ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL
DESARROLLO DE UN CICLO DE
CONDUCCION EN SUSTITUCION DEL NEDC
Autor: Juan Martínez Samalea
Director: Juan de Norverto Moriñigo
AuToRtzAcrórrr pRRR LA DrcrrAL¡zrc¡óru, oepós¡ro
y
DrvutGAcróru eru AccESo ABIERTa I REsrRtNGtDol DE DocuMENrRclóru7e, Decloración de lo autorío y ocreditación de lo mismo.
El autor o. ¡ullu luAmíruez saualeR , como ALUMNo de la UN|vERSIDAD PoNTlFlclA coM I LLAS (COM TLLAS), DECTARA
que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra PROYECTO DE FIN DE CARRERA: DESARROLTO DE UN CTCLO DE
cotrloucclÓru eru susrtruclóru
orl
ueocl, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad lntelectual como titular único o cotitular de la obra.En caso de ser cotitular,
el
autor (firmante) declara asimismo que cuenta con elconsentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa
cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2e. objeto y fines de la cesión,
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad y hacer posible su utilización de formo libre y grotuito ( con los limitaciones que mds odelonte se detallonl por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor
CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad lntelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
3e. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:
1 Especificar sí es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro trabajo que deba ser objeto de evaluación académica
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recna:A"l "V""t 2"o"lqAutorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Juan de Norverto Moriñigo
recrra:*í./ .Y.1...2P t \¿
ge dg{ coordinador de proyectos José lgnacio Linares Hurtado
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL
DESARROLLO DE UN CICLO DE
CONDUCCION EN SUSTITUCION DEL NEDC
Autor: Juan Martínez Samalea
Director: Juan de Norverto Moriñigo
DEL NEDC
Autor: Martínez Samalea, Juan.
Director: Norverto Moríñigo, Juan.
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
Un ciclo de conducción es la herramienta más extendida a la hora de hacer ensayos de homologación de consumos de combustible y emisiones de gases contaminantes previamente a la comercialización de un vehículo en el mercado.
En un test de homologación el vehículo es situado sobre un banco de pruebas donde se simula un recorrido mientras se registran las emisiones de gases y consumos de combustible necesarios para que el vehículo lleve a cabo el ensayo. Un ciclo de conducción consiste en el perfil de velocidades que definen el recorrido aplicado al vehículo.
Debido a la escalada de precios que han sufrido el petróleo y sus derivados en la última década, con el consiguiente crecimiento del interés por los vehículos más económicos en términos de gasto de combustible, la presencia de normativas reguladoras de la contaminación cada vez más estrictas y un aumento general del interés por productos más respetuosos con el medio ambiente por parte de los países desarrollados, se ha producido en la última década un gran aumento de la eficiencia de los vehículos fruto de una gran inversión en investigación y desarrollo por parte de los fabricantes del sector de la automoción.
Por consiguiente, es lógico suponer que los resultados de estos ensayos suponen una gran influencia sobre las ventas de un determinado vehículo y, por tanto, los fabricantes ponen una especial atención en conseguir unos valores de consumo lo más favorables posible. El problema tratado en este proyecto surge al identificar una diferencia entre los resultados de estos ensayos, en concreto los realizados para vehículos comercializados en la Unión Europea, y el consumo real registrado en los vehículos en circulación por la vía pública.
El test trata de determinar el valor aproximado de consumo de combustible que tendrá el vehículo una vez sea conducido en circuito abierto, por lo que es necesario que el ciclo de conducción utilizado sea representativo de la realidad. En Europa el ciclo de conducción utilizado es el denominado New European Driving Cycle, o NEDC. Consta de dos fases, en la primera se simula la circulación del vehículo en un entorno urbano con velocidades máximas de 50 km/h y en la segunda se simula la circulación en un
VIII
La figura 1 muestra el perfil de velocidades que caracteriza a este ciclo de conducción.
Figura 1. Perfil de velocidades del ciclo NEDC.
El objeto de este proyecto es proponer un ciclo de conducción alternativo al ciclo NEDC con el fin de conseguir unos resultados más cercanos a la realidad en los ensayos de homologación de consumos de combustible y emisiones de gases.
