Evaluación del Rendimiento de Combustible y Caracterización de Emisiones del Civic Híbrido y su Contraparte de Combustión Interna -Edición Única

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Monterrey, Nuevo León a

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

PRESENTE.-Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra denominada

de 200

Nombre y Firma AUTOR (A)

en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que Efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución, distribución pública y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO, dentro del círculo de la comunidad del Tecnológico de Monterrey.

El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.

De la misma manera, manifiesto que el contenido académico, literario, la edición y en general cualquier parte de LA OBRA son de mi entera esponsabilidad, por lo que deslindo a EL INSTITUTO por cualquier violación a os derechos de autor y/o propiedad intelectual y/o cualquier responsabilidad

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Evaluación del Rendimiento de Combustible y Caracterización

de Emisiones del Civic Híbrido y su Contraparte de Combustión

Interna -Edición Única

Title Evaluación del Rendimiento de Combustible y Caracterización de Emisiones del Civic Híbrido y su Contraparte de Combustión Interna -Edición Única Authors Hilda Lizette Menchaca Torre

Affiliation Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey Issue Date 2008-11-01

Item type Tesis

Rights Open Access

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO DE COMBUSTIBLE Y CARACTERIZACIÓN DE EMISIONES DEL CIVIC HÍBRIDO Y SU

CONTRAPARTE DE COMBUSTIÓN INTERNA

TESIS

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS

ESPECIALIDAD EN SISTEMAS AMBIENTALES

POR:

HILDA LIZETTE MENCHACA TORRE

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AGRADECIMIENTOS

A Honda de México SA de CV por haber cedido en comodato el Civic Híbrido IMA 2006 al Tecnológico de Monterrey, el cual fue empleado durante esta investigación.

A la Cátedra de Calidad del Aire por el patrocinio brindado a este estudio.

A la familia Garza Romero por el préstamo del Civic de combustión interna al cual se le realizó la caracterización de emisiones.

Al Dr. Alberto Mendoza por toda su ayuda, consejos y paciencia a lo largo del estudio de mi maestría.

A mis Papás por ser una fuente de sabiduría, apoyo y sobretodo amor toda la vida.

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

Los miembros del comité de tesis recomiendan que el presente proyecto de tesis presentado por la Ing. Hilda Lizette Menchaca Torre sea aceptado como requisito parcial para obtener el grado académico de:

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN SISTEMAS AMBIENTALES

Comité de tesis

______________________ Alberto Mendoza Domínguez, Ph. D.

Asesor

_______________________________ _______________________________ Gerardo Mejía V., Ph. D. Vicente Garza R., Ph. D.

Sinodal Sinodal

APROBADA

_____________________________ Joaquín Acevedo Mascarúa, Ph. D.

Director del Programa de Graduados en Ingeniería

(6)

ÍNDICE

ÍNDICE i

ÍNDICE DE FIGURAS iv

ÍNDICE DE TABLAS vi

RESUMEN vii

CAPÍTULO 1: Introducción 1

1.1 Contaminación del aire 1

1.2 Vehículos de combustión interna y sus efectos adversos 3

1.3 Automóviles híbridos 7

1.4 Objetivo general 9

1.5 Objetivos específicos 10

1.6 Alcance 10

1.7 Justificación 11

1.8 Distribución de la tesis 11

CAPÍTULO 2: Antecedentes 13

2.1 Evaluación del desempeño de vehiculo automotor 13

2.2 Rendimiento de combustible 15

2.2.1 Normatividad y avances en el rendimiento de combustible 15 2.2.2 Efectos de diversas variables 17

2.2.3 Efectos del conductor 19

2.3 Equipos de medición 19

2.3.1 Métodos para la medición de emisiones 19

2.3.2 Analizadores fijos 20

2.3.3 Analizadores móviles 20

2.4 Caracterización de emisiones de ignición 21

2.4.1 Ignición en frío 22

2.4.2 Ignición en caliente 22

2.5 Caracterización de emisiones 23 2.5.1 Caracterización de emisiones en tránsito 23

2.5.1.1 Ciclos de manejo 24

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CAPÍTULO 3: Metodología 27 3.1 Metodología de medición del rendimiento de combustible 27 3.1.1 Rendimiento por carga de combustible al tanque 27 3.1.2 Rendimiento por la información de la computadora de viaje 29 3.2 Equipo para el análisis de gases de combustión 29 3.2.1 Descripción del equipo de medición 29

3.2.2 Funcionamiento 31

3.3 Metodología de muestro de emisiones 32

3.3.1 Ignición en frío 32

3.3.2 Ignición en caliente 33

3.3.3 Emisiones en condiciones de manejo real 33 3.3.4 Emisiones en condiciones controladas 36 3.4 Períodos de monitoreo de los vehículos 36 3.4.1 Rendimiento de combustible 36 3.4.2 Emisiones contaminantes del vehículo 36

3.5 Análisis estadístico 37

3.5.1 Rendimiento de combustible 37

3.5.2 Monitoreo de emisiones 38

3.6 Cálculo del impacto ambiental 40 CAPÍTULO 4: Resultados y discusión 42

4.1 Rendimiento de combustible 42

4.1.1 Por la información de la computadora de viaje 42 4.1.2 De distintos conductores, con rutas fijas, en el CH 43 4.1.3 Cargas del tanque de combustible 44

4.1.4 Comparación con CCI 45

4.2 Caracterización de emisiones 46

4.2.1 Ignición en frío 46

4.2.1.1 Observación general de los datos 46 4.2.1.2 Relación del CO y HC 48

4.2.1.3 Relación del CO2 y O2 49

4.2.1.4 Emisión másica total de los contaminantes 51

4.2.2 Ignición en caliente 51

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4.2.2.2 Relación del CO y HC para CH 52 4.2.2.3 Relación del CO2 y O2 54 4.2.2.4 Emisión másica total de los contaminantes 55

4.2.3 Condiciones controladas 56

4.2.3.1 Paradas frecuentes 56

4.2.3.1.1 Relación del CO2 y O2 56

4.2.3.1.2 Otros compuestos contaminantes 57 4.2.3.2 Velocidades menores a 60 kph 58

4.2.4 Ciclo de manejo 59

4.2.4.1 Observación general 59 4.2.4.2 Emisiones durante el ciclo de manejo 61

4.2.4.2.1 Relación del CO2 y O2 61

4.2.4.2.2 Emisión de los gases de combustión 61 4.2.4.2.3 Razones de emisión HC/combustibles

y HC/CO 63

4.2.5 Carretera 64

4.2.5.1 Observación general 64

4.2.5.2 Relación del CO2 y O2 64

4.2.5.3 Emisión de los gases de combustión 64 4.3 Comparación con otros estudios 65 4.4 Disminución en la contaminación 65 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones 67

5.1 Conclusiones 67

5.2 Recomendaciones 69

BIBLIOGRAFÍA 70

ANEXO 1 77

ANEXO 2 80

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Ciclo de combustión interna 3

Figura 2. Arreglo funcional del automóvil híbrido en paralelo

(Zykov et al., 2004) 8

Figura 3. Diagrama de la metodología 27

Figura 4. Analizador de gases Snap-on© 30

Figura 5. Ruta para la medición de emisiones en condiciones Reales. Rojo para paradas frecuentes, amarillo para

V<60kph y verde para vía rápida. 34 Figura 6. Mapa de la autopista al aeropuerto Mariano Escobedo 40 Figura 7. Emisiones de ignición en frío durante la prueba del

4 de febrero de 2007 (CH). CO2 (%), CO (%)×100,

HC (ppm), O2 (%) y NOx (ppm) 47

Figura 8. Relación entre HC y CO durante las igniciones en

frío (CH, CCI) 48

Figura 9. Relación CO2 y O2 para CH (panel superior) y CCI

(panel inferior) 50

Figura 10. Emisiones de ignición en caliente para la prueba del 10 de febrero 2007 para CH. CO2 (%),

CO (%)×1000, HC (ppm)×6, O2 (%). 52

Figura 11. Relación HC y CO durante las igniciones en caliente 53 Figura 12. Relación del CO2 y O2 durante las igniciones en

caliente; CH en el panel superior y CCI en el panel

inferior 54 Figura 13. Emisiones durante paradas frecuentes para CH

(panel superior) y CCI (panel inferior). 57 Figura 14. Emisiones en paradas frecuentes del 27 de marzo

de 2007. CO2 (%), O2 (%), NOx (ppm)×2 58

Figura 15. Emisiones durante pruebas controladas a V < 60 kph. Para el CH (panel superior), CO2 (%), O2 (%) y HC

(10)

HC (ppm), CO (%×10) 59 Figura 16. Emisiones de prueba del ciclo de manejo. CH, panel

superior, CO2 (%), O2 (%), NOx(ppm), HC (ppm),

(11)

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Composición del aire atmosférico seco (Wark, 1998) 2

