiento con el objeto de condensar el vapor de agua e impedir la interferencia. Este enfriamiento lo lleva a cabo el enfriador denominado Peltier, que se describirá más adelante.

Las características del equipo Signal son las que se muestran a continuación:

Tabla 3. Características del equipo Signal

Tecnología

Rango

Tiempo de respuesta

Peso

NDIR

0-10000 ppm (CO) 0-20% vol (CO2)

15 s

19 kg

10 Non-Dispersive Infrared Detector

https://es.wikipedia.org/wiki/Infrarrojo

https://es.wikipedia.org/wiki/Longitudes_de_onda



Sonda Lambda

Para medir la relación aire/combustible (lambda) se utiliza el equipo Etas GMBH, modelo LA4.

Figura 3.4 Equipo Etas

Utiliza un sensor de estado sólido de corriente marginal de banda ancha, debido a que los sistemas paramagnéticos de medida de oxígeno no son apropiados para sistemas a bordo, y que las características de los sensores de estado sólidos son muy superiores a las de las pilas electroquímicas. Las características del equipo Etas se resumen a continuación:

Tabla 5. Características del equipo Etas

Tecnología

Rango de medida

Tiempo de respuesta

Medidas

Peso

Sensor de corriente marginar de banda

ancha

0,7 – 32,767

2 ms

119 x 48 x 62 mm

0,23

Medida del caudal

La medida del caudal se realiza mediante dos caudalímetros que se encuentran en el tubo de muestreo. Se utiliza un tubo de Pitot, por lo que se hace necesario utilizar un sensor de presión diferencial, en este caso el BD Sensors que utiliza un sensor de presión inductivo.



Figura 3.5 Sensor de presión diferencial

Las características del equipo se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 6. Características del sensor de presión BD Sensors

Tecnología

Rango de medida

Tiempo de respuesta

Sensor de presión inductivo

0 – 50 mbar

0,02 s

Analizador de NOx

El analizador de NOx es el modelo MEXA 720 de la marca HORIBA. Se trata de un sensor de estado sólido de óxido de zirconio. Estos sensores cuentan con una larga tradición de fiabilidad y durabilidad y son los más adecuados para sistemas de medidas de emisiones a bordo del vehículo. Es una cerámica que conduce la electricidad a altas temperaturas mediante el movimiento de iones de oxígeno cargados y es esta característica la que permite medir el oxígeno presente en una mezcla gaseosa.

Figura 3.6 Equipo Horiba

Su respuesta es muy rápida, y es apropiado tanto para medir las concentraciones de NOx hasta 1000 ppm como para medir oxígeno. Las características del analizador Horiba son las siguientes:

Tabla 7. Características del equipo Horiba

Tecnología

Rango

Tensión de alimentación

Consumo de pot. eléctrica

Señal de salida

Tiempo de respuesta

Peso

Sensor Zirconio

0-3000

ppm

12-30 VCD

50W

VDC

0,7 s

1 kg



Analizador de NO y NO2 Para realizar la medida por separado de NO y NO2 se emplea el equipo AGM 400 de la marca Sensors. A continuación se muestra la tabla con las características más importantes del equipo:

Tabla 8. Características del equipo Sensors

Tecnología

Rango

Tensión de

alimentación

Consumo de pot. eléctrica

Tiempo de respuesta

Peso

NDUV

0-100 ppm 0-1000 ppm

10-30 VCD

5W

<1 s

3,7 kg

La tecnología empleada para la medida de NO y NO2 se denomina NDUV11, siglas que se refieren en castellano a radiación ultravioleta no dispersiva. Para generar la radiación UVA se emplea una lámpara de rayos ultravioleta, una cámara para la muestra o tubo de luz, un filtro de longitud de onda, y el detector de radiación ultravioleta.

Se introduce el gas que se va a analizar en la cámara de la muestra, y la concentración de gas se mide electroópticamente por la absorción de una determinada longitud de onda en el espectro ultravioleta. El detector tiene un filtro óptico frente a él, que elimina toda la luz, salvo la longitud de onda que pueden absorben las moléculas del gas seleccionado. Lo ideal sería que las moléculas de otro tipo de gas no absorbieran la luz de esa longitud de onda, y no afectasen a la cantidad de luz que llega al detector.

Analizador de partículas Para la medida de partículas se ha instalado un equipo MPM-4 de MAHA que ha sido desarrollado para la medición precisa de las partículas de diésel y de motores de gasolina de escape. Las principales ventajas de este equipo son el bajo peso y pequeño tamaño, muy adecuados para este tipo de aplicación en sistemas embarcados, además de su bajo precio en comparación con otros equipos con características similares que hay ahora mismo en el mercado. A continuación se adjuntan las características del equipo Maha:

Tabla 9. Características del equipo Maha

Tecnología

Rango

Medidas

Peso

Dispersión de rayos

láser

0,01 – 700 mg/m3

160 x 220 x 350 mm

6 kg

Para su medida de alta estabilidad se utiliza el láser y la tecnología de microprocesadores, basándose en la correlación existente entre la cantidad de partículas y la opacidad de la muestra. Este equipo puede identificar partículas de hasta 100 nanómetros (0,0001 mm), con un rango de medición de entre 0.01-700 mg/m3, permitiendo realizar medidas en continuo.

11 Non-Dispersive Ultra Violet

https://es.wikipedia.org/wiki/Longitudes_de_onda



3.2.3 Otros equipos y accesorios

Bomba de la línea Sensors y bomba de la línea Signal

Son las encargadas de aportar al gas la presión suficiente para que fluya hacia los enfriadores y de ahí, a los equipos de medida de emisiones.

Peltier (enfriador de la línea Sensors)

El Peltier es un enfriador que se sitúa antes de la entrada al equipo Sensors, cuyo objetivo es reducir drásticamente la temperatura de los gases que por él circulan de modo que se condense el vapor de agua y de esta manera se elimine por decantación. Se realiza esta separación porque la entrada de agua en el equipo Sensors puede ser muy dañina para el funcionamiento del mismo.

Como el mismo nombre del enfriador indica, la bajada de temperatura se produce gracias al denominado efecto Peltier. Este efecto consiste en hacer pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura. Se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 10º C aproximadamente, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C.

Enfriador de la línea Signal

Se trata de otro enfriador cuya función es evitar la llegada de agua en estado líquido, en este caso al Signal. En este caso se trata de un sistema mucho más simple ya que los requerimientos de temperatura no son tan estrictos como en el caso del Sensors. Se hace pasar a la corriente de gases por una zona expuesta a un sistema de ventilación que facilita la pérdida de calor por convección.

Termopar de gases de escape

Para la medida de la temperatura en el tubo de muestreo, se utiliza un termopar tipo K con un transmisor de la marca UNIFLEX RISO, modelo RISEX.

Sensor de régimen motor

El sensor de régimen instalado se basa en la medida de las vibraciones que produce el motor. Utilizando un acelerómetro que se pone en contacto con el motor a ensayar, se registra la frecuencia a la que vibra el motor. Tras hacer unos cálculos en los que se introducen las características del motor (dos tiempos o cuatro tiempos) se obtiene el régimen de giro del motor en revoluciones por minuto.

Termopares del agua y del aceite

Para conocer el estado de funcionamiento de un motor se debe medir su temperatura de funcionamiento. Por ello se registran los valores de temperatura del aceite lubricante y del refrigerante.



GPS

El GPS nos permite obtener datos de la posición y dinámica del vehículo, tales como la distancia recorrida, la longitud, latitud, velocidad, etc. En el presente trabajo se ha utilizado para obtener una medida de la velocidad del vehículo durante los ensayos.

3.2.4 Adquisición de datos

La adquisición de datos se compone principalmente de dos elementos: las tarjetas de adquisición de datos y el ordenador:

Tarjetas de adquisición de datos

Para la adquisición de datos a partir de los diferentes equipos, se usan dos tarjetas Nacional Instruments, modelo USB-6211, 16 inputs, 250 kS/s, 16-bit. Estas tarjetas se conectan al PC a través de cables USB.

Figura 3.7 Tarjeta de adquisición de datos

Ordenador HP

La gestión y almacenamiento de los datos se realiza a través de un programa de LabVIEW llamado MIVECO 1K DAQ1. Pese a que la mayoría de los equipos de medida de emisiones cuentan con un display propio en el que muestran los valores del gas medido en la muestra, mediante el uso de LabVIEW se integran todos los displays en un mismo front panel, por lo que es mucho más sencillo realizar el seguimiento del ensayo en directo. La interfaz será explicada con mayor detalle en apartados posteriores.



3.2.5 Conexión eléctrica

La alimentación eléctrica se realiza mediante una batería que proporciona la energía suficiente al equipo Miveco durante los ensayos. En otros usos anteriores que se han hecho del equipo se utilizaban dos baterías, ya que hacían uso del sensor de hidrocarburos, el cual necesita gran cantidad de energía para funcionar. En el caso del presente trabajo se ha hecho uso de tan solo una batería ya que es suficiente para alimentarlo y que se consigue aligerar el vehículo.

La batería utilizada es de la marca Lifeline, modelo GPL-8D con tecnología AGM, y especial para su uso en equipos embarcados.

Figura 3.8 Alimentación de los equipos

Como se puede observar en la figura, la mencionada batería alimenta los equipos mediante un inversor de la marca Studer AJ, que transforman los 12V cc que le llegan en 220 V ca a 50 Hz. También se cuenta con una fuente de alimentación de 24 V y una caja de distribución de 12V.



3.3 Conexiones neumáticas

Todos los equipos de medida de emisiones mencionados anteriormente, junto con las bombas, los enfriadores y el tubo de muestreo están unidos mediante conexiones neumáticas que conducen el flujo de gases de un equipo a otro.

Figura 3.9 Racor métrica M1/4 con conexión neumática

Los conductores del flujo son tubos de silicona de 12 mm de diámetro y un espesor de 3 mm, y las conexiones a los equipos con racores de métrica M ¼, con conexión de rosca a tubo. Como ya se comentó anteriormente, el tubo de muestreo se conecta al tubo de escape para proporcionar una muestra de gases directa.