Metodología
En primer lugar es necesario elaborar un simulador donde poder reproducir el comportamiento de un vehículo al llevar a cabo el ciclo de conducción y obtener una estimación precisa de los resultados sin necesidad de realizar empíricamente los ensayos. El desarrollo del simulador se ha llevado a cabo haciendo uso de las aplicaciones informáticas Matlab y Simulink.
Una vez concluida la elaboración del simulador se ha comprobado su precisión simulando el ciclo NEDC, cuyos resultados son conocidos. En esta simulación se ha obtenido una desviación en el consumo entregado por el simulador respecto del consumo declarado por el fabricante inferior al 3%, lo que ratifica la exactitud de la información ofrecida por el simulador.
Para poder construir el ciclo de conducción de manera que represente fielmente la realidad se han realizado mediciones empíricas en circuito abierto en las que se ha registrado los valores de velocidades de un vehículo en multitud de escenarios diferentes. Estas medidas se pueden agrupar en tres categorías: circulación por vía urbana, circulación por la red de carreteras secundarias y circulación por la red de
que debe seguir el ciclo de conducción propuesto.
Una vez finalizadas las medidas empíricas se ha procedido al procesamiento de los datos obtenidos y a su implantación en el entorno de simulación. Tras realizar las simulaciones de estos datos para calcular el consumo del vehículo en circunstancias reales, se ha llevado a cabo el desarrollo del ciclo de conducción alternativo al NEDC, cuyo perfil de velocidades se muestra en la figura 2.
Figura 2. Ciclo de conducción propuesto como alternativa al NEDC.
Resultados
La tabla 1 muestra los resultados obtenidos por las simulaciones de las medidas tomadas empíricamente y del ciclo propuesto en comparación con los valores ofrecidos por el ciclo NEDC para un Volkswagen Golf 2.0 TDI 140 cv con cambio manual.
X Circulación
Consumo medido en el
test NEDC
Consumo simulado en las medidas experimentales
Consumo simulado en el ciclo de conducción
propuesto Urbana 7,1 l/100km 7,02 l/100km 7,18 l/100 km
Vías
secundarias 4,5 l/100km 6,48 l/100km 6,67 l/100 km Autopista 4,5 l/100km 5,64 l/100km 5,87 l/100 km Combinada 5,3 l/100km 6,21 l/100km 6,12 l/100 km
Tabla 1. Resultados de las simulaciones de los distintos ciclos.
Como puede observarse en la tabla 1, los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas con el ciclo de conducción alternativo suponen una buena representación de los obtenidos en las simulaciones de las medidas tomadas experimentalmente, con márgenes de error inferiores al 5%. Por el contrario, el ciclo NEDC ofrece unos valores de consumo que, fundamentalmente en los caso de circulación extra-urbana, se sitúan muy por debajo de los valores de consumo del vehículo en carretera abierta, con errores de hasta un 30% del valor.
Si se comparan estos valores con una base de datos existente en la que usuarios de distintos vehículos almacenan sus registros reales de consumo de combustible se obtienen unos resultados similares. La siguiente figura muestra una comparación entre los consumos homologados según el ciclo NEDC, los simulados utilizando el ciclo de conducción propuesto y la media de consumo registrada en la base de datos de consumo para una serie de vehículos diferentes.
Vehículo
Consumo declarado por el ciclo NEDC
[l/100km]
Consumo real registrado [l/100 km]
Consumo simulado mediante el ciclo propuesto [l/100 km]
Volkswagen
Golf 5,3 6,03 6,12
Volkswagen
Passat 5,8 6,57 6,67
Volkswagen
Touran 6 6,98 7,17
Audi A3 5,5 6,32 6,55
Audi A4 5,8 6,65 6,77
Audi A6 6,1 7,76 7,25
consumo y el ciclo alternativo propuesto.
Figura 3. Consumos de combustible obtenidos según el ciclo NEDC, la base de datos de consumo y el ciclo alternativo propuesto.