Tabla 2. Límites máximos permisibles 14

Tabla 3. Datos de los vehículos de combustión interna utilizados

en el estudio 28

Tabla 4. Rangos y precisión de los resultados 31 Tabla 5. Ciclo de manejo en la ciudad de Monterrey 35 Tabla 6. Rendimiento de combustible bajo diversas condiciones

de manejo para el CH 43

Tabla 7. Rendimientos promedio para distintos conductores

en el CH 44

Tabla 8. Relación CO2-O2 para las igniciones en frío 50

Tabla 9. Emisión en masa de los cinco compuestos en los

gases de combustión (g/min) 51

Tabla 10. Relaciones CO2-O2 para las igniciones en caliente 55

Tabla 11. Emisión másica total durante las medidas de ignición

en caliente (g/min) 56

Tabla 12. Relación CO2-O2 durante el ciclo de manejo 61

Tabla 13. Emisión (g/km) de los compuestos contaminantes

durante el ciclo de manejo 62

Tabla 14. Razones de emisión 63

Tabla 15. Emisión de los compuestos contaminantes (g/km) 64 Tabla 16. Emisiones del Civic Híbrido, Honda Insight y Toyota Prius 65 Tabla 17. Disminución porcentual en la contaminación al

sustituir los vehículos de combustión interna, por

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RESUMEN

En el presente proyecto se llevó acabo un estudio comparativo entre el comportamiento del Civic Híbrido (CH) y la versión del mismo vehículo en su versión de combustión interna (CCI), en Monterrey, México pues se carece de información sobre el mismo en este país. Para ello, se realizaron pruebas de rendimiento de combustible y de caracterización de emisiones de los compuestos CO2, CO, HC y NOx para igniciones en frío, en caliente y en condiciones de manejo reales.

Para el CH se encontró un rendimiento de 16.5 km/L de combustible, combinando ciudad y carretera. Además, se encontró una diferencia significativa, según información proporcionada por su computadora de viaje, para diversas condiciones de manejo. Por ejemplo, el rendimiento es mayor conduciendo: sin aire acondicionado (15.6 km/L), en tránsito fluido (14.8 km/L) y en carretera (15.8 km/L) que con aire acondicionado (14.1 km/L), paradas frecuentes (12.5 km/L) y en ciudad (14.4 km/L), respectivamente. En comparación, CCI tuvo un rendimiento en ciudad de 11.1 km/L, encontrándose una diferencia significativa entre ambos.

Para la caracterización de emisiones, se encontró que la generación de productos contaminantes es mayor 6.8% para CO2 y 82% para CO en ignición en frío que en ignición en caliente. Además, durante las igniciones en caliente no se generaron NOx. Aunado a lo anterior, las emisiones durante ambos tipos de ignición fueron significativamente mayores para CCI.

Para la caracterización de emisiones se realizó la conducción de ambos vehículos por el mismo circuito que contó con: paradas frecuentes, velocidades menores a 60 kph, velocidades mayores a 80 kph y carretera. En cada uno de los casos de manejo en ciudad las emisiones del CH fueron significativamente menores que las de CCI, siendo que la menor producción de contaminación se dio al conducir CH en condiciones de tránsito real con paradas frecuentes, esto debido a que el motor del híbrido se apaga al estar en alto total. En total, los factores de emisión para todo el ciclo de manejo fue para CH CO2 (65.2 g/km), CO (2.8×10-4 g/km), HC (6.0×10-7

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encontró: CO2 (143.1 g/km), CO (1.5×10-3 g/km), HC (7.6×10-4 g/km) y NOx

(1.4×10-3g/km). Para el caso de carretera, las diferencias no fueron significativas.

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Capítulo 1: Introducción___________________________________________

1.1CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Día a día, los seres humanos generan una gran cantidad de desperdicios y emisiones las cuales provocan cambios en el medio ambiente que habitan. La contaminación del aire, un tema de antaño, cada vez cobra más importancia a nivel mundial.

El término contaminación atmosférica se define como la presencia de concentraciones de compuestos cuya permanencia en la misma es lo suficientemente prolongado como para dañar la vida humana, animal y vegetal. Los distintos compuestos son denominados contaminantes y pueden ser de origen natural, como las emisiones volcánicas, o de origen antropogénico (Wark, 1998).

En ocasiones, el aumento en las concentraciones de distintos contaminantes generados por el hombre en la atmósfera han sido tan bruscos que los gobiernos se han visto en la necesidad de promover leyes para disminuir la producción de agentes contaminantes. Por ejemplo, en 1956, unos años después de la muerte de 4,000 londinenses por la bruma provocada por la quema de carbón, el parlamento inglés prohibió mediante el Clean Air Act la quema de carbón como

medio de calor en los hogares (ACE, 2000).

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Tabla 1. Composición del aire atmosférico seco (Wark, 1998). Sustancia Volumen (%) Concentración (ppm)

Nitrógeno 78.083±0.004 780,900

Oxígeno 20.946±0.002 209,400

Argón 0.934±0.001 9300

Dióxido de carbono 0.033±0.001 315

Neón 18

Helio 5.2

Metano 1.2

Criptón 0.5

Hidrógeno 0.5

Xenón 0.08

Dióxido de nitrógeno 0.02

Ozono 0.01−0.14

Los compuestos que se añaden directamente a la atmósfera por actividades antropogénicas se conocen como contaminantes primarios pues son emitidos por una fuente directamente al aire. Posteriormente, estos compuestos reaccionan con el oxígeno o vapor de agua contenidos en la atmósfera y forman productos conocidos como contaminantes secundarios (Seinfeld y Pandis, 1998).

Un ejemplo de contaminante primario es el NO2, uno de los compuestos que

forman parte de los NOx. El compuesto reacciona con oxígeno en presencia de luz

ultravioleta para formar ozono atmosférico, un contaminante secundario (Seinfeld y Pandis, 1998). En ocasiones, los contaminantes primarios permanecen por un tiempo prolongado en el ambiente generando daños graves a la atmósfera antes de volverse inertes o removerse de la misma por procesos de depositación.

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energía a partir de la combustión. Mientras que el sector transporte está compuesto por vehículos de combustión interna. Estos últimos son muy importantes en el estudio de la contaminación atmosférica dado el uso intensivo de los mismos en el mundo de hoy.

Los efectos negativos del uso de vehículos se deben a las emisiones generadas al producir la energía para moverlos mediante combustión. Esta reacción química se lleva acabo oxidando un combustible como gasolina, diesel, gas natural, entre otros con un comburente, oxígeno. Al haber una combustión completa, el hidrógeno y carbono se combinan con oxígeno produciendo vapor de agua y CO2.

En ocasiones los combustibles están contaminados con azufre por lo que se producen SOx(SO2 y SO3). Además, ocurren reacciones secundarias, por ejemplo:

se producen emisiones de subproductos como los NOx(NO y NO2), gracias a la

reacción del exceso de oxígeno con el nitrógeno del aire a altas temperaturas. De igual forma, se genera CO ante la falta de oxígeno para terminar la combustión (Wark, 1998).

Además, se generan partículas PM10, partículas de tamaño menor a los 10 micras,

las cuales generan daños en el sistema respiratorio, y compuestos orgánicos volátiles, COVs, que en general son hidrocarburos no quemados en el motor, siendo estos compuestos contaminantes primarios, es decir son emitidos directamente a la atmósfera desde la fuente dónde se producen (Seinfeld y Pandis, 1998).

1.2 VEHÍCULOS DE COMBUSTIÓN INTERNA Y SUS EFECTOS ADVERSOS

A partir de la Revolución Industrial se buscó generar lo que Daimler y Benz denominaron los carruajes sin caballos. Los automóviles, que empezaron a ser

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los automotores se han acortado las distancias. Además, se ha ayudado al desarrollo citadino, proveyendo medios de transporte hacia el trabajo y áreas de diversión, y al económico, promoviendo el desarrollo y crecimiento de una industria que genera empleos y un monto importante de ingresos. Por ejemplo, en México, el sector automotriz fue el segundo más importante en exportaciones en el año 2005 (Invertia, 2006).

Sin embargo, los vehículos de combustión interna generan grandes cantidades de contaminación pues basan su funcionamiento en la reacción exotérmica que se genera al combinar un combustible y aire. En los motores de cuatro tiempos, el combustible entra en una cámara junto con el aire que provee el oxígeno necesario (paso 1). Tanto el aire como el combustible son comprimidos en la cámara (paso 2). Para que haya ignición (paso 3), se utiliza una chispa producida con la ayuda de una batería, generalmente de plomo. Los gases generados a alta presión y temperatura se expanden produciendo trabajo (paso 4). De esta forma, el vehículo puede moverse (Lafayette, 2007). En la figura 1, se observa un esquema del ciclo de cuatro tiempos de un motor de combustión interna.

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Dada la naturaleza de los motores de los vehículos de combustión interna, la eficiencia en el uso de energía es muy baja. En algunos vehículos llega a ser del 40%; sin embargo, en la mayoría de los casos es alrededor del 25% (Bejan, 1997). Aproximadamente 38% de la energía se pierde en el escape, 36% en el sistema de enfriamiento del motor y 6% por fricción.