Conexión de la línea del equipo Sensors

Para proporcionar una muestra del gas de salida del tubo de escape al equipo Sensors, los gases pasan del tubo de escape del vehículo al tubo de muestreo, desde donde van a parar a una bifurcación en forma de T. De ahí son llevados a la bomba de la línea Sensors, que les proporciona una presión suficiente para realizar el recorrido y de ahí pasan al Peltier. Antes de llegar finalmente al equipo Sensors se encuentra instalado un doble decantador para asegurar que se elimina toda el agua de la muestra.

Conexión de la línea del equipo Signal

El recorrido que realizan los gases de salida desde el tubo de escape hasta el Signal es muy similar al que realizan en el equipo Sensors. En este caso, al llegar a la bifurcación en forma de T tras salir del tubo de muestreo toman el otro camino y pasan al enfriador de la línea Signal, tras lo cual llegan a la bomba de la línea Signal para posteriormente acabar llegando al equipo Signal. El equipo Signal cuenta con otras entradas además de la que llega desde el tubo de muestreo, que sirven para realizar la calibración del equipo mediante la alimentación de gases de composición conocida por dichas entradas.

Conexión analizador de partículas (MAHA)

En este caso el gas pasa directamente del tubo de muestreo al equipo. El conducto consta de una conexión metálica al tubo de muestreo, y posteriormente pasa a ser un tubo de material polimérico que conecta con el equipo Maha.



3.4 Entorno Labview

El control y manejo de este equipo se ha llevado a cabo a través del programa Labview, que ofrece la posibilidad de crear un panel de control, o front panel de manera que se puedan modificar ciertas variables y realizar un cómodo seguimiento de los ensayos. Los elementos del front panel se dividen en dos categorías: los que sirven para introducir información y los que muestran la información procesada.

Para hacer uso de este programa, simplemente se tiene que abrir con los equipos en funcionamiento y apretar el botón de inicio. Automáticamente se procede al registro de todas las variables hasta que se pare el ensayo, y éstas son guardadas en un archivo con extensión .txt.

Figura 3.10 Interfaz en LabView

El uso de Labview supone una gran comodidad a la hora de realizar y registrar un ensayo, ya que no supone mayor esfuerzo que señalar el inicio y el fin del mismo. Asimismo, el hecho de poder observar en directo las gráficas permite al usuario observar cualquier anomalía en el ensayo, si esta se diese: desde observar que se están registrando valores anormales para un tipo de variable, hasta directamente advertir que el equipo no está midiendo.



3.4.1 Introducción de información

Tabla 10. Elementos de introducción de información

Botón de stop

Se utiliza para

detener la ejecución del programa

Interruptor de selección de combustible

Permite seleccionar el combustible del vehículo que se está empleando

Botón de GPS

Activa o desactiva el GPS durante el

ensayo

Seleccionador de

puerto

Permite seleccionar el puerto USB al

que está conectado el GPS



3.4.2 Visualización de información

Tabla 11. Elementos de visualización de información

Duración del ensayo Indica el tiempo de

duración del ensayo en cada instante

Revoluciones por minuto

Indica el régimen del motor en rpm

Termopares

Indica la temperatura medida por los

termopares: temperatura del agua,

del aceite y de los gases de escape

Resto de variables

Muestra la gráfica de las variables medidas con respecto al tiempo

en tiempo real



3.5 Montaje de los equipos

En el presente proyecto se emplea el equipo Miveco principalmente en carretera, pero evidentemente se realiza previamente la calibración de los equipos y un ensayo en laboratorio previo al montaje del mismo en el vehículo. Por ello se tienen dos disposiciones distintas, una en el laboratorio y otra en el vehículo.

3.5.1 Montaje en laboratorio

El montaje del equipo en el laboratorio permite más libertad y más espacio que el montaje en el propio vehículo. En el laboratorio se dispuso una mesa en la cual se colocó el bloque principal del Miveco. A ambos lados del mismo se dispusieron las bombas y los enfriadores: en un lado la bomba de la línea Sensors, el Peltier y el analizador de partículas y en el otro lado la bomba de la línea Signal y el enfriador de la línea Signal. El tubo de muestreo, junto con el cableado externo se colocó debajo de la mesa de manera que se evitara tropezar con ellos y fuera más cómodo el uso del equipo. Para la realización de los ensayos se disponía el vehículo cerca de la mesa de ensayo de manera que no hubiera dificultad en conectar el tubo de muestreo con el tubo de escape.

Figura 3.11 Montaje del equipo en el laboratorio

3.5.2 Montaje en el vehículo

En los ensayos realizados en el vehículo el espacio del que se dispone es mucho menor que en laboratorio, por lo que es necesario optimizar la disposición de los elementos del equipo dentro del vehículo. Teniendo en cuenta este factor y sin perder de vista el correcto funcionamiento del equipo, se ideó una distribución en el maletero del vehículo cuyo aspecto es el siguiente:



Figura 3.12 Montaje del equipo en el vehículo

Como se puede observar, los equipos se disponen de manera que el aprovechamiento del espacio es muy elevado. En la parte central se ha colocado el bloque Miveco y se han dispuesto el resto de equipos a su alrededor. A la izquierda del bloque principal se han situado el sensor de partículas (Maha), la bomba Signal y el enfriador Signal, dispuestos uno encima del otro para ahorrar todo el espacio posible. En la parte derecha lo mismo ocurre con el Peltier y la bomba Sensors. Detrás de los equipos se encuentra todo el cableado además del ordenador portátil y las baterías.

4. PRUEBAS REALIZADAS PARA PUESTA A PUNTO


4 PRUEBAS REALIZADAS PARA PUESTA A PUNTO

Con el objeto de comprobar el correcto funcionamiento de todos los equipos, y de practicar el tratamiento de los datos obtenidos se han realizado una serie de ensayos en laboratorio. Esta práctica es crucial ya que el ensayo en ciudad requiere mucho tiempo, y de este modo se consigue minimizar en la medida de lo posible el tiempo de preparación y además evitar fallos importantes que anularían el ensayo final (que algún equipo no esté registrando, por ejemplo).

De hecho, efectivamente mediante la realización de estos ensayos en laboratorio se ha podido comprobar la importancia en el orden de conexión de todos los elementos, ralentizando mucho la puesta en marcha de los ensayos cuando se cambia el orden de dichos pasos.

Se han realizado dos tipos de ensayos: uno con el coche parado y otro realizando un pequeño circuito para comprobar las medidas en movimiento.

4.1 Pruebas con el vehículo parado

Este ensayo consiste en realizar medidas con el motor encendido sin seguir ningún recorrido, efectuando cada cierto tiempo una aceleración para comprobar que los equipos reaccionan ante ésta y la captan. El ensayo con el vehículo parado se realizó un total de dos veces, para comprobar que los equipos miden correctamente y que dichas medidas quedan registradas al terminar el ensayo, listas para ser tratadas. Tras ello se obtuvieron las gráficas, que sirvieron para determinar el correcto funcionamiento y manejo de los equipos. No se utilizaron todos los equipos involucrados en este trabajo puesto que algunos de ellos estaban siendo reparados o sustituidos, como el sensor Horiba de NOx.

4.1.1 Primera prueba con el vehículo parado (P1P)

La primera vez que se realizó este ensayo se pudieron obtener varias conclusiones:

El analizador de partículas (Maha) no reflejaba valores lógicos en las gráficas obtenidas, por lo que fue inspeccionado y se determinó que tenía un conector inutilizado y cables sin continuidad, que necesitaron ser soldados.

La sonda del equipo Horiba de medida de NOx reflejaba valores que distaban mucho de la suma de los valores de NO y NO2 registrados por el equipo Sensors. El mal funcionamiento de dicho sensor ya era conocido, y se debía probablemente a su empleo en frío en anteriores ocasiones. Se decidió en este caso sustituir el anterior sensor por uno totalmente nuevo cuyas medidas, como se verá posteriormente, son mucho más precisas.

La sonda lambda también funcionaba incorrectamente y se optó por adquirir una nueva. El hecho de reponer este sensor ha sido muy habitual en el pasado puesto que, tras un gran número de usos y no ser siempre usada en las condiciones especificadas por el manual, tiende a fallar. La periodicidad con la que se repone este componente se debe a su coste relativamente bajo, cosa que no ocurre con el sensor de NOx. Ésta sonda es diez veces más económica que la del equipo Horiba y, además, la información que proporciona el sensor de NOx es similar a la que proporciona el Sensors.



4.1.2 Segunda prueba con el vehículo parado (P2P)

Una vez se hizo todo lo necesario para solucionar los problemas presentados, se realizó un segundo ensayo para comprobar que todo estaba correcto. El segundo ensayo no contó aún con el nuevo sensor de NOx puesto que su envío tardaba alrededor de un mes y el proyecto debía continuar activo.

Partículas – Dosado errónea

Figura 4.1 Gráfica errónea Partículas - Dosado (P2P)

La gráfica muestra la variación del dosado y de la concentración de partículas en mg/m3 con respecto al tiempo.

El registro del dosado es el correcto para el funcionamiento de un motor al ralentí, aunque donde mejor se aprecia este hecho es en la gráfica en la que se comparan el dosado y el CO2 con respecto al tiempo (Figura 4.4).

Sin embargo, el registro de las partículas no es el adecuado ya que se muestra una gráfica excesivamente variable para un vehículo que está al ralentí. La gráfica esperable debería ser prácticamente constante con sus únicas variaciones cuando se pisa el acelerador, y evidentemente esto no se da en la gráfica mostrada. Después del ensayo y con ayuda de un voltímetro se detectó que había una conexión mal soldada y que los cables estaban conectados a los puertos incorrectos de la tarjeta gráfica.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

100

200

300

400

500

600

700

800

26

,03

9,2

51

,56

3,8

76

,18

8,4

10

4,6

11

6,9

13

4,1

17

1,7

18

4,0

19

6,3

20

8,6

22

0,9

23

3,2

24

5,5

25

7,8

27

0,1

28

2,4

29

4,7

30

7,0

31

9,3

33

1,6

34

5,1

35

7,4

36

9,7

38

2,0

39

4,3

40

6,6

42

2,6

Do

sad

o

Co

nce

ntr

ació

n (

mg/

m3

)

Tiempo (s)

Dosado



Lambda

Figura 4.2 Gráfica Lambda (P2P)

En cuanto a las mediciones de lambda, que es la inversa del dosado, realizadas por la sonda lambda, se puede observar que son las esperadas en un ensayo de este tipo, ya que los valores medidos son aproximadamente constantes la mayor parte del tiempo salvo cuando se aplica una aceleración al motor. El correcto funcionamiento de la sonda lambda se puede valorar mejor en la gráfica que combina el dosado con la concentración de CO2.