En la figura 3 se puede apreciar cómo el consumo medido en la simulación del ciclo propuesto se ajusta con gran precisión al consumo real del vehículo aportado por la base de datos, mientras que el consumo homologado por el ciclo NEDC se encuentra en todo momento con valores entre un 15% y un 25% inferiores a los de consumo real.
Conclusiones
Basándose en los resultados de las simulaciones realizadas se puede afirmar que el ciclo NEDC no resulta representativo del comportamiento real de un vehículo y, por tanto, no resulta apropiado para la realización de ensayos de homologación de consumos de combustible y emisiones contaminantes.
Por otra parte, se ha comprobado cómo el ciclo propuesto sí que se ajusta al comportamiento real del vehículo, con unos márgenes de error muy inferiores a los que presenta el ciclo NEDC, por lo que puede considerarse una alternativa real al empleo de este último a la hora de realizar los ensayos de homologaciones.
Por último, cabe destacar la precisión del simulador elaborado, que lo convierte en una herramienta idónea para estimar el consumo de un vehículo, y cuyo futuro desarrollo podría favorecer su uso en otras aplicaciones referentes al comportamiento dinámico de un automóvil.
XII
DEVELOPMENT OF A DRIVING CYCLE IN REPLACEMENT FOR THE NEDC.
PROJECT SUMMARY
Introduction
A driving cycle is the most extended tool for performing fuel consumption and emission levels official approval tests prior to the launch of a new vehicle into a market.
In these tests the vehicle is placed on a test bench in which it is performed a simulation of an itinerary. During the test the emissions and fuel consumption needed to complete the itinerary are measured. A driving cycle consists of the speed profile that defines this itinerary.
Due to the risen on the prices of oil and its derived products, during the last decade there has been an increase on the interest for more and more economic vehicles in terms of fuel efficiency. In addition, the adoption of new and stricter emissions regulations and the increasing interest on environment-friendly products in the developed countries has benefited a great progress on vehicles fuel efficiency as a result of a strong investment on research and development carried out by the automotive manufacturers.
Thus, the results obtained in these tests have a considerable impact on vehicles’
sales and, therefore, car manufacturers will put a substantial effort on achieving as lowest fuel consumption values as possible. However, there are cases in which the result of the test doesn’t correlate with the fuel consumption of the vehicle when it is driven in open road, especially in those tests performed for vehicles sold in the European Union.
This is problem intended to solve in this project.
The test tries to give an approximate value of the fuel consumption of the vehicle in open road, so the driving cycle used must be appropriately representative of the population’s driving habits. The driving cycle used within the European Union is the New European Driving Cycle, or NEDC. It consists of two stages: the first one simulates urban driving, with speeds up to 50 km/h, and the second one simulates extra- urban driving, with a top speed of 120 km/h. Figure 1 shows the speed profile that defines the NEDC cycle.
Figure 1. NEDC cycle speed profile.
The main objective of this project is to suggest and develop a driving cycle in replacement for the NEDC so that the results obtained in the test on fuel consumption and emission levels are closer to reality
Methodology
The first step is to develop a software application capable of simulating the dynamics of a vehicle when carrying out a driving cycle, so that an estimation of the fuel consumption may be calculated without the need of performing empirical tests. The simulator has been developed using the software Matlab and its application Simulink.
Once the simulator has been built, its accuracy has been tested by simulating an NEDC driving cycle. The results for this test are known, as they are the ones provided by the car manufacturer. In this simulation, using as the vehicle a manual Volkswagen Golf 2.0 TDI, the results offered by the simulator showed a deviation of less than 3%
with the ones offered by the NEDC cycle, which certifies its precision.
In order to develop the driving cycle so that it represents accurately the real consumption there has been carried out empiric measurements on open road in which there has been registered speed data while driving a vehicle on different scenarios.
These measurements can be put into three categories: urban driving, secondary roads driving and highway driving. The analysis of the data gathered in these measurements will provide the main guidelines for the establishment of the alternative driving cycle.
XIV
The next step consists of processing the data measured and implementing it into the simulation environment. Then, a simulation of this data is performed, which returns the fuel consumption simulated on real driving conditions instead of on a driving cycle.