Aunado a lo anterior, el uso intensivo de los automóviles así como el aumento en cantidad y tiempo de circulación de los mismos, producen una gran cantidad de emisiones contaminantes. En México fueron emitidos alrededor de 111,942 Gg de CO2, 33.25 Gg de CH4, 595.99 Gg de NOx, 5,068.99 Gg de CO, 602.34 Gg COVs

y 55.90 Gg de SOx, en el año 2002 (Mar, 2005). Esta gran cantidad de gases

desechados a la atmósfera afectan la calidad del aire en las ciudades donde son emitidos y, gracias al transporte regional del aire, también afectan otros lugares. Un ejemplo es el movimiento de la contaminación de Asia que llega hasta California por efecto de las corrientes de aire (Yienger et al., 2000).

El problema de la contaminación se agrava pues el parque vehicular ha incrementado considerablemente en las grandes ciudades en los últimos años. En la Área Metropolitana de Monterrey (AMM) el número de automóviles era de un millón 388 mil 173 en el año 2006, el doble de automóviles que en 1998 (INEGI, 2007). Entre los efectos de este crecimiento desmedido se cuentan: dificultades en la vialidad, provocando congestionamientos y tiempo prologando del uso de vehículos para recorrer distancias cortas, y la disminución en la calidad del aire.

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Aun cuando las emisiones de la industria son importantes, los contaminantes generados por el sector transporte provocan un alto porcentaje de los gases presentes en la atmósfera. En los seis estados fronterizos del norte de México, según el inventario oficial de emisiones para los mismos, en 1999 los automóviles generaron el 72.47% del CO, el 13.8 % de los NOx y 0.74% de los SOx del total de

la contaminación producida (ERG, 2004). Así mismo, en el AMM, el sector transporte generó el 1% PM10, 8.1 % de SOx, 99% de CO, 64% de NOx y el 66%

de los COVs emitidos en 1995 (INE, 2000). Además, según el inventario nacional de emisiones de gases invernadero, en el periodo de 1990 a 2002 el autotransporte contribuyó con el 91% del CO2 producido (Mar, 2005).

Uno de los efectos adversos de las emisiones mencionadas son múltiples problemas de salud provocados por la exposición a dichos contaminantes, las enfermedades y síntomas son variados. Por ejemplo, las partículas PM10, sobre

todo las fracciones fina y ultrafina, provenientes de la combustión de gasolina y diesel así como de algunos procesos industriales, llegan hasta los alvéolos provocando intoxicación o incluso daños al sistema respiratorio provocando la muerte (INE, 2000; Pope et al., 1995). Además, la respiración de aire con concentraciones urbanas de ozono, contaminante secundario generado a partir de NOx e hidrocarburos, causa una disminución en la capacidad respiratoria,

broncoconstricción, tos y dolor al inhalar (INE, 2000).

Además de los efectos adversos a la salud, las emisiones contaminantes generan lluvia ácida la cual provoca daños a edificios, plantas, animales y suelo. Las consecuencias pueden variar (Wark, 1998). Por otro lado, una fracción de las emisiones contaminantes se absorbe mediante los ciclos naturales reguladores de las propiedades de la atmósfera. Las repercusiones en el ambiente aún no son completamente conocidas. Por ejemplo, el mar absorbe CO2 de la atmósfera; al

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1.3 AUTOMÓVILES HÍBRIDOS

Debido a la contaminación producida por los vehículos y sus efectos adversos, la industria automotriz ha investigado nuevas tecnologías que ayuden a disminuir las emisiones contaminantes generadas por sus productos. Para ello, se han desarrollado vehículos eléctricos, con motor para nuevos combustibles y autos híbridos (Zykov et al., 2004), siendo estos últimos estudiados en el presente trabajo.

Existen diversas tecnologías de vehículos híbridos. Por ejemplo, existen automóviles cuyos motores eléctricos pueden abastecer energía a velocidades bajas, no requieren quemar combustible hasta una cierta velocidad cuyos requerimientos de potencia son mayores. Un segundo tipo de híbrido es aquél donde se apaga el motor de combustión interna cuando se encuentra detenido ya que no necesita quemar gasolina. Finalmente, aparecen los de motores asistidos, en donde la parte eléctrica ayuda en el encendido y apagado del motor de combustión además de brindar potencia al acelerar (Hybrid History, 2006).

Aunado a lo anterior, los vehículos híbridos están divididos en dos grupos de acuerdo al funcionamiento de los motores de combustión interna y eléctrico. El primer grupo se denomina en serie, ya que el motor de gasolina, una vez

encendido, origina el funcionamiento de un generador que carga las baterías del motor eléctrico o le brindar la energía necesaria para moverse (Zykov et al., 2004). Se requiere que funcione el primer motor mencionado antes que el segundo.

El segundo grupo está compuesto por los híbridos en paralelo cada motor tiene

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figura 2, se puede observar el arreglo de la maquinaria, transmisión y baterías de un híbrido en paralelo.

Fig. 2. Arreglo funcional del automóvil híbrido en paralelo. MCI, motor de combustión interna; TCV, la transmisión continuamente variable (Zykov et

al., 2004).

En general, el segmento en paralelo basa su funcionamiento en el uso de gasolina y electricidad. La energía eléctrica se genera a partir del aprovechamiento del calor emitido durante el frenado y se almacena en baterías localizadas en la parte posterior de los vehículos (Zykov et al., 2004). La finalidad de este proceso es disminuir las emisiones contaminantes mediante el uso en menor intensidad del motor de combustión interna, en comparación con sus similares no-híbridos.

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ejemplo, en el estado de California, EEUU, existe un descuento de 10% en los seguros de los vehículos para quienes compran híbridos, descuentos similares están en espera de aprobación en otros 39 estados del mismo país (Swayer, 2006).

En México, los automóviles híbridos son nuevos pues su llegada se dio en 2006. Por esta razón, se desconoce su funcionamiento en este país y sus beneficios, en términos ambientales, en comparación con automóviles de combustión interna. Sin embargo, por el renombre internacional de esta nueva tecnología, el gobierno ha promovido ya un incentivo financiero para sus usuarios. El automóvil híbrido cuenta con un subsidio en el pago de la tenencia, la cual es de 0.16% sobre el valor del vehículo y está exento del ISAN, impuesto sobre autos nuevos (El Universal, 2006).

Debido a su reciente introducción al país, es importante caracterizar las emisiones del híbrido en México en uso cotidiano, ya que es necesario conocer las cantidades de contaminantes emitidas en distintas formas de manejo. Para ello, se debe contar con información de las emisiones en manejo a velocidades altas (mayor a 80 kph), velocidad urbana (menor a 60 kph) y con altos constantes (González-Oropeza, 2004). Además, de vital importancia es la caracterización de emisiones en igniciones en frío y en caliente, ya que la emisión más importante de hidrocarburos no quemados ocurre en durante las igniciones, sobre todo en frío (Ross, 1996). De esta manera, se podrán conocer, con mayor certeza, los beneficios que el uso de esta nueva tecnología tendrá en el país.

1.4 OBJETIVO GENERAL

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de combustible, además de las emisiones generadas por igniciones en frío y en caliente, así como las producidas en tránsito, en condiciones reales.

1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

o Determinar y comparar los patrones de consumo de combustible de ambos

tipos de vehículo, basados en su uso durante un período de un año.

o Determinar, para el automóvil híbrido, el efecto en el rendimiento de

combustible de diferentes conductores y las siguientes condiciones de manejo: en ciudad, carretera, con o sin uso de aire acondicionado, tránsito lento y fluido, tránsito con paradas frecuentes y vías rápidas.

o Caracterizar y comparar las emisiones de ignición en frío y en caliente de

ambos tipos de tecnología automotriz.

o Estimar factores de emisión para hidrocarburos, CO2, NOx y CO de los vehículos en condiciones de manejo así como las razones HC/CO y HC/gasolina.

o Estimar los impactos ambientales en Monterrey derivados de la substitución

de los vehículos de combustión interna por vehículos híbridos.

1.6 ALCANCE

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Las mediciones de las emisiones en ciudad se hicieron sólo en el municipio de Monterrey. Mientras que las mediciones para manejo en carretera se realizaron en la autopista al Aeropuerto Mariano Escobedo, tramo que conecta a la autopista Monterrey-Reynosa con la antigua carretera al aeropuerto. Es importante señalar que para las mediciones previamente mencionadas se contó con el Civic Híbrido y con un automóvil Civic, de combustión interna, modelo 2003 de transmisión automática. Además, se utilizó el combustible tipo magna cuyo octanaje está alrededor de 88. Finalmente, la estimación de la caracterización de sustitución de vehículos de combustión interna por híbridos se realizó comparando las emisiones del Civic Híbrido con las del Civic de combustión interna.

1.7 JUSTIFICACIÓN

La importancia del estudio descrito radica en que se llevará a cabo la medición de las emisiones generadas por vehículos híbridos en México, tecnología nueva en el país, la cual promete disminuir la generación de gases contaminantes. Con ello, se desarrollará la primera información sobre este tipo de tecnología en México, la cual será diferente a la generada en otros países debido a la calidad de gasolina (Mar, 2005), condiciones de las calles y carreteras, variabilidad en la alimentación de combustible en las gasolineras, entre otros factores. La información generada podrá ser aprovechada en futuras investigaciones.