NO - NO2

Figura 4.3 Gráfica NO – NO2 (P2P)

En esta gráfica, como se puede ver en su encabezado, se comparan las concentraciones medidas de NO y NO2. En el ensayo final ambas se combinarán también con la concentración de NOx medido con el sensor Horiba que, como ya se ha señalado, en el momento del ensayo

0

5

10

15

20

25

30

35

26

,03

8,1

49

,36

0,5

71

,78

2,9

94

,11

09

,21

22

,81

60

,01

73

,01

84

,21

95

,42

06

,62

17

,82

29

,02

40

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51

,42

62

,62

73

,82

85

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96

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07

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18

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29

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42

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,03

98

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09

,44

24

,3

Lam

bd

a

Tiempo (s)

-50

50

150

250

350

450

550

26

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,31

07

,11

20

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,81

70

,01

80

,91

91

,82

02

,72

13

,62

24

,52

35

,42

46

,32

57

,22

68

,12

79

,02

89

,93

00

,83

11

,73

22

,63

33

,53

45

,63

56

,53

67

,43

78

,33

89

,24

00

,14

14

,74

25

,6

Co

nce

ntr

ació

n (

pp

m)

Tiempo (s)

NO (ppm)NO2 (ppm)



no se encontraba aún instalado. Las curvas obtenidas son coherentes con el ensayo realizado y, como ocurre en las demás gráficas, las concentraciones se mantienen relativamente constantes (o varían suavemente) y cambian de manera brusca cuando se acelera el motor.

CO2 - Dosado

Figura 4.4 Gráfica CO2 - Dosado (E2P)

Por último se han representado la evolución de la concentración de CO2 y del dosado durante el ensayo, los cuales deben tener una forma muy similar, y efectivamente así es. Se observa que ambas curvas varían de forma similar ante las perturbaciones externas (en este caso, la aceleración del motor).

Como conclusión, se puede afirmar que este ensayo sirvió para confirmar el correcto funcionamiento de la sonda lambda, de los sensores de CO y CO2, y de NO y NO2. Por contra, el sensor de partículas no funcionaba correctamente y tuvo que detectarse el problema.

-0,15

-0,05

0,05

0,15

0,25

0,35

0,45

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

26

,03

8,1

49

,36

0,5

71

,78

2,9

94

,11

09

,21

22

,81

60

,01

73

,01

84

,21

95

,42

06

,62

17

,82

29

,02

40

,22

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62

,62

73

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,02

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,23

07

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,63

29

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42

,23

53

,43

64

,63

75

,83

87

,03

98

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09

,44

24

,3

Do

sad

o

Co

nce

ntr

ació

n (

%)

Tiempo (s)

CO2 (%Vol)

Dosado



4.2 Pruebas con el vehículo en movimiento

Así como el ensayo con el vehículo parado sirvió para comprobar el correcto funcionamiento de los equipos, el ensayo con el vehículo en movimiento se realizó con el objetivo añadido de simular la puesta a punto de los equipos y del vehículo de la misma manera que se haría en los ensayos finales. La realización de esta prueba fue de vital importancia a la hora de medir tiempos de montaje, calibración y puesta a punto, comprobar el orden óptimo de los pasos que hay que realizar, y asegurar que tanto los equipos como los elementos auxiliares funcionan de forma correcta de cara a realizar las mediciones posteriormente.

Figura 4.5 Puesta a punto del vehículo para salir a ensayar

Como se esperaba durante la puesta a punto se cometieron algunos errores, la mayoría en el orden de los pasos a seguir, que ralentizaron mucho el proceso. Cuando finalmente se terminó de preparar el vehículo, se realizaron mediciones en movimiento durante veinte minutos dentro de las instalaciones de la ETSI Industriales, cuando se advirtió que ni el sensor de NOx ni el sensor de partículas estaba registrando. Este error fue debido al desconocimiento de que ambos sensores tienen que inicializarse de manera individual antes de ensayar, por lo que dicha configuración ha de realizarse previamente al cierre del maletero para evitar tener que retirar el anclaje.



4.2.1 Primera prueba con el vehículo en movimiento (P1M)

Este primer ensayo con el vehículo en movimiento sirvió, además de para ensayar la puesta a punto de los equipos antes de salir a ensayar, para comprobar el correcto funcionamiento del sensor de partículas y del sensor de NOx, que era la primera vez que se utilizaba. El ensayo consistió en realizar una vuelta de unos 20 minutos por las calles colindantes de la Escuela, y por primera vez se pudo alcanzar una velocidad cercana a los 50 km/h, siendo esta velocidad más cercana a la que se va a registrar en los ensayos que la que se había tenido hasta ahora.

Partículas – Dosado

Figura 4.6 Gráfica Partículas - Dosado (P1M)

Como se puede observar en la gráfica, se hicieron grandes avances en el registro de partículas ya que los picos registrados coinciden con los del dosado. No obstante, para valores bajos de partículas la medida es muy cercana al cero.

4.2.2 Segunda prueba con el vehículo en movimiento (P2M)

Este test era necesario para comprobar el buen funcionamiento del sensor de velocidad del que se dispone. El ensayo consistió en unos minutos de conducción dentro de las instalaciones de la Escuela, donde se trató de alcanzar cierta velocidad para después frenar bruscamente y comprobar si esto se reflejaba en el registro de velocidad del GPS.

Velocidad GPS

Figura 4.7 Gráfica Velocidad GPS (P2M)

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0

100

200

300

400

500

600

700

800

43

,58

0,1

11

6,4

92

,71

29

,01

65

,32

01

,62

37

,92

74

,23

10

,53

46

,83

83

,14

19

,44

55

,74

92

,05

28

,35

64

,66

00

,96

37

,26

73

,57

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,87

46

,17

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,48

18

,78

55

,08

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,39

27

,69

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00

0,2

10

36

,51

07

2,8

Do

sad

o

Co

nce

ntr

ació

n (

mg/

m3

)

Tiempo (s)

Partículas 0-1000 (mg/m3)

Dosado

05

101520253035

11

32

26

33

94

52

56

56

78

79

18

10

49

11

80

13

11

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04

18

35

19

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90

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27

52

28

83

30

14

31

45

32

76

34

07

35

38

36

69

38

00

39

31

40

62

41

93

Vel

oci

dad

(km

/h)

Tiempo (s)



En efecto, en el gráfico se puede observar un pico en unos 30 km/h, que va seguido de una deceleración brusca uso segundos después. De esta forma se pudo comprobar el correcto funcionamiento de esta herramienta.

Partículas – Dosado

Figura 4.8 Gráfica Partículas - Dosado (P2M)

También en este ensayo se probó de nuevo el sensor de partículas. Tras el primer ensayo con el vehículo en movimiento se comprobó que la sonda que tomaba la muestra de los gases de escape en el tubo de muestreo era demasiado larga y quizá la muestra no llegaba bien al equipo Maha. Se decidió entonces acortar el conducto de toma de muestras y, efectivamente, se comprobó que el fallo se encontraba ahí. De nuevo, los picos registrados en las partículas coinciden con los picos del dosado y además se tienen valores próximos a cero, pero no exactamente como ocurría anteriormente ya que el gas no llegaba al equipo.

4.2.3 Tercera prueba con el vehículo en movimiento (P3M)

En esta ocasión, se decidió realizar otra vez una prueba corta para comprobar el funcionamiento del sensor de presión diferencial y del termopar que mide la temperatura de los gases de escape.

Presión diferencial (medida obtenida en V)

Figura 4.9 Gráfica Presión Diferencial (P3M)

Este gráfico representa la medida en voltios del sensor de presión diferencial. Los picos obtenidos coinciden totalmente con los que se esperaban dadas las condiciones del ensayo.

00,10,20,30,40,50,60,70,8

050

100150200250300

1

13

6

27

1

40

6

54

1

67

6

81

19

46

10

81

12

16

13

51

14

86

16

21

17

56

18

91

20

26

21

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22

96

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31

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66

27

01

28

36

29

71

31

06

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33

76

35

11

36

46

37

81

39

16

40

51

41

86

Do

sad

o

Co

nce

ntr

ació

n (

mg/

m3

)

Tiempo (s)

Partículas 0-1000 (mg/m3)

Dosado

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

11

71

34

15

11

68

18

51

10

21

11

91

13

61

15

31

17

01

18

71

20

41

22

11

23

81

25

51

27

21

28

91

30

61

32

31

34

01

35

71

37

41

39

11

40

81

42

51

44

21

45

91

47

61

49

31

51

01

52

71

54

41

56

11

57

81

59

51

61

21

Ten

sió

n (

V)

Tiempo (s)



Para confirmar con total certeza que el sensor de presión diferencial funciona correctamente, se ha superpuesto su curva con la de régimen del motor.

Figura 4.10 Gráfica Presión diferencial - Régimen (P3M)

Tras realizar la comparación entre estas dos variables cuya medida es totalmente independiente, se observa con total claridad que el funcionamiento del sensor de presión diferencial BD Sensors es correcto.

Termopar de gases de escape

Por último se comprobó el registro correcto del termopar situado en el tubo de muestreo, que anteriormente había estado estropeado y marcaba una temperatura excesivamente alta.

Figura 4.11 Gráfica Temperatura de los Gases de Escape (P3M)

En la gráfica se observa la variación de esta temperatura a lo largo del ensayo. Cabe señalar que en ensayos más largos la temperatura de los gases de escape es más alta (unos 50º aproximadamente) pero en este ensayo, al ser de corta duración no hay tiempo suficiente para que el tubo de muestreo adquiera dicha temperatura.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1

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6

37

1

55

6

74

1

92

6

11

11

12

96

14

81

16

66

18

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20

36

22

21

24

06

25

91

27

76

29

61

31

46

33

31

35

16

37

01

38

86

40

71

42

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41

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26

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11

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51

81

53

66

55

51

57

36

59

21

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06

Rég

imen

(r/

min

)

Ten

sió

n (

V)

Tiempo (s)

V BDS

Régimen (rpm)

10

12

14

16

18

20

22

11

76

35

15

26

70

18

76

10

51

12

26

14

01

15

76

17

51

19

26

21

01

22

76

24

51

26

26

28

01

29

76

31

51

33

26

35

01

36

76

38

51

40

26

42

01

43

76

45

51

47

26

49

01

50

76

52

51

54

26

56

01

57

76

59

51

61

26

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Tiempo (s)

5. ESTUDIO DE CONSUMO Y EMISIONES EN TRÁFICO REAL


5 ESTUDIO EN VEHÍCULOS EN TRÁFICO REAL

5.1 Descripción del vehículo de ensayo

El vehículo utilizado durante todo el proyecto ha sido un Peugeot 406 familiar. Pese a que es un coche antiguo, reúne todas las características necesarias para ser utilizado en los ensayos. Algunas de estas características son las siguientes:

Transmisión manual: Esencial para poder tener el control de la mayor parte de las variables del estilo de conducción.