After carrying out these simulations and analyzing their results there has been developed the driving cycle which intends to be a substitute to the NEDC cycle. Figure 2 shows the speed profile for this proposed driving cycle.
Figure 2. Proposed driving cycle as an alternative to the NEDC.
Results
Table 1 shows the results obtained in the simulations of the empirical measures and the proposed driving cycle, compared to the values of the fuel consumption given by the NEDC test.
Road
consumption consumption
simulation cycle simulation Urban 7,1 l/100km 7,02 l/100km 7,18 l/100 km Secondary
roads 4,5 l/100km 6,48 l/100km 6,67 l/100 km Highway 4,5 l/100km 5,64 l/100km 5,87 l/100 km Combination 5,3 l/100km 6,21 l/100km 6,12 l/100 km
Table 1. Simulations results compared to the NEDC test results.
As it may be observed, the results offered by the simulation of the proposed driving cycle suppose a good representation of the ones offered by the empirical measures, with a margin of error lower than 5%. However, the fuel consumption values offered by the NEDC test, especially in extra-urban driving, are considerably lower than the empirical ones, presenting a margin of error of up to 30% of the value.
These results can also be compared to an existing database that stores the real, open road measured fuel consumption records of its users, with similar outcome than in the previous comparison. Table 2 shows a comparison of the NEDC tests, the mean fuel consumption of the users in the database and the simulation of the proposed cycle for six different vehicles.
Vehicle
NEDC fuel consumption
[l/100km]
Real fuel consumption recorded in the database
[l/100 km]
Simulation of the proposed driving cycle [l/100 km]
Volkswagen
Golf 5,3 6,03 6,12
Volkswagen
Passat 5,8 6,57 6,67
Volkswagen
Touran 6 6,98 7,17
Audi A3 5,5 6,32 6,55
Audi A4 5,8 6,65 6,77
Audi A6 6,1 7,76 7,25
Table 2. Fuel consumption results for the NEDC cycle, consumption database information and simulation of the proposed driving cycle.
XVI
Figure 3. Fuel consumption results for the NEDC cycle, consumption database information and simulation of the proposed driving cycle.
As it may be observed in figure 3, the proposed driving cycle results provide a high accuracy to the real values obtained from the database, whereas the consumption declared by the NEDC cycle remains in all cases in values about 15% to 25% lower than the real fuel consumption ones.
Conclusions
Based on the results of the simulations carried out it may be confirmed that the NEDC cycle is not representative of the real behavior of a vehicle, and therefore its use is not appropriate for the execution of official approval tests for the measurement of fuel consumption and emission levels.
Also, it has been proved how the proposed cycle actually adapts with high precision to the real behavior of a vehicle, with margins of error much lower than the ones present in the NEDC tests. Thus, the proposed cycle may be considered as an alternative to the NEDC cycle for the development of these tests.
Finally, it needs to be noted the accuracy of the simulator developed, making it an ideal tool for estimating fuel consumption of a vehicle, and whose future development may favor its use in other applications concerning the dynamic behavior of a car.