Aunado a lo anterior, la investigación será de ayuda para proveer información y reforzar la toma de decisiones, pudiendo promoverse así nuevas regulaciones ambientales y desarrollar incentivos que promuevan la compra de los vehículos. Además, la comunidad aprenderá sobre los beneficios de estos automóviles.

1.8 DISTRIBUCIÓN DE LA TESIS

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esta tesis durante la realización de la experimentación y posterior análisis de datos.

En el Tercer Capítulo se discute la metodología empleada para llevar acabo la experimentación y análisis de datos, así como los pasos que se siguieron a lo largo del desarrollo de esta tesis tales como muestreo, diseño de rutas, etc.

En el Capítulo Cuatro se presentan tanto los resultados, de manera comparativa entre ambos tipos de vehículos, como el análisis y discusión de los mismos. Se presentan los resultados de las mediciones de rendimiento de combustible así como de emisiones por el uso del vehículo y de las igniciones en frío y caliente. Se muestran las distintas concentraciones caracterizadas en las diferentes emisiones antes mencionadas. De igual forma, se muestran las razones de HC/gasolina y HC/CO mencionadas en los objetivos.

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Capítulo 2: Antecedentes_________________________________________

2.1 EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE VEHICULO AUTOMOTOR

Con el nacimiento de los automóviles, se dio un gran incremento en la contaminación atmosférica de las zonas urbanas. Con ello, se afectó la visibilidad en algunas ciudades y aumentaron los casos de algunas enfermedades, particularmente en las vías respiratorias. Por esta razón, se iniciaron los primeros controles ambientales en el año 1960, los cuales han ido evolucionando con el paso del tiempo de acuerdo con el seguimiento de nuevas tecnologías y formas de vida (Lin y Niemeier, 2003).

Posteriormente, los organismos gubernamentales en Estados Unidos y Europa iniciaron estudios sobre los vehículos de combustión interna en uso con el fin de determinar el rendimiento de combustible (González-Oropeza, 2002) y sus emisiones durante la conducción de los mismos (Austin y Morrey, 2002). Con el tiempo, los distintos gobiernos han evolucionado sus leyes con respecto a la contaminación producida por los automóviles. En Estados Unidos, por ejemplo, se desarrollaron los primeros ciclos de manejo, herramienta utilizada en la caracterización de emisiones, a finales de los años 60. Los ciclos de manejo han evolucionado, para poder certificar el buen funcionamiento de los vehículos (Lin y Niemeier, 2003). Además se cuenta con leyes, como el Clean Air Act, que

delimitan la cantidad de emisiones contaminantes que un automóvil puede generar (EPA, 2007).

En la actualidad, los vehículos en los Estados Unidos deben cumplir con estrictas normas de emisión para CO, NOx, PM y formaldehído, entre otros compuestos (EPA, 2000). Por su parte, los automóviles producidos y utilizados en la Unión Europea deben cumplir con rígidos estándares para poder circular. Existen fuertes limitaciones sobre la producción de CO2, motivado por la creciente preocupación

(27)

limitar la emisión de CO, HC, NOx y partículas en los vehículos, sin importar el tipo de combustible que emplean, con el estándar Euro 5, que entrará en vigor en 2009. Para verificar el cumplimiento de las normas y estándares existen un número de estudios como la evaluación del rendimiento, caracterización de emisiones, entre otros (Unal et al., 2004).

En contraste, en México, los sistemas de evaluación de las emisiones de los automóviles son recientes. En 1992, se inició un monitoreo de contaminantes emitidos por diversas fuentes, en la ciudad de Monterrey (INE, 2005). Por otro lado, en el año 1999 se inicia un programa de verificación vehicular obligatorio en el Distrito Federal con el fin de mantener las emisiones dentro de los límites establecidos. Aquéllos conductores cuyos vehículos no aprueban la verificación son infraccionados y tienen un plazo de 30 días para hacer los arreglos correspondientes para aprobarla (SMADF, 2007). Quince estados y la capital del país, cuentan con programas de verificación vehicular para certificar que el nivel de emisión esté dentro de los límites permisibles por las normas mexicanas (INE, 2007). En este caso, la Norma Oficial Mexicana NOM-CCAT-003-ECOL/1993 establece los límites máximos para la emisión de CO, CO2, y HC (INE, 2005). La

cantidad de contaminantes que puede llegar a la atmósfera por efecto de los automóviles se presenta en la Tabla 2.

Tabla 2. Límites máximos permisibles Modelo del

vehículo

HC (ppm) CO (%vol) O2 (%vol) (CO+CO2) (%vol)

Min Max

1979 y anteriores

400 4.0 6.0 7.0 18.0

1980-1986 350 3.5 6.0 7.0 18.0

1987-1992 300 2.5 6.0 7.0 18.0

1994 y posteriores

(28)

Debido a las normas cada vez más estrictas a nivel mundial, se han desarrollado, a partir de la última década, los vehículos híbridos. El uso de energía eléctrica es, sin lugar a dudas, una manera de disminuir el uso de combustibles y con ello las emisiones contaminantes. Un alto rendimiento del combustible fósil, en conjunto con emisiones dentro de los límites, provee la oportunidad de disminuir la contaminación atmosférica en algunas ciudades.

2.2 RENDIMIENTO DE COMBUSTIBLE

El rendimiento del combustible en los vehículos de combustión interna es uno de los puntos más importantes al estudiar la contaminación. Esto se debe a que durante la combustión se producen CO2 y H2O, como productos primarios de la

combustión. Además, se generan NOx, SOx, hidrocarburos no quemados y

monóxido de carbono, como subproductos. Por tanto, cuando un vehículo tiene un rendimiento mayor, contamina menos por cada kilómetro recorrido en comparación con otros vehículos cuyos motores no son tan eficientes (Iwaii, 1999). Esto se debe a la menor cantidad de combustible empleado para recorrer la misma distancia.

2.2.1NORMATIVIDAD Y AVANCES EN EL RENDIMIENTO DE COMBUSTIBLE

(29)

Por esta razón, en el año 2003, miembros del senado estadounidense iniciaron un movimiento buscando mejorar el rendimiento de las camionetas tipo SUV, vehículo deportivo utilitario, así como los camiones de carga ligera hasta llegar a niveles similares a los establecidos para los automóviles de uso particular en el país (Light & Medium Trucks, 2003). En Europa, por otro lado, los límites de emisión para el CO2 son cada vez menores, gracias a la búsqueda de la disminución de emisión

de gases con efecto invernadero, lo que ha obligado a diversas compañías automotrices a desarrollar nuevas tecnologías (Albrecht y Johan, 2000). En México, existe el proyecto de norma PROY-NOM-041-SEMARNAT-2006 en espera de ser aprobado, con el fin de imponer nuevos límites máximos y mínimos de emisión para tres de las cuatro especies contaminantes (CO2, HC, CO)

estudiados en este proyecto (Semarnat, 2006). Los límites son similares a los existentes en la norma actual (Tabla 2). Sin embargo, incorporan límites para NO (2500 ppm para vehículos modelo 1990 y anterior; 1500 ppm, para modelos 1991-actual) (Semarnat, 2006).

La eficiencia del motor, mencionada al inicio de esta sección, es muy importante por su impacto en la razón distancia/volumen de combustible. En la mayoría de los vehículos, la eficiencia es entre 30% y 40%, es decir que entre el 60% y 70% de la energía generada en la combustión se pierde como energía térmica u otras formas (Iwai, 1999). Por tanto, en el uso de los vehículos híbridos al apagar el motor cuando el vehículo está detenido o aprovechar la energía que en los automóviles convencionales se desperdicia, aumenta el rendimiento de combustible (Iwai, 1999).

(30)

automóviles empleados en esta investigación son de 17.85 km/L para el Civic Híbrido y de 11.9 km/L para el Civic de combustión interna en el año 2007 (EPA, 2007), observándose así las posibles ventajas de la nueva tecnología.

Para apreciar estos incrementos en el rendimiento de combustible, el componente eléctrico de los vehículos híbridos debe abastecerse a partir de electricidad producida del calor que se desperdicia del vehículo al ambiente. En caso contrario, si el automóvil utiliza energía eléctrica convencional para recargar sus baterías, el rendimiento de combustible aumentaría en el vehículo. Sin embargo, desde el punto de vista energético global del sistema éste permanecería constante, por la cantidad de combustible fósil empleado en las plantas de generación para producir la electricidad necesaria para cargar las baterías (Gonder y Simpson, 2006).

2.2.2 EFECTOS DE VARIABLES DE MANEJO Y OPERACIÓN

El rendimiento de combustible puede afectarse por diversas variables que se presentan en condiciones reales de manejo de los vehículos. Entre ellas están: el uso del sistema de aire acondicionado, la razón de aire-combustible, el tiempo del ciclo de las válvulas, la velocidad de conducción, las condiciones de tránsito, entre otras.