Espacio suficiente en el habitáculo y maletero: Lo suficiente como para poder realizar el montaje y fijación del equipo de medida de manera satisfactoria.

Combustible diésel: Son los motores de combustión interna alimentados por este combustible los que mayores proporciones de emisiones contaminantes emiten.

Algunos de los datos más importantes de este vehículo se recogen en la siguiente tabla:

Tabla 12. Características del vehículo Peugeot 406

Marca Modelo Año de

fabricación Motor Peso

Legislación emisiones

Peugeot 406 BK STDT

2,1 1998

Peugeot D-P8C

1485 kg Euro 2

Los datos de carácter técnico se encuentran en la siguiente tabla:

Tabla 13. Características técnicas del vehículo Peugeot 406

Número de cilindros

Cilindrada Pot / rpm Par motor / rpm

4 2088 cc 108 CV/4300 rpm 250 Nm/2000 rpm



5.2 Circuito de ensayo

Para realizar los ensayos de medida de emisiones se escogió como circuito urbano el denominado Circuito CM0. Este trazado es el más idóneo para llevar a cabo las pruebas puesto que se encuentra en las inmediaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y porque en tan solo 5 km de recorrido presenta una gran variedad mezclando vías rápidas y lentas, concurridas y tranquilas, etc.

El recorrido se divide en ocho sectores cada uno de los cuales incluye distintos tramos de características similares.

Tabla 14. Descripción del recorrido realizado

Tabla 15. División en sectores del recorrido realizado

Sector Longitud (m)

1 223

2 210

3 1558

4 749

5 392

6 1569

7 223

8 173

Tramo Sector Tipo Long. tramo (m)

Long. acum. (m)

Pedro de Valdivia 1 Local 82 82

Pinar 1 Local 141 223

María de Molina (Pinar-Doctor Marañón) 2 Principal 210 433

Castellana (Doctor Marañón-San Juan de la Cruz)

3 Arterial 346 779

Castellana (San Juan de la Cruz-Joaquín Costa)

3 Arterial 590 1369

Castellana (Joaquín Costa-Lima) 3 Arterial 622 1991

Castellana (Lima-Rafael Salgado) 4 Secundaria 259 2250

Rafael Salgado (Castellana-Padre Damián)

4 Secundaria 230 2480

Padre Damián (Rafael Salgado-Concha Espina)

4 Secundaria 260 2740

Concha Espina (Padre Damián-Turia) 5 Principal 290 3030

Turia (Concha Espina-Serrano) 5 Local 102 3132 Serrano (Turia-Segre) 6 Principal 107 3239

Serrano (Segre-Rep. Argentina) 6 Principal 646 3885

Serrano (Rep. Argentina-Jorge Manrique) 6 Principal 263 4148

Serrano (Jorge Manrique-María de Molina)

6 Principal 553 4701

María de Molina (Serrano-Álv. de Baena) 7 Principal 223 4924

Álvarez de Baena (María de Molina-Pedro de Valdivia)

8 Local 117 5041

Pedro de Valdivia 8 Local 56 5097



El recorrido realizado consta de calles de todo tipo y se desarrolla por algunas calles del centro de Madrid muy conocidas, como el Paseo de la Castellana y la Calle de Serrano. Las características del circuito son las idóneas para reproducir las condiciones deseadas: mezcla de tramos rectos y curvos, abundancia de semáforos para que haya arranques y frenadas y la ubicación en plena ciudad.

Figura 5.1 Situación geográfica del Circuito CM0 realizado

Las características técnicas del circuito se recogen en las gráficas siguientes. En la primera de ellas se puede ver la evolución de la altura sobre el nivel del mar de los distintos tramos del circuito. El tramo de menor altura se encuentra a 673 metros sobre el nivel del mar, mientras que el tramo de mayor altura está situado a unos 710 metros. En cuanto a la evolución de la pendiente, los tramos con menor y mayor pendiente son rampas del 6% de inclinación en bajada y subida respectivamente.

La variación en la altura y la pendiente de este circuito también son razones por las cuales se ha escogido este trazado y no otro, ya que las subidas y bajadas son abundantes y eso le añade una variedad a los ensayos muy útil.



Figura 5.2 Variación de la altura sobre el nivel del mar del circuito

Figura 5.3 Variación de la pendiente del circuito

650,000

660,000

670,000

680,000

690,000

700,000

710,000

720,000

0

0,0

68

0,1

58

0,3

48

0,4

66

0,6

66

0,8

17

1,0

78

1,3

8

1,8

12

1,9

65

2,0

41

2,2

44

2,4

77

2,7

05

2,7

75

3,0

48

3,2

54

3,5

06

3,7

18

3,8

32

3,8

55

3,8

92

3,9

99

4,3

11

4,5

64

4,6

82

4,9

12

5,0

02

5,0

49

5,0

88

Alt

ura

sn

m (

m)

Distancia recorrida (km)

Altura sobre el nivel del mar

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0

0,0

68

0,1

58

0,3

48

0,4

66

0,6

66

0,8

17

1,0

78

1,3

8

1,8

12

1,9

65

2,0

41

2,2

44

2,4

77

2,7

05

2,7

75

3,0

48

3,2

54

3,5

06

3,7

18

3,8

32

3,8

55

3,8

92

3,9

99

4,3

11

4,5

64

4,6

82

4,9

12

5,0

02

5,0

49

5,0

88

Pen

die

nte

(%

)


Pendiente



5.3 Planificación del ensayo

Los ensayos previstos de medida de consumo y emisiones en tráfico real se realizaron el día 30 de junio de 2016. En dichos ensayos se realizaron diez vueltas al circuito previamente descrito situado en el centro de Madrid. La realización de dicho número de vueltas se debe a que se realizaron varios estilos de conducción:

Arranque en frío: la primera vuelta se realizó con conducción normal y el motor frío, para estudiar en qué medida influye este hecho tanto en el consumo de combustible como en las emisiones contaminantes.

Conducción normal: las siguientes tres vueltas se realizaron, ya con el motor caliente, con un estilo de conducción normal.

Conducción suave: en esta ocasión se trató de conducir el vehículo con un estilo de conducción suave. Para llevarlo a cabo, es importante mantener el motor siempre por debajo de las 2000 revoluciones por minuto, arrancar el motor sin pisar el acelerador, esperar unos segundos después del arranque del motor antes de iniciar la marcha y pasar de primera a segunda marcha a los 2 segundos o 6 metros.

Conducción agresiva: por último, se realizaron otras tres vueltas con un estilo de conducción agresivo. Para realizarlo se debe hacer lo contrario que en conducción suave, como el uso prolongado de marchas cortas y la conducción por encima de las 2000 revoluciones por minuto.

La razón por la cual se realizaron tres vueltas para cada estilo de conducción es la posibilidad de elegir entre la vuelta que sea más representativa del estilo que se ha llevado a cabo. De este modo se evitan las vueltas en las que haya habido demasiado tráfico o no se haya podido realizar el estilo de conducción previsto sea cual sea la razón.



5.4 Tratamiento de los datos obtenidos

Una vez obtenidos los datos y registrados en Labview, se debe establecer una metodología para transformar los datos medidos (la mayoría en ppm o en %) en unidades que faciliten su interpretación. Para ello se establecen los siguientes pasos:

1. Obtención del archivo .xls válido con los datos del ensayo registrados. 2. Obtención de la presión diferencial (Pdif) en el tubo de muestreo. Esto se realiza

mediante la ecuación que relaciona el valor obtenido por el equipo BD Sensors de presión diferencial en voltios, con su correspondiente valor en Pa.

3. Cálculo de la densidad de los gases de escape en cada instante, que se realiza utilizando la presión instantánea y la temperatura de los gases de escape. Ambas son medidas directas que obtenemos mediante el sensor de presión absoluta y el termopar situados en el tubo de muestreo.

4. Cálculo del caudal de escape instantáneo. Para obtener esta medida se utilizan la presión direrencial, la densidad de los gases de escape y la constante de pitot (Kpitot).

5. Consumo y emisiones instantáneos. Conociendo el caudal instantáneo de gases de escape se puede obtener el consumo y emisiones instantáneos, medidas que sí sirven para su interpretación.

6. Obtención del factor de consumo y factor de emisión.

5.4.1 Obtención de la presión diferencial instantánea

Como ya se ha mencionado, el equipo encargado de medir la presión diferencial de los gases de escape es el BD Sensors. De este equipo se obtiene una señal en voltios, por lo que es necesario establecer una relación entre esta medida que se obtiene y su correspondencia en Pa. Para ello se tiene una recta de calibración, que se ha trazado utilizando una columna de agua de flujo estacionario. Como puede verse a continuación, mediante la ecuación lineal siguiente se pueden transformar los valores obtenidos por el BD Sensors en V a su presión diferencial en Pa.

Figura 5.4 Recta de calibración BD Sensors

Conociendo ya dicha correspondencia, se puede obtener la presión diferencial en el tubo de muestreo en cada instante.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Pd

if(P

a)

Tensión (Voltios)

Recta de calibración BD Sensors𝑦=620,67𝑥



5.4.2 Densidad instantánea de los gases de escape

Para obtener la densidad de los gases de escape se emplea la siguiente ecuación:

𝑃 𝑉 = 𝑚

𝑀 𝑅 𝑇

(Ecuación 4)

De la cual se obtiene la densidad:

𝜌 =𝑀 𝑃

𝑅 𝑇

(Ecuación 5)

Donde:

𝑚: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝑀: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝑉: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝑃: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝑅: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙

𝑇: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝜌: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

Para poder utilizar dicha ecuación es necesario conocer la presión instantánea de los gases, dato que es medido directamente por el equipo Miveco, así como la temperatura de los gases de escape que también es medida por el equipo. El resto son datos; la R es la constante universal de los gases ideales (R=8,314 J/mol K), mientras que la masa molecular del gas se toma como M=29 g/mol, idéntica a la del aire.