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
Consumo declarado por el ciclo NEDC [l/100km]
Consumo real registrado [l/100 km]
Consumo simulado mediante el ciclo propuesto [l/100 km]
Índice de la memoria
Parte 1. Memoria ... 9
Capítulo 1. Introducción ... 11
1.2. Estudio de los trabajos y tecnologías existentes. ... 12
1.3. Motivación del proyecto. ... 16
1.4. Objetivos del proyecto. ... 18
1.5. Metodología de trabajo. ... 18
1.6. Recursos a emplear. ... 19
Capítulo 2. Comportamiento de un vehículo ... 21
2.1 Esfuerzos sobre el vehículo ... 21
2.2. Ecuaciones fundamentales de los motores de combustión interna alternativos ... 29
Capítulo 3. Construcción del simulador ... 35
3.1 Consideraciones previas y entorno de simulación ... 35
3.2. Primer subsistema. Esfuerzos resistentes al avance. ... 43
3.3. Segundo subsistema. Régimen de giro. ... 45
3.4. Tercer subsistema. Potencia efectiva. ... 46
3.5. Cuarto subsistema. Presión media efectiva. ... 48
3.6. Quinto subsistema. Consumo específico de combustible. ... 49
3.7. Sexto subsistema. Consumo medio de combustible. ... 51
2
Capítulo 4. Desarrollo del ciclo de conducción. ... 55 4.1. Medidas experimentales. ... 55 4.2. Ciclo propuesto como alternativa al NEDC ... 57 4.3. Simulaciones realizadas con el ciclo propuesto. ... 58 4.4. Comprobación de los resultados obtenidos en las
simulaciones. ... 61
Capítulo 5. Conclusiones... 63
5.1. Conclusiones sobre la metodología ... 63
5.2. Conclusiones sobre los resultados ... 64
Capítulo 6. Recomendaciones para futuros desarrollos ... 67
6.1. Ampliaciones sobre el simulador. ... 67
6.2. Ampliaciones sobre el ciclo de conducción. ... 69
6.3. Ampliaciones auxiliares ... 70
Capítulo 7. Estudio económico ... 73
7.1. Documentación y tareas previas al desarrollo del proyecto. 73
7.2. Construcción del simulador ... 74
7.3. Medidas experimentales ... 74
7.4. Simulaciones, desarrollo del ciclo de conducción y análisis de
los resultados. ... 75
7.5. Resumen y presupuesto necesario ... 75
Bibliografía ... 77
Anexo 1. Manual de usuario ... 81 1.1. Consideraciones previas e implantación de datos en el
entorno de simulación ... 81
1.2. Utilización del simulador. ... 85
4
Índice de figuras
Figura 1. Ciclo de conducción FTP-75. ... 13 Figura 2. Ciclo EPA Highway. ... 13 Figura 3. Ciclo EPA US06. ... 14 Figura 4. Ciclo EPA SC03. ... 14 Figura 5. Ciclo de conducción JC08. ... 15 Figura 6. Perfil de velocidades del ciclo NEDC. ... 15 Figura 7. Diagrama de cuerpo libre de un vehículo en movimiento.
[GILL92] ... 21 Figura 8. Fuerzas y momentos que actúan sobre un cuerpo inmerso en un fluido [WHIT98] ... 22 Figura 9. Desprendimiento de la capa límite en un objeto en
movimiento sumergido en un fluido. [GILL92] ... 24
Figura 10. Formación de un punto de remanso y desprendimiento de
la capa límite en un vehículo en movimiento. [ARPEM] ... 24
Figura 11. Coeficiente de resistencia a la rodadura respecto de la
velocidad de desplazamiento del vehículo. [UPCO] ... 26
Figura 12. Coeficiente de fricción a la rodadura. [GILL92] ... 27
Figura 13. Área representativa del trabajo indicado [ARIA04]. ... 31
Figura 14. Presión media efectiva [GRAM]. ... 32
Gráfica aportada por el director del proyecto. ... 34 Figura 16. Datos técnicos del motor Volkswagen 2.0TDI 140 cv. ... 36 Figura 17. Datos técnicos Volkswagen Golf con caja de cambios
Manual ... 37 Figura 18. Curvas de isoconsumo en forma de matriz en formato Excel. Elaboración propia. ... 38 Figura 19. Subsistema 1. ... 43 Figura 20. Fuerza de tracción respecto del tiempo ... 44 Figura 21. Subsistema 2. ... 45 Figura 22. Régimen de giro del motor respecto del tiempo. ... 46 Figura 23. Subsistema 3. ... 46 Figura 24. Potencia efectiva entregada frente a tiempo. ... 47 Figura 25. Subsistema 4. ... 48 Figura 26. Presión media efectiva respecto del tiempo. ... 48 Figura 27. Subsistema 5 ... 49 Figura 28. Consumo específico respecto del tiempo. ... 50 Figura 29. Subsistema 6. ... 51 Figura 30. Consumo expresado en l/h respecto del tiempo.