(31)

La razón aire-combustible es también un factor importante para el rendimiento en un vehículo. Cuando se alimenta una cantidad de aire mayor al necesario a la cámara de combustión, se pierde parte del calor producido durante la reacción calentando el aire excedente. Además, se generan reacciones secundarias, por lo que parte de la energía se desperdicia, disminuyendo así el rendimiento. Por otro lado, cuando el aire entra al motor en menor cantidad a la necesaria, una fracción del combustible alimentado no se quemará, teniendo un excedente sin quemar a la salida. Por tanto, mantener esta razón en valores ligeramente por encima de los estequiométricos, cantidad requerida teóricamente para una combustión completa, es vital para asegurar que todo el combustible reaccione (Kawasaki, 2001).

La razón de aire-combustible está fuertemente ligada con el funcionamiento de las válvulas de la cámara de combustión. Por ejemplo, si una válvula abre antes de la ignición, se pierde parte del combustible en forma de vapor sin ser quemado. Si se cierra después de tiempo, permite una entrada adicional de aire (Kawasaki, 2001), lo cual disminuye el rendimiento. El uso adecuado de la apertura y cierre de las válvulas puede disminuir el consumo de combustible por kilómetro recorrido en un 6% en los vehículos Honda Civic con un sistema de control de válvulas en comparación con lo que no lo tienen (Honda Motor Co., 2005).

(32)

promedio, al elevar en 1.61 kph se requiere un 2.2% más de insumo por unidad de distancia recorrida (Deierlein, 1996). El tiempo que permanece un automóvil con el motor en funcionamiento, pero en alto total, tiene una eficiencia térmica de 0%, lo que denota un total desperdicio de la energía producida durante ese lapso de tiempo (Iwai, 1999).

2.2.3 EFECTOS DEL CONDUCTOR

El comportamiento de los conductores al volante tiene efectos positivos o negativos, en el consumo de combustible al utilizar sus automóviles. Por ejemplo, los automovilistas que conducen de manera agresiva, tienen un gasto de 40% más de combustible que quienes lo hacen de forma normal (De Vlieger et al., 2000).

2.3 MÉTODOS Y EQUIPOS DE MEDICIÓN DE EMISIONES

Existen diversos tipos de equipos de medición para analizar contaminantes producidos y emitidos por los vehículos de combustión interna. Los más comúnmente utilizados pueden detectar diversos compuestos tales como: hidrocarburos no quemados (HC), NOx, CO2, O2, CO (Swanson, 1990). Además,

son capaces de evaluar y reportar la relación aire-combustible.

2.3.1 MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE EMISIONES

(33)

El funcionamiento de este último método se basa en sensores, que en ocasiones son celdas electroquímicas, capaces de detectar los compuestos anteriormente mencionados (Kato y Nakagaki, 1999). Los analizadores deben ser calibrados con mezclas específicas a cada uno y deben tener mantenimientos cada cierto tiempo para asegurar su funcionamiento adecuado y con un alto grado de precisión (Strain y Martin, 1976).

Aunado a lo anterior, los equipos de medición son capaces de obtener información sobre la temperatura del aceite del motor, de las revoluciones por minuto del mismo, la relación aire-combustible, entre otras. Toda esta información, es de vital importancia para la caracterización de emisiones, tema que se comentará en las secciones 2.4 y 2.5.

2.3.2 ANALIZADORES FIJOS

Los analizadores fijos son aparatos de medición de tamaño grande, razón por la cual es difícil que tengan movilidad. En general, este tipo de analizadores se utilizan en laboratorios y centros de investigación en donde la mayor parte de los ciclos de manejo utilizados en la experimentación se llevan a cabo de forma fija con la ayuda de un dínamo (Frey et al., 2003).

2.3.3 ANALIZADORES MÓVILES

(34)

segundo (Frey et al., 2003). Gracias al funcionamiento de estos equipos, en ocasiones, se cuenta con la posibilidad de almacenar los datos en algún momento del estudio, es decir, de visualizar la emisión de un tiempo, como datos en una fotografía instantánea de lo que estuvo ocurriendo (Unal et al., 2004).

Para mantener un funcionamiento óptimo, los analizadores móviles llevan acabo la ejecución de calibraciones cero. Al realizarse esta acción, el equipo toma aire del

medio ambiente para conocer la condición del mismo que será empleada como la de pureza. De esta forma, el aparato puede medir la cantidad de contaminantes

presentes en el mismo en base a lo que se considera limpio (Unal et al., 2004). Al momento de requerirse una calibración cero, es necesario almacenar los datos obtenidos hasta el momento, para después reiniciar el equipo (Unal et al., 2004). Esta acción, ayuda a que las mediciones proveídas por el analizador tengan una variabilidad menor (Unal et al., 2004).

2.4 CARACTERIZACIÓN DE EMISIONES DE IGNICIÓN

La caracterización de emisiones ha sido un punto de vital importancia a lo largo del estudio de la contaminación producida tanto por el sector industrial como por el automotriz. Esto se debe a que es la forma directa de conocer, bajo variables controladas en experimentos, la cantidad de contaminantes específicos que son desechados a la atmósfera.

Las emisiones durante las igniciones de un vehículo son las que contienen una mayor cantidad de hidrocarburos no quemados, sobre todo en las que se realizan en frío. Esto es efecto de la baja temperatura tanto del motor como del convertidor

(35)

2.4.1IGNICIÓN EN FRÍO

Una ignición en frío es aquélla que se lleva a acabo una vez que el vehículo estuvo apagado toda la noche, de forma continua (González-Oropeza, 2005). Al encenderse el automóvil dada esta condición, ocurre el más alto índice de emisión contaminante. En los primeros 200 segundos después de iniciada la marcha ocurre entre el 60% y 85% de desecho de hidrocarburos no quemados que serán emitidos en el tiempo que el auto permanezca funcionando. (Ashley, 1994).

Aunado a lo anterior, dado que el convertidor catalítico se encuentra a una temperatura fría o relativamente fría, se emite también una gran cantidad de monóxido de carbono. Esto ocurrirá hasta que se alcance una temperatura de entre 200°C y 400°C (Mechanical Engineering, 1991). Diversos estudios han demostrado que entre más cálida sea la temperatura ambiental, menor será la contaminación producida durante las igniciones en frío (Mechanical Engineering, 1991).

Algunas investigaciones se han llevado a cabo para encontrar una solución que contrarreste el problema de contaminación generado por las igniciones en frío. Entre las ideas actuales se encuentran, la colocación de un sistema de intercambio de calor simple cuyo inicio se dé antes de arrancar el vehículo (Mechanical Engineering, 1991), absorbedores de hidrocarburos o incluso una adaptación en el convertidor que le permita conservar la energía del último recorrido del automóvil (Ashley, 1994).

2.4.2IGNICIÓN EN CALIENTE

(36)

catalítico pierde calor y su temperatura disminuye, no se encontrará a un mismo nivel que el de la ignición en frío (González-Oropeza, 2005).

Durante este tipo de igniciones, se contribuye también con altas emisiones de hidrocarburos no quemados. Sin embargo, la proporción es mucho menor que aquélla con la que participan las igniciones en frío debido a que durante las igniciones en caliente se alcanza la temperatura de 400°C en el convertidor catalítico en un tiempo menor (Mechanical Engineering, 1991).

2.5 CARACTERIZACIÓN DE EMISIONES

2.5.1CARACTERIZACIÓN DE EMISIONES EN TRÁNSITO

(37)

Por otro lado, un punto importante de los estudios de emisiones en condiciones reales es la versatilidad de los mismos. Esto se debe a que los instrumentos de medición son fáciles de transportar, promoviendo así la evaluación de diferentes vehículos con características diferentes en lo que respecta al modelo, transmisión, etc. (Zavala et al., 2006). No obstante lo anterior, típicamente los estudios son limitados por los investigadores a un pequeño grupo de automóviles (Zavala et al., 2006).

Existen diversas formas de caracterizar emisiones en condiciones reales como: estudio de emisiones en túneles (Kean et al., 2003), el método de persecución (Zavala et al., 2006) y desarrollo de ciclos de manejo en ciudad (Frey et al., 2003). El estudio en túneles se basa en el uso de vehículos dentro de túneles elaborados por el hombre. De esta forma, se intensifica la medición de las emisiones generadas por el motor del vehículo evaluado ya que se aísla al mismo de la contaminación ambiental que se encuentra en las ciudades gracias a las diversas fuentes de emisión fijas y móviles (Kean et al., 2003). En ocasiones, cuando los túneles contienen pendientes un tanto pronunciadas, se pueden realizar estudios de medición en los cuales se evalúan los efectos de la velocidad en las emisiones (Kean et al., 2003).

En contraste con la técnica previamente descrita, el método de persecución se basa en tomar un analizador móvil y con éste estudiar un vehículo en movimiento. Este tipo de caracterización se vuelve complicado ya que al momento de estudiar los datos obtenidos por el equipo, se presenta la muy compleja tarea de dividir la información obtenida entre las emisiones generadas por el vehículo en estudio y por los automóviles que están cerca del área de estudio (Kean et al., 2003).