5.4.3 Caudal de los gases de escape instantáneo

Una vez obtenidas la densidad de los gases de escape y su presión diferencial instantánea se pueden emplear para el cálculo del caudal de gases de escape. Para ello se hace uso de la siguiente ecuación:

𝑄 = 𝐴 𝐾 √2 Pdif

𝜌 𝑀

(Ecuación 6)

Donde:

𝑄: 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡á𝑛𝑒𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒

𝐴: á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠

𝐾: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑖𝑡𝑜𝑡

𝑀: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝑃𝑑𝑖𝑓: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝜌: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠



Todos ellos son valores conocidos salvo la constante de Pitot (Kpitot), cuyo valor se determinó utilizando un soplante centrífugo y un caudalímetro de flujo laminar calibrado marca Meriam Instrument. Con él se midieron más de treinta caudales y se compararon con los obtenidos a través del equipo Miveco. Con ello se obtuvo una constante de KPitot=0,901.

El resultado que se obtiene de emplear la anterior fórmula es el caudal volumétrico de los gases de escape, que multiplicándolo por la densidad de los gases ya obtenida sería el caudal másico de los gases de escape, mucho más útil.



5.4.4 Consumo de combustible y emisiones instantáneas

En cuanto al consumo de combustible, éste se calcula a partir de la definición de lambda:

λ =(

𝐴𝐹)

𝑖𝑛𝑠𝑡

(𝐴𝐹)

𝑒𝑠𝑡

(Ecuación 7)

Para hallar el valor del denominador, se sabe que el combustible utilizado tiene una formulación C14,3H28, por lo que es sencillo hallar el dosado estequiométrico:

(𝐴

𝐹)

𝑒𝑠𝑡=

34,56 (4 + 𝑦)

12,011 + 1,008𝑦

(Ecuación 8)

Introduciendo en dicha ecuación y = b/a = 1,95804 se obtiene un dosado estequiométrico de 14,724. Tras esto, ya se puede obtener el consumo de combustibles utilizando la siguiente ecuación obtenida a partir de lamba:

𝑚𝑓̇ = �̇�𝑒𝑠𝑐

1 + 𝜆 (𝐴𝐹)

𝑒𝑠𝑡

(Ecuación 9)

Con respecto al cálculo de las emisiones contaminantes, se tienen dos expresiones para calcularlas en función de si la medida directa está dada en ppm o en porcentaje en volumen. Las unidades obtenidas son g/s, aunque algunas emisiones conviene que sean convertidas a mg/s.

En el primer caso, se utilizará la siguiente expresión:

�̇�𝑥 =𝑝𝑝𝑚𝑥

106�̇�𝑒𝑠𝑐

𝑝

𝑅𝑇𝑀𝑥

(Ecuación 10)

Mientras que en el segundo caso se hará uso de esta expresión:

�̇�𝑥 =%𝑥

100�̇�𝑒𝑠𝑐

𝑝

𝑅𝑇𝑀𝑥

(Ecuación 11)



5.4.5 Factor de consumo y factor de emisión

Para obtener una medida representativa y fácilmente comparable tanto para el consumo de combustible como para las emisiones contaminantes se utilizan los factores de consumo (FC) y los factores de emisión (FE).

El factor de consumo se mide en litros de combustible consumidos cada 100 km recorridos, y se haya de la siguiente manera:

𝐹𝐶 (𝐿 100𝑘𝑚⁄ ) = ∑ �̇�𝑓 ∆𝑡

𝐷 𝜌𝑓100

(Ecuación 12)

Por otra parte, para calcular el factor de emisión se aplica la siguiente ecuación:

𝐹𝐸 (𝑔 𝑘𝑚⁄ ) = ∑ �̇�𝑖 ∆𝑡

𝐷

(Ecuación 13)

Donde:

�̇�𝑓: caudal másico de combustible

�̇�𝑖: caudal másico de sustancia contaminante

∆𝑡: 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑣𝑒𝑧 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 (0,1 𝑠)

𝐷: 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎

𝜌𝑓: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑚𝑝𝑙𝑒𝑎𝑑𝑜



5.5 Resultado de los ensayos Una vez explicado cuál es el tratamiento de los datos una vez registrados, de manera que se obtengan los resultados en unidades que permitan compararlos entre ellos, se muestra el resultado de los ensayos realizados.

5.5.1 Comprobación de la correcta medida de los equipos

𝜂𝑉 = �̇�𝑎

𝜌𝑟𝑒𝑓 𝑖 𝑛 𝑉𝑇

(Ecuación 14)

Donde:

𝜂𝑉: 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜

�̇�𝑎: 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝜌𝑟𝑒𝑓: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝑖: 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 2 𝑜 4 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜𝑠

𝑛: 𝑟é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑣/𝑠

𝑉𝑇: 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎

Figura 5.5 Comparación entre Caudal másico Medido y Caudal másico Teórico



5.5.2 Emisiones de CO2

Tras comprobar que los datos tomados de los equipos son coherentes, se van a mostrar los resultados obtenidos para los cuatro ensayos realizados. En primer lugar se muestran las gráficas con la evolución de las emisiones de dióxido de carbono instantáneas en función del tiempo.

Figura 5.7 Emisiones de CO2 (EN)

Figura 5.8 Emisiones de CO2 (ES)

Figura 5.6 Emisiones de CO2 (EAF)



Para los cuatro ensayos realizados, se aprecia una casi perfecta sincronización entre la evolución del dosado y las emisiones de CO2. Las variaciones más bruscas apreciadas se pueden observar en el ensayo de conducción agresiva.

5.5.3 Emisiones de CO

En el caso de las emisiones de monóxido de carbono, éstas se han obtenido en mg/s y se ha comparado su evolución también con la del dosado.

Figura 5.10 Emisiones de CO (EAF)

Figura 5.11 Emisiones de CO (EN)

Figura 5.9 Emisiones de CO2 (EA)



Como ya ocurriera con las emisiones instantáneas de dióxido de carbono, la gráfica que refleja más variaciones en el dosado es la del ensayo con conducción agresiva. En lo referente a las emisiones instantáneas de CO, se observa que éstas son elevadas sobre todo al inicio del ensayo de arranque en frío.

Figura 5.13 Emisiones de CO (EA)

Figura 5.12 Emisiones de CO (ES)



5.5.4 Consumo de combustible

Por último se han obtenido los consumos instantáneos de combustible para cada ensayo. En esta ocasión no se realiza comparación con ninguna otra variable puesto que con la comprobación de la correcta medida del caudal en el apartado 5.5.1 es suficiente, ya que el cálculo del consumo proviene de la obtención del caudal.

Figura 5.30 Consumo de combustible (EN)

Figura 5.29 Consumo de combustible (EAF)

Figura 5.14 Consumo de combustible (ES)



También resulta en el caso del consumo que la gráfica que más variaciones registra es la

del ensayo con conducción agresiva, diferenciándose sobremanera de los otros tres

ensayos realizados, sobre todo del ensayo de conducción suave.

Figura 5.15 Consumo de combustible (EA)

6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS


6 ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1 Comparación de consumo y emisiones según el estilo de conducción

En este primer análisis de los datos recopilados en los ensayos se va a realizar una comparación tanto del consumo como de las emisiones de CO2 y CO para distintos estilos de conducción. Como ya se ha explicado con anterioridad, se decidió realizar tres modos diferentes de conducción en cuanto a grado de agresividad.

De los tres estilos se han obtenido gráficas del consumo acumulado y de las emisiones acumuladas con el fin de apreciar la evolución de dichas variables con el avance del vehículo en el circuito. Es importante destacar que del programa de adquisición utilizado se obtienen los datos en función del tiempo, algo que resulta molesto a la hora de comparar los ensayos entre sí puesto que no todos tienen la misma duración. Por ello, mediante el registro de la velocidad se obtienen dichos datos en función de la distancia recorrida, que en este caso sí es muy útil para realizar comparaciones entre los distintos ensayos.

6.1.1 Consumo acumulado y factor de consumo

En lo referente al consumo de combustible, a continuación se reflejan los consumos acumulados a lo largo del recorrido para los distintos modos de conducción. Pese a la aparente igualdad inicial, alcanzado el primer kilómetro comienzan a diferenciarse los tres estilos. Llegado el tercer kilómetro, el consumo acumulado para una conducción agresiva se acentúa, diferenciándose claramente de la conducción suave y normal, que avanzan de manera parecida.

Figura 6.1 Consumos acumulados según el estilo de conducción

El estilo de conducción agresiva alcanza finalmente los 712 g de combustible consumidos en los 5 km del circuito. Por su parte, en conducción normal y conducción suave se alcanzan, respectivamente, 466 g y 412 g de combustible diésel.

Pero para cuantificar de manera más exacta la influencia del estilo de conducción en el consumo, y sobre todo para posibilitar la comparabilidad de estos resultados con otros ensayos es preferible pasar estas medidas totales a medidas por unidad de longitud. Así, se



obtiene el denominado Factor de Consumo, que se suele medir en L/100km. Para obtenerlo se utiliza la densidad del combustible (845 kg/m3).

Así pues se obtiene un FC con conducción agresiva de 13,77 L/100 km mientras que en conducción normal se consumen 10,83 L/100 km y en suave 9,56 L/100 km. Esto supone que pasar de una conducción normal a una conducción suave se traduce en un ahorro de combustible del 13%, mientras que evitar una conducción agresiva manteniendo un estilo de conducción normal supone un ahorro del 27% de carburante.

6.1.2 Emisiones acumuladas y factor de emisión

En cuanto a las emisiones de CO2, también se reflejan a continuación las emisiones acumuladas con respecto a la variable longitud recorrida. El consumo de combustible y el CO2 emitido son dos variables que teóricamente deben ir de la mano, y este hecho se refleja en los resultados obtenidos. De la misma manera, con la conducción agresiva se obtiene una curva que va alejándose gradualmente de las de conducción normal y suave.