Aceleración respecto del tiempo. ... 52
Figura 31. Consumo medio de combustible expresado en l/100 km
respecto del tiempo. ... 52
Figura 32. Perfil de velocidades en entorno urbano. ... 56
6
Figura 33. Perfil de velocidades en circulación por la red de
carreteras secundarias. ... 56 Figura 34. Perfil de velocidades en circulación por la red de
autopistas y autovías. ... 57
Figura 35. Ciclo de conducción propuesto alternativo al NEDC. ... 58
Figura 36. Consumos de combustible reales medidos por usuarios
anónimos. ... 61
Figura 37. Comparación de consumos medidos según los distintos
métodos en vehículos diferentes. ... 65
Figura 38. Herramienta "Import Data". ... 82
Figura 39. Workspace. ... 84
Figura 40. Aspecto del entorno Simulink. ... 85
Figura 41. Selección del tiempo máximo de simulación. ... 85
Figura 42. Botón Run. ... 86
Figura 43. Inspección de una variable mediante un bloque "Scope". 86
Figura 44. Menú de inspección de datos. ... 87
Figura 45. Inspección de resultados mediante etiquetas. ... 87
Índice de tablas
Tabla 1. Poder calorífico de los combustibles utilizados en la
industria automovilística. [UPCO] ... 30 Tabla 2. Resultados de los ensayos realizados con el ciclo NEDC. ... 53 Tabla 3. Resultados de simulaciones en circulación urbana. ... 59 Tabla 4. Resultados de simulaciones en circulación por carreteras secundarias ... 59 Tabla 5. Resultados de simulaciones en circulación por autopista. ... 60 Tabla 6. Resultados de simulaciones del ciclo de conducción
completo. ... 60
Tabla 7. Comparación de consumos medidos según los distintos
métodos en vehículos diferentes. ... 62
Tabla 8. Reparto de horas de trabajo relativas a tareas previas y
documentación sobre el proyecto. ... 73
Tabla 9. Reparto de horas de trabajo relativas a la construcción del
simulador. ... 74
Tabla 10. Reparto de horas de trabajo relativas a la obtención de
medidas experimentales. ... 74
Tabla 11. Reparto de horas de trabajo relativas a la elaboración de las
simulaciones, el desarrollo del ciclo de conducción y el análisis de los
resultados. ... 75
8
Tabla 12. Resumen y presupuesto necesario para la elaboración del
proyecto. ... 76
Parte 1. Memoria
10
Capítulo 1. Introducción
Con más de 800 millones de vehículos en circulación en todo el mundo a finales de la última década, la industria automovilística constituye uno de los sectores más importantes para la economía mundial. El automóvil es el principal medio de transporte en la mayoría de los países desarrollados y emergentes.
En los últimos años, la escalada de precios que ha sufrido el petróleo en los mercados internacionales ha provocado que los precios de los dos principales combustibles utilizados por esta industria, el diesel y la gasolina, se hayan visto incrementados significativamente. Este hecho, unido a la creciente demanda de productos más respetuosos con el medio ambiente en los países desarrollados, ha provocado que los fabricantes se interesen cada vez más en producir vehículos más eficientes.
Debido a esto ha surgido la necesidad de cuantificar esa eficiencia, con el objetivo de poder comparar esta medida entre diferentes vehículos. Los dos parámetros más extendidos para cuantificar la eficiencia de un vehículo son los litros de combustible consumidos para recorrer una determinada distancia (o, en el ámbito anglosajón, la distancia recorrida utilizando una cantidad determinada de combustible), y la cantidad de gases emitidos a la atmósfera al recorrer dicha distancia. Para calcular estos dos parámetros el método más extendido es el de la realización de ensayos con ciclos de conducción.
Un ciclo de conducción consiste en la secuencia de la velocidad de un vehículo en un determinado intervalo de tiempo. Para que sea efectivo, el ciclo de conducción debe mostrar un comportamiento cercano a la realidad y representar un estilo de conducción que se adapte a los hábitos de la población sobre la que se quiere aplicar.