2.5.1.1 CICLOS DE MANEJO

(38)

condiciones típicas de manejo del tránsito real. Cada ciclo de manejo debe tener recorridos mínimos de acuerdo a procedimientos internacionales. La caracterización de emisiones se lleva acabo mediante el uso de los vehículos en las calles siguiendo estos ciclos de manejo. Su uso no está limitado para mediciones en tiempo real; es decir, se puede emplear para mediciones fijas, las cuales se generan con la ayuda de dínamos que se conectan al tren motriz, o para mediciones en tránsito, denominadas de tiempo real (Frey, 2003).

El nacimiento de los ciclos de manejo se da en 1960 cuando se desarrolló el primer Federal Test Procedure (FTP), con el fin de cumplir con los estándares de

las leyes federales en los Estados Unidos (Lin y Niemeier, 2003). Así, se han desarrollado diversos ciclos. Cada país genera el suyo, para así poder tener una impresión de lo que es la conducción dependiendo de las costumbres y culturas de cada lugar (Esteves-Booth et al., 2002). Con el paso del tiempo, los ciclos de manejo han evolucionado debido a la introducción de nueva tecnología automotriz y las nuevas formas de manejo (Lin y Niemeier, 2003).

(39)

menores de 60 kph; manejo en arterias.- a velocidades rápidas y posibles descansos en semáforos; manejo en autopista.- a velocidades mayores y con muy pocas interrupciones (González-Oropeza, 2005)

2.5.1.2 EFECTOS DEL CONDUCTOR

El comportamiento del conductor al utilizar un vehículo es parte de las variables que afectan las emisiones contaminantes del mismo. Por ejemplo, la aceleración desmedida, produce una mayor cantidad de las especies estudiadas en la caracterización de emisiones. Esto se debe, al sistema poseído por los automóviles mediante el cual se abastece con una mezcla combustible-aire más rica a fin de proveer la energía necesaria para aumentar la velocidad (Austin y Morrey, 2002). Las acciones del conductor descritas en las secciones 2.2.2 y 2.2.3 en relación con el rendimiento del combustible tienen efectos similares en la producción de emisiones, ya que al emplear una mayor cantidad de combustible se generan más desechos.

2.5.1.3 FACTORES EXTERNOS Y SUS EFECTOS

Al igual que en el estudio del rendimiento, existen factores fuera del control tanto de conductores como de investigadores que afectan la cantidad de gases emitidos. Por ejemplo, cuando un vehículo viaja a través de carreteras con pendientes pronunciadas se genera una mayor cantidad de NOx al subir en

(40)

Capítulo 3: Metodología __________________________________________

En este capítulo, se presenta la metodología seguida durante el proceso de investigación. Para clarificar los procedimientos llevados acabos, se desarrolló el diagrama presentado en la Figura 3. Se puede observar ahí como se llevaron acabo los diversos experimentos, los cuales se fueron dando de forma paralela.

Figura 3. Diagrama de la metodología.

3.1METODOLOGÍA DE MEDICIÓN DEL RENDIMIENTO DE COMBUSTIBLE

3.1.1RENDIMIENTO POR CARGA DE COMBUSTIBLE AL TANQUE

Para evaluar el rendimiento del combustible del Civic Híbrido (CH) se utilizó el automóvil de manera normal en las diferentes condiciones de tránsito en la ciudad de Monterrey. Esta actividad se realizó para conocer cuántos kilómetros se recorrían por cada litro de combustible de acuerdo a la información reportada en la computadora de viaje del vehículo así como al llenado total del tanque.

(41)

En la bitácora sobre el llenado de combustible se registraron datos sobre las condiciones del vehículo al momento de cargar el tanque como: fecha, kilómetros recorridos antes del momento de la carga y cantidad de litros alimentados. Cada una de las cargas debió ser hasta el lleno total del tanque, representado por el momento en que la bomba dejaba de abastecer el combustible. Esto se realizó con el fin de eliminar una variación de volumen adicional alimentado al vehículo.

Las cargas se hicieron, en cada ocasión, en la gasolinera ubicada en la esquina de Ave. Eugenio Garza Sada y Ave. 2 de abril, en la bomba 15. Se utilizó la misma bomba en cada ocasión para disminuir la variación en el volumen de combustible proveído en cada carga, excepto en los viajes fuera de la ciudad, por motivos del mismo estudio. El combustible utilizado durante el estudio fue Magna de 88 octanos, excepto en las ocasiones en viajes a los Estados Unidos, en dónde se consumió combustible regular sin plomo de 88 octanos.

Para los vehículos Civic de combustión interna (CCI) incluidos en el se realizó el mismo registro mencionado anteriormente para las cargas de combustible. Para ello, se dotó a cada uno de los dueños de los vehículos con una bitácora idéntica a la utilizada para el CH. Cada uno de los conductores de los CCI fue instruido sobre las condiciones a seguir para el llenado del tanque de combustible de su respectivo vehículo al momento de recibir las hojas para su llenado. Los datos de sus vehículos pueden verse en la Tabla 3.

Tabla 3. Datos de los vehículos de combustión interna utilizados en el estudio.

ID del

vehículo Modelo Transmisión Km inicial Potencia

No. de puertas

Cilindrada

1 2006 Manual 22769 140 HP 2 2.0

2 2004 Automática 111885 140 HP 4 1.8

3 2003 Automática 39279 140 HP 2 1.8

(42)

3.1.2RENDIMIENTO POR LA INFORMACIÓN DE LA COMPUTADORA DE VIAJE.

Se realizó además un estudio con la información brindada por la computadora de viaje del CH respecto al rendimiento. Para ello, se elaboró una bitácora con la información sobre los viajes realizados en el vehículo. Los datos recopilados por el conductor fueron, en parte, proporcionados por la computadora de viaje. Además, cada usuario debió complementar la información con algunos detalles sobre el tipo de tránsito en que condujo.

La bitácora requería la siguiente información, dada por el conductor: fecha, lugar de origen y destino, manejo en ciudad o carretera, tránsito lento o fluido, con paradas frecuentes o mezcla, uso de aire acondicionado, cantidad de pasajeros y nombre del conductor; así mismo, los datos proveídos por la computadora de viaje: kilometraje y temperatura ambiente, rendimiento y cantidad relativa de gasolina, al inicio y final del viaje, según el indicador del tablero. Cabe señalar que la computadora del CH va generando datos promediados a partir de la información del último viaje realizado con los anteriores. Con el fin de no almacenar este tipo de información, una vez obtenidos los datos sobre un recorrido se borró la memoria de la computadora. Esta información no se recopiló en los vehículos CCI, ya que éstos no contaban con una computadora de viaje similar a los CH, aún en el modelo más reciente.

3.2EQUIPO PARA EL ANÁLISIS DE GASES DE COMBUSTIÓN

3.2.1DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE MEDICIÓN

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abastece energía de 12 volts, corriente directa. El equipo puede conectarse a la corriente alterna o a la toma corriente de los vehículos para abastecerse de la batería del auto.

filtro

analizador

sonda entrada de

muestra

Salida de gases

y vapor condensado Entrada de gas de calibración filtro

analizador

sonda entrada de

muestra

Salida de gases

y vapor condensado Entrada de gas de calibración

Fig. 4. Analizador de gases Snap-on©.

Como se puede apreciar en la Figura 4, que el equipo posee un filtro externo cuya función es remover las partículas gruesas que puedan tener algún efecto abrasivo en el banco de medición o sea dañino para los sensores. Al estar en uso, se acumula agua en la trampa del filtro y se extrae con la bomba del aparato.

El analizador de gases empleado en la experimentación es capaz de medir la concentración de cinco especies contaminantes principales: hidrocarburos no quemados (HC), de óxidos de nitrógeno (NOx), de dióxido y monóxido de carbono

(CO2 y CO, respectivamente) y oxígeno (O2). El rango y precisión del analizador

(44)

Tabla 4. Rangos y precisión de los resultados.

Compuesto Rango Precisión Resolución

HC 0-30,000 ppm ±3% 1 ppm

O2 0-25% ±5% 0.01 ppm

CO 0-15% ±3% 0.01 ppm

CO2 0-20% ±3% 0.01 ppm

NOx 0-5000 ppm ±4% 1 ppm

3.2.2FUNCIONAMIENTO

El equipo de medición de gases se enciende cuando hay comunicación entre el paquete computacional y el aparato. Antes de iniciar su funcionamiento es necesario calentar los dispositivos de medición. Para ello, se genera un flujo de alimentación de 7 L/min con una bomba en el interior del mismo. Una vez que las emisiones son analizadas se generan los datos en el paquete computacional con ocho segundos de retraso.

El funcionamiento del equipo de medición está basado en dos sensores de celdas electroquímicas para NOx y O2. La celda del sensor provee la energía necesaria

para llevar acabo la medición, en respuesta a la concentración del contaminante presente en los gases de combustión. La celda empleada para la medición del oxígeno es también la encargada de efectuar las mediciones correspondientes para reportar los datos de λ. El analizador emplea internamente la fórmula Brettschneider para calcular esta variable:

(

)

(

CO CO HC

)

CO CO CO CO O NO CO CO + + + ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + + = 2 2 2 2 2 45425 . 1 5 . 3 5 . 3 45425 . 0 2 2 λ

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de combustión. Cuando λ es igual a 1, hay suficiente aire en relación estequiométrica para que reaccione el combustible en su totalidad. Si λ es mayor a 1, la cantidad de aire está en exceso, por lo que la cantidad de NOx tenderá a

aumentar. En el caso que λ sea menor a 1, la cantidad de aire será menor al estequiométrico, habrá una mayor producción de CO, emitiéndose una mayor cantidad de HC.