Figura 6.3 Emisiones de CO2 acumuladas según el estilo de conducción

Figura 6.2 Factores de Consumo según el estilo de conducción



Como ocurre con el consumo de combustible, con la medida de emisiones es necesario obtener una medida por unidad de longitud, con el objeto de poder extrapolar los resultados a otros circuitos de diferente extensión.

Claramente podemos observar que las proporciones prácticamente se mantienen como en el caso del estudio del consumo. En cuanto al Factor de Emisión de CO2 para un estilo de conducción normal se tienen 308,15 g/km, reduciéndose un 7,45% si se opta por una conducción suave, con 286,78 g/km emitidos. Por su parte, con una conducción agresiva, con un Factor de Emisión de 378,15 g/km las emisiones de CO2 se incrementan en un 21,75% con respecto a la conducción normal y en un 31,86% con respecto a la conducción suave. Estos valores sobrepasan de manera clara el límite de 130 g/km impuesto por ACEA, aunque es necesario recordar que este límite no se aplica a un solo modelo sino a toda la gama de cada fabricante, cuyas emisiones medias entre todos los modelos fabricados debe estar por debajo de dicho límite.

Por otro lado, es necesario comparar también las emisiones de CO según el modo de conducción. En este caso, al ser menos cuantiosas se medirán en mg. Al contrario de lo que sucede en el consumo y en las emisiones de CO2, que siguen un mismo patrón y aumentan para un grado de conducción más agresivo, con el CO no sucede esto. En esta ocasión se observa claramente y dentro de los primeros 500 metros, que el CO emitido en conducción normal se dispara y se aleja mucho del registrado en conducción suave y agresiva.

Figura 6.4 Factores de Emisión de CO2 según el estilo de conducción



Figura 6.5 Emisiones de CO acumuladas según el estilo de conducción

Como es lógico, al calcular los Factores de Emisión (mg/km) esta tendencia se ve reflejada. En el caso de la conducción normal, se tiene un FE de 1162,56 mg/km, que comparado con el calculado en conducción suave, 756,12 mg/km, y en conducción agresiva, 801,53 mg/km, supone un aumento del 53,75% con respecto al primero y del 45,04% con respecto al segundo. Estos valores se encuentran fuera de los límites establecidos por la norma Euro6, que fija el límite en 500 mg/km.

Estos resultados obedecen a la razón de que las emisiones de CO de un vehículo no dependen del estilo de conducción, por lo que los resultados obtenidos sirven para corroborarlo.

Figura 6.6 Factores de Emisión de CO según el estilo de conducción



6.2 Comparación de consumo y emisiones según la temperatura al arranque

El segundo estudio realizado consiste en comparar el consumo y las emisiones de CO2 y CO con el vehículo en dos situaciones distintas: en primer lugar arrancando el motor en frío (a temperatura ambiente) y en segundo lugar a alta temperatura para analizar la respuesta ante esta variación. A continuación se muestran las gráficas que incluyen la evolución de las temperaturas de los gases de escape y del agua del motor. Evidentemente este ensayo depende de la variación en la temperatura del agua.

Figura 6.7 Evolución de temperatura en arranque en caliente

Figura 6.8 Evolución de temperatura en arranque en caliente

Como se puede apreciar, en el caso del arranque en caliente, la temperatura oscila entre los 85º y los 100º mientras que en el caso del arranque en frío, se tiene una temperatura inicial de 33º para acabar en 87º.

6.2.1 Consumo acumulado y factor de consumo

En cuanto a la influencia de este factor exógeno en el consumo de combustible, se ve reflejado claramente en la gráfica adjunta que ésta es pequeña. De hecho, en el consumo acumulado por unidad de longitud prácticamente no se aprecia diferencia entre motor caliente y motor frío.



Figura 6.9 Consumo acumulado según la temperatura al arranque

Esta situación, no obstante, se traduce en un Factor de Consumo algo mayor en el ensayo con arranque en frío, que frente a los 10,83 L/100 km del ensayo de arranque en caliente registra un consumo de 11,27 L/100km, es decir algo mayor.

Figura 6.10 Factor de Consumo según temperatura al arranque

6.2.2 Emisiones acumuladas y factor de emisión

Las emisiones de CO2 registradas según la temperatura al arranque también presentan cierta igualdad. Finalmente la medida en gramos obtenida en el arranque en frío es superior a la obtenida en caliente.



Figura 6.11 Emisiones de CO2 acumuladas según la temperatura al arranque

La diferencia mencionada entre ambas curvas se plasma en el Factor de Emisión obtenido. Por un lado se tiene un FE de 308,15 g/km en el ensayo con arranque en caliente, mientras que en el arranque en frío se registra un FE de 363,74 g/km, lo que supone un 18% más de emisiones, siendo equiparable el FE obtenido en un ensayo con conducción agresiva.

El estudio de las emisiones según la temperatura en el arranque experimenta su principal diferencia al evaluar el Factor de Emisión de CO. Si se observa la gráfica de emisiones acumuladas en miligramos, se distingue sin problema la curva de arranque en frío muy por encima de la de arranque en caliente.

Figura 6.12 Factores de Emisión de CO2 según la temperatura al arranque



Figura 6.13 Emisiones de CO acumuladas según la temperatura al arranque

Es necesario mencionar que el Factor de Emisión obtenido en el arranque en caliente también es elevado, puesto que la temperatura al inicio del ensayo fue de 85ºC, incrementándose hasta los 100ºC al final del mismo. Esto se debió a que el ensayo con arranque en caliente se realizó justo después de una pequeña parada por problemas técnicos. Por tanto, es de esperar que el Factor de Emisión con arranque en caliente fuera aún más bajo en caso de haber podido iniciar el ensayo con el motor a 100ºC.

Figura 6.14 Factores de Emisión de CO según la temperatura al arranque

Aun así, la diferencia en las emisiones registradas en ambas condiciones es considerable, ya que se obtiene un 49,57% más de CO en el caso de arranque con el motor a temperatura ambiente. Como ocurre en el caso del estudio según el estilo de conducción, en esta ocasión también se sobrepasa, y en concreto se duplica el límite impuesto por la normativa Euro6, de 500 mg/km de CO.



6.3 Estudio de la influencia de la pendiente en el consumo y las emisiones de CO2 y CO

El tercer factor exógeno que se ha evaluado está relacionado con las características de la vía, y es la variación de la pendiente durante el recorrido. De forma intuitiva se sabe que el consumo será mayor en pendientes ascendentes pronunciadas y menor en pendientes descendentes, pero este estudio pretende revelar el verdadero impacto de este factor en el consumo y en las emisiones.

El circuito realizado en los ensayos anteriormente descrito, tiene una distribución de pendientes muy variada. Estas pendientes son mayoritariamente ascendentes al inicio del recorrido y descendentes a la conclusión.

Figura 6.15 Pendientes del circuito con respecto a la distancia recorrida

Como puede observarse, la distribución de pendientes es muy homogénea, por lo que se tiene un trazado muy variado en el que se puede realizar perfectamente un ensayo de este tipo. Para realizarlo, se han tomado en primer lugar las pendientes de más del 2% de inclinación y de menos del -2%. Tras analizar el consumo y las emisiones según dichos criterios, se han tomado pendientes más acusadas, en este caso las mayores del 4% y las menores del -4%.

La distribución de las pendientes puede observarse con más detalle en el gráfico adjunto. En él se advierte que la cantidad de rampas mayores del 2% de inclinación es muy parecida a la de rampas de menos del -2%. Sin embargo, esta distribución no se mantiene cuando la pendiente se aumenta al 4% y -4% respectivamente, duplicando el número de rampas descendentes al de ascendentes.

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0

0,0

63

0,1

28

0,2

8

0,4

44

0,5

49

0,7

7

0,8

85

1,1

91

1,5

14

1,8

58

1,9

7

2,0

47

2,2

44

2,4

67

2,6

92

2,7

53

2,9

71

3,1

62

3,4

09

3,5

98

3,7

84

3,8

4

3,8

62

3,9

02

4,0

17

4,3

11

4,5

43

4,6

49

4,8

34

4,9

42

5,0

41

5,0

8

Pen

die

nte

(%

)


Pendiente



Como en los estudios anteriores, se comienza estudiando el impacto del factor analizado en el consumo. En este caso no tendría sentido reflejar el consumo acumulado con la distancia recorrida como abscisa puesto que, como refleja el gráfico anterior, los tramos no tienen la misma longitud. Se procede pues, directamente a calcular el Factor de Consumo en cada tramo y los resultados son muy claros. Es necesario señalar que el FC medido en el recorrido con pendientes cercanas a 0% es de 11,69 L/100 km de modo que se pueda evaluar correctamente la manera en que cambia dicho factor según la pendiente. Con los datos obtenidos se observa perfectamente que la variación en el consumo realizado por el vehículo si se compara en terreno llano con pendientes a partir del 2% ascendentes y descendentes es de un 26,01% mayor en el primer caso y un 33,88% menor en el segundo.

Cuando las pendientes evaluadas son algo más pronunciadas, evidentemente el cambio es algo más marcado. Se tiene un aumento del consumo del 45,68% en el caso de pendientes ascendentes mayores del 4%, en comparación con el obtenido en terrenos llanos. Por su parte, en rampas descendentes con pendientes más allá del -4% se consume un 42,51% menos.

Figura 6.16 Distribución de pendientes en el circuito urbano



También resulta interesante realizar una comparación entre los valores medidos con pendientes ascendentes y descendentes. En este sentido, el aumento del consumo se dispara en un 90,56% cuando la inclinación cambia de un -2% a un 2%. Evidentemente, si las condiciones se extreman aún más se tiene un aumento del consumo del 153%, pasando de un -4% a un 4% de pendiente.

Posteriormente se evalúa la influencia de la pendiente en las emisiones de CO2, y de nuevo los valores obtenidos son bastante coherentes en relación con los resultados obtenidos en el estudio del consumo. No obstante, las diferencias parecen incrementarse puesto que, por citar un ejemplo, las emisiones de CO2 se incrementan en un 60,83% al pasar de terreno llano a pendientes mayores del 4%.

Figura 6.18 Factor de Emisión de CO2 según la pendiente

Figura 6.17 Factor de Consumo según la pendiente



En lo referente al Factor de Emisión de CO, se observa una subida entre las emisiones registradas con pendientes pronunciadas ascendentes con respecto al resto de situaciones. Si bien esta diferencia es palpable, hay que mencionar que dentro de las pendientes ascendentes los resultados son prácticamente idénticos entre ambas posibilidades, ocurriendo lo mismo entre el resto de inclinaciones.