Una vez determinado un ciclo de conducción, se debe establecer la metodología en la que se llevan a cabo los ensayos, de forma que en cada uno de los vehículos realice el ensayo bajo las mismas condiciones. Como la circulación de un vehículo por una carretera se ve muy afectada por circunstancias aleatorias y difíciles de controlar, este tipo de ensayos se realizan situando el vehículo en un banco de rodillos en un laboratorio cerrado, en el que se pueden controlar las distintas variables que puedan afectar a la eficiencia del vehículo. A pesar de no llevarse a cabo el ensayo en circulación por carretera abierta, el hecho de que el ciclo de conducción sea una representación de las características reales de la circulación permite medir el consumo de combustible en condiciones cercanas a la realidad.
12 Una vez aplicado el ciclo de conducción al vehículo, es posible medir tanto la
cantidad de combustible utilizado por éste como la cantidad de gases emitidos a la atmósfera. De hecho, estas dos medidas están directamente relacionadas, por lo que el conocimiento de una de ellas favorecerá el cálculo de la otra.
En los ensayos de homologación se miden las emisiones de gases por el escape mediante una sonda, y a partir de esta medida se calcula el consumo de combustible. Sin embargo, ya que no se van a llevar a cabo ensayos en bancos de rodillos, este proyecto se va a centrar en el cálculo del consumo de combustible en lugar de las emisiones de gases contaminantes.
1.2. Estudio de los trabajos y tecnologías existentes.
En la actualidad existen diversos organismos encargados de medir las emisiones de gases contaminantes y consumos de combustible de los vehículos antes de su comercialización. Estos organismos determinan y llevan a cabo los ciclos de conducción que consideran más adecuados para realizar las mediciones. De esta forma, encontramos que cada uno realiza un ciclo de conducción diferente, y como consecuencia los resultados obtenidos también son distintos.
A continuación se muestran los ciclos de conducción más utilizados en el mundo hoy en día, centrándose en el ciclo de conducción utilizado en la Unión Europea, que es sobre el que se basará este proyecto.
1.2.1. Ciclo EPA.
Se trata del conjunto de ciclos de conducción definidos por la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) estadounidense. Por tanto, su empleo está enfocado a aquellos vehículos comercializados en Estados Unidos, aunque se ha expandido también a otros países. Se introdujo por primera vez en 1978 con el ciclo urbano conocido como FTP-75, y en el año 2008 se añadieron tres ciclos más para complementar los resultados ofrecidos por el primero. La figura 1 muestra el ciclo de conducción urbana.
Figura 1. Ciclo de conducción FTP-75.
La figura 2 muestra el ciclo de conducción EPA Highway, representativo de la conducción por autopista.
Figura 2. Ciclo EPA Highway.
La figura 3 muestra el perfil de velocidades del ciclo de conducción EPA US06, que trata de simular una conducción agresiva.
14 Figura 3. Ciclo EPA US06.
La figura 4 representa el ciclo de conducción EPA SC03, que añade el empleo de aire acondicionado, lo que supondrá un consumo auxiliar adicional al necesario para desplazar el vehículo.
Figura 4. Ciclo EPA SC03.
1.2.2. Ciclo JC08.
El ciclo JC08 es el utilizado para la homologación de consumos y emisiones en Japón. Se trata de un ciclo de conducción bastante moderno, pues su entrada en vigor se produjo en el año 2008, cuando sustituyó al ciclo 10-15 que se venía utilizando desde 1983. En él se trata de replicar la circulación en tráfico urbano congestionado, con frecuentes períodos de aceleración y deceleración, y un gran número de instantes en el que el vehículo se encuentra parado.
Figura 5. Ciclo de conducción JC08.
1.2.3. Ciclo NEDC.
Se trata del ciclo de conducción empleado para llevar a cabo las homologaciones de consumos de combustible y emisiones de gases contaminantes en vehículos comercializados en el ámbito de la Unión Europea. El perfil de velocidades utilizado en este ciclo de conducción es el siguiente:
Figura 6. Perfil de velocidades del ciclo NEDC.