Las guías para el uso y mantenimiento del equipo para la medición de las emisiones de los vehículos se encuentran en los anexo 1 y 2, respectivamente.

3.3METODOLOGÍA DE MUESTREO DE EMISIONES

3.3.1IGNICIÓN EN FRÍO

Durante el muestreo de las emisiones generadas por igniciones en frío, tanto en el CH como CCI, se siguió el siguiente criterio: el vehículo evaluado debió permanecer al menos doce horas apagado, a fin de que tanto el motor como el convertidor catalítico estuvieran fríos, es decir a temperatura ambiente (González-Oropeza, 2004).

Previo al inicio del monitoreo de ignición, se conectó la sonda para tomar la muestra y la manguera de salida del analizador de gases al aparato, dejando la sonda que se introduce al escape del auto a un lado del mismo. Así mismo, se conectó el aparato a la corriente alterna. Se encendió la computadora y se vinculaba al aparato con el cableado correspondiente. Finalmente, se procedió a realizar una “calibración cero”, la cual es necesaria para que el analizador tome una muestra del aire limpio que está alrededor, antes de que inicien las emisiones

por la combustión.

(46)

segundos, se coloca la sonda para tomar la muestra en el escape, en dónde tiene que permanecer para tomar las mediciones durante dos minutos, alimentándose los datos en el programa del equipo. Una vez terminado el procedimiento, tanto el analizador como la computadora se guardan en sus respectivos sitios de almacenamiento.

Se llevaron a cabo las corridas teniendo el motor encendido, sin acelerar, con el fin de medir la concentración de contaminantes a través del tiempo. Los datos sobre la hora en que se llevaron acabo las mediciones así como de las condiciones meteorológicas al momento del monitoreo se almacenaron en una bitácora.

3.3.2 IGNICIÓN EN CALIENTE

La medición de las emisiones de las igniciones en caliente se llevó acabo con el mismo procedimiento utilizado para las mediciones en frío. Sin embargo, el tiempo de espera entre el apagado del vehículo y la ignición para el monitoreo fue de diez minutos (González-Oropeza, 2005). Todas las mediciones se llevaron acabo sin acelerar el motor. La información obtenida se almacenó en la misma bitácora mencionada anteriormente.

3.3.3EMISIONES EN CONDICIONES DE MANEJO REAL

Se realizaron mediciones con los vehículos en operación bajo condiciones reales de manejo en ciudad y carretera. Para llevar acabo la recolección de datos en ciudad, se generaron ciclos de manejo con el fin de evaluar variables tales como (González-Oropeza, 2005):

o manejo con paradas frecuentes (simulando el manejo en el centro de

(47)

o manejo a velocidades igual o menor a 60 kph (mostrando así datos

similares a la conducción en zonas suburbanas)

o manejo a velocidad cercana a los 80 kph (para obtener así datos de vías

rápidas)

o manejo en carretera

Con base en lo requerido para el ciclo de manejo discutido en la sección 2.5.1.1 y lo mencionado en el párrafo anterior, se desarrolló una ruta por varias calles de la ciudad de Monterrey (Figura 4), mediante las cuales era posible cumplir con cada una de las variables requeridas para el estudio (velocidad baja, alta, aceleraciones, etc). En la Tabla 5 se puede observar la descripción de las variables evaluadas en cada tramo de la ruta.

Fig. 5. Ruta para la medición de emisiones en condiciones reales. Rojo para paradas frecuentes, amarillo para V<60kph y verde para vía rápida.

Tecnológico de Monterrey Ave. Garza Sada

(48)

Tabla 5. Ciclo de manejo en la ciudad de Monterrey.

Calle Clave para

gráficas Variable simulada Longitud de tramo (km)

2 de abril INI ≤60km/h 0.04

Junco de la Vega JV Paradas frecuentes 0.67

Luis Elizondo LE ≤60km/h 0.43

Garza Sada EGS ≤60km/h 2.5

Constitución CONS ≈80km/h 2.5

Cuauhtémoc CENTRO Paradas frecuentes 0.96

5 de mayo CENTRO Paradas frecuentes 0.4

Juárez CENTRO Paradas frecuentes 0.25

J. I. Ramón CENTRO Paradas frecuentes 0.46 Pino Suárez CENTRO Paradas Frecuentes 0.63

Constitución CONS ≈80km/h 2.5

Garza Sada EGS ≤60km/h 1.9

Ave. Del Estado AE ≤60km/h 0.35

Junco de la Vega JV ≤60km/h 0.22

2 de Abril FIN ≤60km/h 0.04

Cedes - -

Para evaluar las emisiones en el manejo en carretera, se hicieron corridas con el vehículo en la autopista al aeropuerto Mariano Escobedo de la ciudad de Monterrey. Este tramo conecta a la autopista Monterrey-Reynosa con la antigua carretera al aeropuerto. Se puede apreciar este tramo en la Figura 6.

Fig. 6. Mapa de la autopista al aeropuerto Mariano Escobedo. Carretera

aeropuerto

(49)

3.3.4EMISIONES EN CONDICIONES CONTROLADAS

Para tener una evaluación del automóvil sin contar con las fluctuaciones debidas a las diferencias en el tránsito, las cuales se deben a la distinta carga vehicular ocasionada por las discrepancias de cada día, se generaron pruebas para la medición de las emisiones bajo condiciones controladas. Es decir, se realizaron algunas corridas manteniendo las variables evaluadas en condiciones constantes. Con esto se buscó conocer el comportamiento de las emisiones a fin de poder reconocer más fácilmente las diversas secciones en las gráficas de análisis. De igual forma, esto sirvió para verificar que los resultados eran adecuados a la zona simulada de acuerdo al ciclo de manejo.

El monitoreo se hizo en el lecho del río Santa Catarina en una zona pavimentada localizada frente al Parque Fundidora la cual se utiliza comúnmente para lecciones de manejo. Para la simulación de las emisiones en zonas suburbanas, se dieron tres vueltas alrededor de la zona a una velocidad de 40 kph. Después, para simular la variable de paradas frecuentes se daba una vuelta completa durante la cual la velocidad del vehículo se llevaba hasta 15 kph y después se frenaba hasta llevar al vehículo a un paro total. Finalmente, la condición de vías rápidas no pudo evaluarse ya que el área mencionada anteriormente no está diseñada para alcanzar la velocidad a evaluar (80 kph).

3.4PERIODOS DE MONITOREO DE LOS VEHÍCULOS

3.4.1RENDIMIENTO DEL COMBUSTIBLE

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agosto y noviembre de 2007, sólo para ciudad y sin contar con la información de las distintas modalidades pues, como se mencionó anteriormente, estos vehículos no cuentan con la misma computadora de viaje que el CH.

3.4.2EMISIONES CONTAMINANTES DE LOS VEHÍCULOS

Para realizar el monitoreo de las emisiones en el CH para cada una de sus variantes, se realizaron mediciones de febrero a agosto del año 2007. Durante este periodo, se llevaron acabo mediciones de ignición en frío y en caliente, a velocidades moderadas y rápidas y para paradas frecuentes. Para la medición de emisiones en carretera se tuvieron dos períodos de prueba en abril y julio de 2007. Para el vehículo de combustión interna evaluado en el estudio se realizaron todas las pruebas del 7 al 19 de enero de 2008.

Las mediciones se realizaron al contar el CH con aproximadamente 20,000 km, mientras el CCI contaba con aproximadamente 43,000 km. Ambos vehículos recibieron las revisiones y afinaciones de acuerdo al manual del usuario en las agencias de vehículos correspondientes antes y durante las pruebas.

3.5 ANÁLISIS ESTADÍSTICO

3.5.1RENDIMIENTO DE COMBUSTIBLE

(51)

mayor parte de los datos del rendimiento promedio. Se llevó acabo una comparación entre las parejas de condiciones mencionadas al inicio de esta sección.

También se compraron los resultados obtenidos, a partir de los datos de la computadora de viaje, para diversos conductores. Para ello, se realizó una prueba de ANOVA para visualizar posibles diferencias entre el rendimiento para cada conductor.

De igual forma, se analizaron los datos obtenidos a partir de la información del registro de combustible, con el fin de obtener resultados acerca del rendimiento de combustible. Para ello, se obtuvieron la media, desviación estándar, intervalo de confianza y de tolerancia. Además, se compararon los resultados obtenidos para CH mediante ANOVA con los obtenidos a partir del rendimiento promedio obtenido de los cuatro vehículos CCI.

Finalmente, se llevó acabo una comparación, mediante la prueba de ANOVA, para los resultados obtenidos en los rendimientos de combustible a partir de las cargas del tanque y de la computadora de viaje del CH.