Figura 6.19 Factor de Emisión de CO según pendiente

7. VALORACIONES Y CONCLUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS OBTENIDOS


7 VALORACIONES Y CONCLUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

En este apartado se va a desarrollar una reflexión sobre el Trabajo Fin de Grado realizado. Una vez conseguido el objetivo de realizar el estudio de la influencia de tres factores exógenos muy importantes como son el estilo de conducción, la temperatura del motor en el arranque o la pendiente de la vía, se han expuesto los análisis realizados en puntos anteriores y se ha llegado a las siguiente conclusiones:

En lo relativo al impacto del estilo de conducción, se observa que éste es muy importante en el consumo experimentado por el vehículo. Además, la influencia de este factor en el consumo es muy notoria cuando se pasa de un estilo suave o normal a un modo agresivo de conducción y viceversa. En cuanto al CO2 emitido, este sigue la línea del consumo por lo que la conclusión es idéntica. No ocurre lo mismo con la medida de las emisiones de CO, puesto que esta no depende del estilo de conducción. Por tanto la presencia de mayor Factor de Emisión de CO en el estilo de conducción normal no se debe a la realización de dicho estilo de conducción sino al hecho de que al comienzo de este ensayo la temperatura del motor era 15ºC menor que en los otros dos estilos. Para plasmar de manera más clara la variación del Factor de Emisión y del Factor de Consumo de CO2 cuando se parte de un estilo de conducción (en azul) y se adapta otro (en verde) se adjuntan las siguientes tablas. Las correspondencias no son recíprocas puesto que el porcentaje se realiza en base al estilo de conducción considerado inicial (en azul), para cuantificar el aumento o disminución de consumo o emisiones a partir de dicho estado. Como ya se ha comentado, las emisiones de CO no tienen relación con el estilo de conducción como reflejan los estudios realizados, y por tanto no se ha elaborado dicha tabla para la variación de su Factor de Emisión.

Tabla 16. Variación porcentual del Factor de Consumo entre dos estilos de conducción

Conducción Suave Conducción Normal Conducción Agresiva

Conducción Suave - 13,28% 43,93%

Conducción Normal -11,73% - 27,05%

Conducción Agresiva -30,52% -21,29% -

Tabla 17. Variación porcentual del Factor de Emisión de CO2 entre dos estilos de conducción

Conducción Suave Conducción Normal Conducción Agresiva

Conducción Suave - 7,45% 30,83%

Conducción Normal -6,94% - 21,75%

Conducción Agresiva -23,56% -17,87% -

De esta manera se puede observar que el cambio que experimenta un mayor aumento del consumo es de suave a agresivo, con un 43,93%.



Con la temperatura en el arranque también se pueden establecer conclusiones claras acerca de las distintas variables estudiadas. La diferencia más evidente entre ambas condiciones de ensayo se encuentra en la cantidad de CO registrado, siendo éste un 49,57% mayor cuando el arranque del ensayo se realiza en frío. Esta diferencia tan acusada se debe a que el vehículo empleado consta de un catalizador de oxidación de platino, que transforma gran parte del monóxido de carbono en dióxido de carbono. Este catalizador necesita estar a unos 250ºC para realizar su función de manera satisfactoria, cosa que no ocurre cuando el motor se encuentra a bajas temperaturas. Por otro lado, el consumo y las emisiones de dióxido de carbono toman valores más elevados cuando el ensayo comienza con el motor a una temperatura de unos 35ºC, debido a que éste no ofrece un rendimiento óptimo a esas temperaturas. Además, al haber trabajado con un motor diésel éste tarda más en calentarse que uno de gasolina, por lo que se necesita también más tiempo para alcanzar condiciones óptimas.

Tabla 18. Variación porcentual del Factor de Consumo según temperatura al arranque

Arranque en frío Arranque en caliente

Arranque en frío - -3,90%

Arranque en caliente 4,06% -

Tabla 19. Variación porcentual del Factor de Emisión de CO2 según temperatura al arranque




Tabla 20.4 Variación porcentual del Factor de Emisión de CO según temperatura al arranque




La importancia del factor pendiente también ha dado resultados interesantes. Se ha podido comprobar la dependencia del consumo y de las emisiones de CO2 bajo estas condiciones, registrándose unas variaciones de entre el 26,01% y el 45,68% con respecto a los Factores de Consumo y de Emisión en terrenos mayoritariamente llanos. Si la comparación se realiza entre los valores extremos de pendiente, evidentemente el incremento en Factor de Consumo y de Emisión es aún más notorio, llegando a consumir un 153,42% más de combustible si se pasa de una pendiente del -4% a una del 4%. Por su parte, las emisiones de CO también se ven incrementadas para pendientes ascendentes, si bien este factor no tiene tanta influencia en este caso como para otros factores estudiados.

7. VALORACIONES Y CONCLUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS OBTENIDOS


Tabla 21. Variación porcentual del Factor de Consumo según la pendiente

>4% >2% Terreno llano <-2% <-4%

>4% - -13,50% -31,26% -54,61% -60,54%

>2% 15,61% - -20,64% -47,52% -54,38%

Terreno llano 45,68% 26,01% - -33,88% -42,51%

<-2% 120,31% 90,56% 51,23% - -13,07%

<-4% 153,42% 119,20% 73,96% 15,03% -

Tabla 225. Variación porcentual del Factor de Emisión de CO2 según la pendiente

>4% >2% Terreno llano <-2% <-4%

>4% - -16,03% -37,82% -50,66% -52,56%

>2% 19,09% - -25,95% -35,38% -43,50%

Terreno llano 60,83% 35,05% - -12,73% -23,70%

<-2% 84,28% 54,75% 14,59% - -12,57%

<-4% 110,78% 77,00% 31,06% 14,38% -

Tabla 236. Variación porcentual del Factor de Emisión de CO según la pendiente

>4% >2% Terreno llano <-2% <-4%

>4% - -0,64% -26,19% -17,31% -31,20%

>2% 0,65% - -25,72% -16,77% -30,75%

Terreno llano 35,49% 34,62% - 12,04% -6,78%

<-2% 20,93% 20,15% -10,75% - -16,80%

<-4% 45,34% 44,41% 7,27% 20,19% -

Como valoración más general, es necesario hacer referencia a que en los tres tipos de estudios realizados se sobrepasan los límites establecidos, por la norma Euro6 en cuanto a las emisiones de CO, y por la ACEA en cuanto a las emisiones de CO2.

El Factor de Emisión de CO más bajo registrado en el total del trabajo es de 756 mg/km en conducción suave, un 51,2% por encima del límite establecido por la norma Euro6. Por otro lado, en cuanto a las emisiones de CO2, el límite actual establecido por la ACEA establece que la media de los Factores de Emisión de CO2 de toda la gama de vehículos ofertados por un fabricante debe estar por debajo de los 130 g/km. Este límite es sobrepasado en todos os ensayos realizados en este trabajo puesto que el menor valor registrado es 259,02 g/km en conducción en pendiente descendente de inclinación más allá del -4%.



8 LÍNEAS FUTURAS Y CONCLUSIONES SOBRE LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO

8.1 Líneas futuras

Pese a que la experiencia realizando este Trabajo con el equipo Miveco ha sido positiva y satisfactoria, conviene establecer una serie de metas futuras con el objeto de seguir mejorando y que los usuarios futuros de estos equipos vean mejorada su experiencia.

En primer lugar el equipo Miveco necesita una restauración del bloque principal. Los equipos que lo componen funcionan de manera satisfactoria, pero las interconexiones deberían ser saneadas y fijadas puesto que es un equipo muy complejo y un mal movimiento puede provocar una desconexión no deseada y difícil de rectificar debido a la complicada localización. Es por esto que toda la parte electrónica del equipo debería ser aislada de modo que no pueda ser modificada, y eliminado el cable sobrante ya que en ocasiones supone un obstáculo a la hora de trabajar.

Por otro lado, este Trabajo se realizó utilizando el vehículo Peugeot 406 del año 1998 con el objetivo de poner en marcha de nuevo estos equipos, que llevaban un tiempo sin ser utilizados. El objetivo, una vez puesto en marcha, debería ser la medida de emisiones contaminantes y de consumo en vehículos más modernos, con el fin de medir emisiones más cercanas a las normativas actuales.

El estudio de emisiones y consumo mediante equipos embarcados ofrece un amplio abanico de posibilidades en cuanto a estudios a realizar. En este Trabajo se ha estudiado la influencia del estilo de conducción, de la temperatura en el arranque y de la pendiente, pero podrían realizarse en el futuro estudios tan diversos como la influencia de la congestión del tráfico, del número de paradas realizadas con el vehículo y el tiempo de permanencia durante las mismas.

8.2 Conclusiones personales sobre la realización del trabajo

En este apartado he creído conveniente expresarme en primera persona para mostrar la aportación personal que me ha supuesto la realización de este Trabajo. Teniendo en cuenta los objetivos propuestos en el apartado 1.2 de este trabajo, cabe concluir que:

La realización de este Trabajo ha supuesto en mí una nueva forma de trabajar, realizando multitud de tareas prácticas en laboratorio y aprendiendo a desenvolverse en este tipo de ambiente de trabajo.

El objeto de estudio del Trabajo es un tema de referencia actual, por lo que he aprendido a utilizar las destrezas adquiridas durante el Grado para tratar de estudiar problemas reales.

Con la elaboración de esta tarea he podido llevar a cabo trabajos propios del mundo de la ingeniería, aprendiendo a procesar e interpretar datos y a solucionar errores del modelo anterior.

Una vez obtenidos y los datos deseados, los he procesado de manera que se obtuvieran resultados fácilmente interpretables y comparables entre sí.

Con todo ello, finalmente he establecido unas conclusiones e interpretaciones técnicas de los resultados, completando de esta manera los objetivos del Trabajo.

8. LÍNEAS FUTURAS Y CONCLUSIONES SOBRE LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO


9 BIBLIOGRAFÍA

Para la realización del presente proyecto el alumno se ha servido, además de los conocimientos adquiridos durante su etapa en el Grado, de diversas fuentes.

Manual de operación del equipo Miveco PEMS 2.0.

Libro “Motores de combustión interna alternativos” por Prof. F. Payri y Prof. J.M. Desantes.

Apuntes de la asignatura “Motores Térmicos” de 4º curso de Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, especialidad Mecánica.

Tesis Doctoral “Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores. Aplicación al desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real.” por Natalia Elizabeth Fonseca González.

Sitio web del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE): www.idae.es.

Sitio web de la Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles (ACEA): www.acea.be.

Sitio web www.actualidadmotor.com.

Sitio web www.motorgiga.com.

http://www.idae.es/

http://www.acea.be/

http://www.actualidadmotor.com/

http://www.motorgiga.com/



10 ANEXOS

ANEXO I: PRESUPUESTO El presupuesto de este Trabajo Fin de grado incluye las siguientes partidas: recursos humanos y costes materiales.

Recursos humanos

En este apartado hay que tener en cuenta la dedicación del alumno y del tutor del Trabajo. Para contabilizar la dedicación del alumno se va a partir de un sueldo medio de 15€/hora, mientras que el sueldo del tutor se va a establecer en 31€/hora. Dentro del sueldo del alumno se han contabilizado los costes indirectos asociados a las actividades realizadas en el Laboratorio, esto es, amortización de los equipos utilizados, amortización del vehículo y utilización del programa LabView. Así, se tienen los resultados reflejados en la tabla adjunta. Además, hay que tener en cuenta que, al tratarse de un trabajo de laboratorio, los empleados han ayudado en varias ocasiones en la realización del Trabajo para diversas tareas.

Tabla 24. Coste relativo a Recursos Humanos

Horas de trabajo (h)

Coste unitario

(€/h)

Total (€)

Ingeniero Júnior 320 15,00 4.800,00 Ingeniero Sénior 31 30,00 930,00

Técnicos Laboratorio 35 22,00 770,00

6.500,00 €

Costes materiales

En el presente Trabajo se ha hecho uso de muchos materiales que han ayudado a la realización de este, siendo algunos de ellos imprescindibles, al tratarse de recambios de piezas importantes. A continuación se muestra una tabla con la relación de estos materiales con su coste.

Tabla 25. Coste relativo a Recursos Materiales

Coste unit. (€/ud)

Unidades

Total (€)

Racores M1/4 1,87 20 37,40 Uniones racor hembra-hembra 4,70 17 79,90

Uniones racor en T 5,94 6 35,64 Tubería de silicona (1m) 6,26 16 100,16

Decantador 15,00 1 15,00 Botella de calibración de nitrógeno 162,00 1 162,00

Conector 1 equipo Maha 6,00 1 6,00 Conector 2 equipo Maha 32,00 1 32,00

Sensor Horiba 1.800,00 1 1.800,00 Sonda Lambda Etas 40,00 1 40,00 Anclaje de bicicletas 50,00 1 50,00

2.358,10 €

10. ANEXOS


Costes totales

La suma de los costes de recursos humanos y materiales forman los costes totales del Trabajo Fin de Grado. La suma total asciende a 8.858,10 €.



ANEXO II: Problemas encontrados en los equipos y soluciones

Problemas con los tubos

Antes de la realización de este trabajo, dichas conexiones eran de un material plástico muy rígido, que apenas permitía curvatura y llegaba a doblarse, estrangulando así el flujo de gases. La rigidez del material también creaba dificultades a la hora de conectar y desconectar la tubería al racor ya que, al no deformarse, no creaba la suficiente estanqueidad para impedir la fuga del gas.

Estos defectos han sido corregidos con el empleo de tuberías de silicona, que permite curvaturas muy pronunciadas sin apenas afectar al caudal de gases y facilita la conexión y desconexión segura y rápida de las tuberías, asegurando gran estanqueidad.

La compra de la tubería de silicona se efectuó finalmente en el proveedor Arpival, y se adquirieron 16 metros de longitud de la misma.

Problemas con los racores

De la misma manera, en el modelo anterior se empleaban racores de conexión rápida, que trabajan bien cuando los gases presentes están sometidos a alta presión ya que tienden a presionar la conexión y a mantenerla hermética. Sin embargo, este no era el sistema idóneo para el Miveco PEMS 2.0 ya que en él los gases trabajan a baja presión, por lo que la conexión se encontraba suelta y ofrecía pocas garantías.

La solución para este problema ha sido el empleo de racores de conexión neumática a rosca. La gran ventaja que presentan es la forma cónica de su conector neumático, que unida a la elasticidad del tubo de silicona garantiza una gran estanqueidad. La adquisición de los mencionados racores supuso un proceso de identificación de todas las conexiones del equipo y una posterior búsqueda en el mercado de conectores con la métrica especificada, que llevó varias semanas. Finalmente se encontraron los racores deseados en Hidráulica Carrera S.L.

Problemas con las conexiones eléctricas

Otra de las áreas en las que se han realizado algunas reparaciones ha sido en las conexiones eléctricas de los equipos. Pese a que entre los objetos de este proyecto no se encontraba el de realizar ninguna modificación de los equipos en el ámbito eléctrico, en alguna ocasión ha sido necesario realizar reparaciones de cables rotos, así como de cables sueltos que necesitaban ser de nuevo correctamente ubicados.

Problemas con el Peltier

El enfriador de la línea Sensors o Peltier ha sido uno de los equipos que más reparaciones ha necesitado. Desde un primer momento se informó de que existían dudas acerca del correcto funcionamiento de este equipo.

El Peltier, como es sabido, es un enfriador que se ubica antes del equipo de medida de NO y NO2 (Sensors) para eliminar el vapor de agua existente en los gases de escape por decantación. La temperatura de entrada al Peltier es de aproximadamente 90ºC y es tarea de este enfriador bajar dicha temperatura a 5ºC.

10. ANEXOS


Para comprobar su correcto funcionamiento se realizaron varios procedimientos:

1. Puesta en funcionamiento con motor Nissan

En un primer momento se quiso comprobar en una situación de ensayo general el funcionamiento del Peltier. Se conectó el MIVECO PEMS 2.0 a un motor Nissan y se midió con un termopar la temperatura de entrada al Peltier y la temperatura de salida, obteniéndose un resultado no satisfactorio ya que se registró una temperatura de 30ºC.

2. Puesta en funcionamiento de manera aislada

Tras comprobar que el funcionamiento no era el exigido, se decidió comprobar de nuevo el funcionamiento aislando esta vez el enfriador. En esta ocasión la corriente de gas de entrada se introdujo mediante un secador de pelo, que suministraba aire a 70-80ºC. El resultado fue casi idéntico ya que la temperatura registrada fue de 20ºC, aún lejos de los 5ºC requeridos.

Figura A2.1 Comprobación de la temperatura de salida del Peltier mediante termopar

3. Desmontaje del equipo

Se procedió entonces a la retirada de la carcasa que cubre al equipo para poder encontrar algún defecto evidente mediante examen visual. Tras ello, se detectó que el tubo por el que circulaba el agua decantada estaba a rebosar y debía ser vaciado de manera que el decantador admitiese más agua y esta no tomara el camino del resto de gases, haciendo inservible este elemento.

4. Puesta en funcionamiento con motor CFR

Para dejar resuelto definitivamente este problema, se realizó una comprobación final con los gases de salida de un motor CFR12, que al ser más húmedos evidenciaban más fácilmente el buen o mal funcionamiento del Peltier. La temperatura registrada a la salida del enfriador en esta ocasión fue de entre 10ºC y 13ºC, no alcanzándose así la temperatura deseada de 5ºC. No obstante, se observó una constante salida de gotas de agua decantadas por el tubo destinado a la evacuación de las mismas, por lo que la aportación del Peltier se dio por buena ya que lo primordial es extraer el vapor de agua.

5. Adición de un decantador a la salida del Peltier

Ante la poca certeza que existía de que el Peltier realmente realizaba su función, se decidió colocar un decantador a la salida del mismo con el objeto de potenciar la eliminación de agua del gas, evitando así que éste entrara húmedo al equipo Sensors.

12 Cooperative Fuel Research



Problemas con el equipo de medida de hidrocarburos (ThermoFid)

El equipo MIVECO PEMS 2.0 cuenta, además de con los subequipos descritos anteriormente, con un equipo de medida de hidrocarburos que en un principio se iba a utilizar como parte del proyecto, pero finalmente se desestimó la posibilidad debido a que es un equipo que necesita mucha energía (prácticamente obligaría a añadir otra batería) y desprende mucho calor.

Problemas con el equipo de medida de CO y CO2 (Signal)

En lo que se refiere al equipo Signal, éste ha tenido varios fallos durante la realización del proyecto.

1. Problemas para calibrar el equipo de medida de CO2

El mayor problema que se tuvo a la hora de utilizar el equipo fue durante la calibración, y es que, cuando se trataba de calibrar el 0% de CO2 mediante la introducción de nitrógeno al equipo, la electroválvula encargada de dar paso a dicho gas no se abría, por lo que resultaba imposible llevar a cabo dicho proceso. Se procedió a la apertura del equipo y extracción de la electroválvula para ser limpiada por dentro, tras lo cual se comprobó que su muelle era de diferente longitud al del resto de electroválvulas, por lo que se corrigió y se solucionó el problema.

2. Fuga de gas

También se detectó una fuga interna en el equipo Signal en un conducto de N2, causa por la cual se había producido un gasto desmedido de la botella de nitrógeno de la que se dispone, cuyas causas se desconocían hasta entonces.

Problemas con la sonda Lambda

En la realización del ensayo con el motor al ralentí se observó que los valores de dosado medidos por el sensor ETAS no eran coherentes. Este sensor es cambiado con asiduidad con lo que, tras ser reemplazado, las mediciones realizadas a posteriori corroboraron que era necesario su cambio.

Problemas con las baterías

Para alimentar al equipo dentro del vehículo en principio se dispone de dos baterías que son muy pesadas por lo que su transporte resulta complejo. Se dispone para reemplazarlas de un grupo electrógeno más ligero, aunque más ruidoso. Tras sopesar las dos alternativas y debido al no uso del ThermoFid, se decide usar únicamente una batería en los ensayos.

Anclaje

En este Trabajo se decidió sustituir el antiguo sistema de ventosas utilizado en proyectos previos por un anclaje homologado para bicicletas.

Figura A2.2 Anclaje portabicicletas instalado en el vehículo

Optimización del sistema de medida de emisiones portátil Miveco...

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