3.5.2MONITOREO DE EMISIONES

Una vez recolectados los datos, se llevaron a cabo diversos análisis. En primer lugar, para cada una de las pruebas de ambos vehículos, se realizó un análisis general. Para ello, se generaron gráficas de concentración en volumen vs. tiempo. Posteriormente, se realizó una regresión lineal entre parejas de datos que mostraban una posible correlación. Por ejemplo, para la relación CO2-O2 que

(52)

De igual forma, se calculó la masa de emisión de cada uno de los gases de combustión en unidades de g/km recorrido, para las pruebas de manejo en condiciones reales, y en g/min, para las pruebas de ignición. La duración de las pruebas de ignición para fines del cálculo de los factores fue de 120 segundos, aún cuando se llega a condiciones estables antes de este tiempo en ambos casos.

Para el cálculo de la emisión másica de los compuestos contaminantes, se tomó en consideración lo siguiente:

o Temperatura promedio de escape (100°C)

o Volumen promedio desplazado de acuerdo revoluciones promedio del

motor (RPM) para cada caso y a los datos del analizador

o Las RPM se obtuvieron como el promedio observado en el tacómetro

(durante cada prueba) debido a la incompatibilidad del instrumento de medición y los vehículos

o Condiciones de gas ideal

o Se utilizó la ecuación ⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = d t M RT P y RPM disp emisión i

2 , donde disp es el

desplazamiento del motor (L); RPM son revoluciones por minuto del motor; yi es la fracción molar de la especie i, P la presión atmosférica (atm), R la

constante de los gases ideales, T la temperatura de los gases en el escape, Mi es el peso molecular de la especie i; t el tiempo de duración de la

prueba; d es la distancia recorrida durante la prueba. El tercer factor de la

ecuación no se utilizó para el cálculo de las emisiones durante las pruebas de ignición.

Para obtener el porcentaje en volumen de la emisión total de cada una de las especies estudiadas, se llevaron acabo los siguientes procedimientos:

(53)

o Obtención de las partes por millón (base volumen) promedio de emisión

para HC y NOx.

Una vez obtenidas las emisiones másicas, se compararon los datos para cada tipo de medición en ambos automóviles utilizando la prueba de ANOVA. De igual forma, se procedió a calcular las razones HC-CO y HC-combustible (razón HC emitidos/combustible alimentado).

Para calcular la razón HC-CO, se dividió la masa total de HC para cada una de las pruebas entre la masa total de CO emitida durante las mismas. Posteriormente, se generó un promedio y para cada una de los resultados para ambos vehículos se comparó mediante prueba de ANOVA.

Para calcular la razón HC-combustible, se realizó un balance de materia con base al oxígeno presente en los gases de combustión y la razón aire-combustible. De esta forma, se pudo calcular la cantidad promedio de gasolina alimentada al vehículo durante las mediciones. Una vez obtenidos estos datos, se llevó a cabo un escalamiento de la emisión másica de HC. Este procedimiento se requiere ya que los HC medidos por el aparato con de gasolina, mientras el mismo es calibrado con propano. Para ello, se utilizaron los pesos moleculares promedios del propano (44) y de la gasolina (114).

Finalmente, se compararon mediante ANOVA las emisiones de ignición en frío vs en caliente para cada vehículo.

3.6 CÁLCULO DEL IMPACTO AMBIENTAL

(54)

o Todos los vehículos en Monterrey tienen una emisión de contaminantes

similar a la del CCI del presente estudio.

o Todos los vehículos en Monterrey serán sustituidos por CH.

Figure

Tabla 1. Composición del aire atmosférico seco (Wark, 1998).

Tabla 1.

Composición del aire atmosférico seco (Wark, 1998). p.15
Fig. 1.  Ciclo de combustión interna (Fuente: Enciclopedia Británica©).
Fig. 1. Ciclo de combustión interna (Fuente: Enciclopedia Británica©). p.17
figura 2, se puede observar el arreglo de la maquinaria, transmisión y baterías de un híbrido en paralelo

figura 2,

se puede observar el arreglo de la maquinaria, transmisión y baterías de un híbrido en paralelo p.21
Tabla 2.  Límites máximos permisibles

Tabla 2.

Límites máximos permisibles p.27
Figura 3.  Diagrama de la metodología.

Figura 3.

Diagrama de la metodología. p.40
Tabla 3. Datos de los  vehículos de combustión interna utilizados en el

Tabla 3.

Datos de los vehículos de combustión interna utilizados en el p.41
Fig. 4.  Analizador de gases Snap-on©.
Fig. 4. Analizador de gases Snap-on©. p.43
Tabla 4.  Rangos y precisión de los resultados.

Tabla 4.

Rangos y precisión de los resultados. p.44
Fig. 5. Ruta para la medición de emisiones en condiciones reales. Rojo para paradas frecuentes, amarillo para V<60kph y verde para vía rápida
Fig. 5. Ruta para la medición de emisiones en condiciones reales. Rojo para paradas frecuentes, amarillo para V<60kph y verde para vía rápida p.47
Fig. 6.  Mapa de la autopista al aeropuerto Mariano Escobedo.
Fig. 6. Mapa de la autopista al aeropuerto Mariano Escobedo. p.48
Tabla 5.  Ciclo de manejo en la ciudad de Monterrey.

Tabla 5.

Ciclo de manejo en la ciudad de Monterrey. p.48
Tabla 6. Rendimiento de combustible para el Civic Híbrido.

Tabla 6.

Rendimiento de combustible para el Civic Híbrido. p.56
Tabla 7.  Rendimientos promedio para distintos conductores en el CH.

Tabla 7.

Rendimientos promedio para distintos conductores en el CH. p.57
Fig. 7.  Emisiones de ignición en frío durante la prueba del 4 de febrero de 2007 (CH)
Fig. 7. Emisiones de ignición en frío durante la prueba del 4 de febrero de 2007 (CH) p.60
Fig. 8.  Relación entre HC y CO durante las igniciones en frío (CH, CCI).
Fig. 8. Relación entre HC y CO durante las igniciones en frío (CH, CCI). p.61
Tabla 8.  Relación CO2-O2 para las igniciones en frío.

Tabla 8.

Relación CO2-O2 para las igniciones en frío. p.63
Tabla 9.  Emisión en masa de los cinco compuestos en los gases de

Tabla 9.

Emisión en masa de los cinco compuestos en los gases de p.64
Figura 10 puede observarse un ejemplo de las mediciones de ignición en caliente.

Figura 10

puede observarse un ejemplo de las mediciones de ignición en caliente. p.65
Fig. 11.  Relación HC y CO durante las igniciones en caliente.
Fig. 11. Relación HC y CO durante las igniciones en caliente. p.66
Fig. 12.  Relación del CO2 y O2 durante las igniciones en caliente; CH en el panel superior y CCI en el panel inferior
Fig. 12. Relación del CO2 y O2 durante las igniciones en caliente; CH en el panel superior y CCI en el panel inferior p.67
Fig. 13. Emisiones durante paradas frecuentes para CH (panel superior) y CCI (panel inferior)
Fig. 13. Emisiones durante paradas frecuentes para CH (panel superior) y CCI (panel inferior) p.70
Fig. 14.  Emisiones en paradas frecuentes del 27 de marzo de 2007.   CO2 (%), O2 (%), NOx (ppm)×2
Fig. 14. Emisiones en paradas frecuentes del 27 de marzo de 2007. CO2 (%), O2 (%), NOx (ppm)×2 p.71
Fig. 15.  Emisiones durante pruebas controladas a V < 60 kph. Para el CH
Fig. 15. Emisiones durante pruebas controladas a V < 60 kph. Para el CH p.72
Fig. 16.  Emisiones de prueba del ciclo de manejo.  CH, panel superior, CO2 (%),  O2 (%), NOx(ppm), HC (ppm), CO (%x6)
Fig. 16. Emisiones de prueba del ciclo de manejo. CH, panel superior, CO2 (%), O2 (%), NOx(ppm), HC (ppm), CO (%x6) p.73
Tabla 13.  Emisión (g/km) de los compuestos contaminantes durante el ciclo de manejo.

Tabla 13.

Emisión (g/km) de los compuestos contaminantes durante el ciclo de manejo. p.75
Tabla 14.  Razones de emisión.

Tabla 14.

Razones de emisión. p.76
Tabla 15.  Emisión de los compuestos contaminantes (g/km).

Tabla 15.

Emisión de los compuestos contaminantes (g/km). p.77
Tabla 16.  Emisiones del Civic Híbrido, Honda Insight y Toyota Prius.

Tabla 16.

Emisiones del Civic Híbrido, Honda Insight y Toyota Prius. p.78
Tabla 17.  Disminución porcentual en la contaminación al substituir los vehículos de combustión interna, por vehículos híbridos

Tabla 17.

Disminución porcentual en la contaminación al substituir los vehículos de combustión interna, por vehículos híbridos p.79
Tabla 4.  Mezcla de gases de calibración.

Tabla 4.

Mezcla de gases de calibración. p.93