16 En la figura 6 pueden observarse las dos fases en las que se desarrolla este
ciclo de conducción. En primer lugar consta de una fase que simula la circulación en zona urbana. Al inicio de esta fase se arranca el coche y se mantiene 40 segundos al ralentí. Se mete primera, se alcanzan 15 km/h, y se vuelve a detener. Después de 50 segundos al ralentí se acelera hasta 35 km/h, y se vuelve a detener el vehículo. Tras esto, se acelera de nuevo hasta 50 km/h, se reduce hasta 27 km/h y se detiene el vehículo una vez más. Este proceso se repite tres veces más para completar el recorrido urbano. Cabe destacar la gran presencia de tiempos en los que el vehículo se encuentra parado.
A continuación se lleva a cabo la fase extra-urbana. Se acelera desde parado hasta 70 km/h. Tras más de un minuto a esta velocidad se disminuye a 50 km/h y se mantiene durante un minuto. Se vuelve a acelerar hasta 70 km/h, tras un minuto se incrementa la velocidad hasta los 100 km/h y durante unos instantes se alcanzan 120 km/h para luego decelerar y dar por concluido el ciclo de conducción.
El ensayo se hace siempre en un espacio cerrado con la temperatura controlada y a presión atmosférica. Antes de la prueba, el coche permanece entre 20 y 24 ºC durante seis horas y media. El vehículo deberá haber recorrido previamente entre 3.000 y 15.000 km. Se tiene en cuenta únicamente la presencia de un ocupante en el interior del vehículo, y los sistemas eléctricos auxiliares deberán permanecer desconectados. El proceso completo dura 1220 segundos, algo más de 20 minutos, y corresponde a un recorrido de 11 kilómetros y 7 metros. Eso supone una velocidad media de la prueba cercana a 35 km/h.
1.2.4. Futuros desarrollos.
Por otra parte, bajo las directrices del Foro para la Coordinación de las Regulaciones de Vehículos de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa se está trabajando en el desarrollo de un ciclo de conducción estándar y global para la medición de consumos y emisiones, cuya primera implantación se espera que se lleve a cabo en octubre de 2015.
1.3. Motivación del proyecto.
A menudo puede observarse cómo los resultados de estos ciclos de conducción difieren ampliamente de los valores de consumo de combustible registrados por los consumidores finales en circulación por carretera abierta. Esto quiere decir que el ciclo de conducción utilizado no consigue reflejar fielmente la realidad y, por tanto, su empleo no resulta adecuado.
desarrollado fuertes políticas de regulación de las emisiones de gases contaminantes en vehículos ligeros, especialmente en el ámbito de la Unión Europea. Para poder comercializar sus vehículos un una zona geográfica determinada, los fabricantes deben de cumplir con las regulaciones existentes en materia de contaminación, que suelen establecer el límite máximo admisible de emisiones de gases de los vehículos nuevos y cuya comprobación se lleva a cabo mediante este tipo de ensayos utilizando un ciclo de conducción. Este hecho incrementa el interés por que el ensayo resulte representativo de la realidad, con el fin de que las reducciones de emisiones llevadas a cabo por el fabricante tengan una repercusión favorable en el medio ambiente y no únicamente en el ensayo realizado.
Tanto la influencia de la normativa regulatoria en las actuaciones de los fabricantes del sector de la automoción como el interés cada vez mayor por productos más respetuosos con el medio ambiente y cuya utilización resulte lo más económica posible producen una evidente repercusión en las ventas de vehículos, lo que unido al considerable tamaño de la industria automovilística provoca que los resultados aportados por los ciclos de conducción tengan una notable influencia en las cifras totales de combustible consumido y las toneladas de gases contaminantes emitidas a la atmósfera.
Centrándonos en el ciclo NEDC, utilizado en la homologación de emisiones contaminantes y consumos de combustible en Europa, analizando el perfil de velocidades que lo componen representado en la figura 6, es posible apreciar algunas de las deficiencias que hacen que este ciclo difiera del comportamiento real de un vehículo y, por tanto, sus resultados no puedan considerarse absolutamente válidos. En primer lugar puede observarse cómo en la fase extraurbana el tiempo en el que el vehículo se encuentra a altas velocidades, por encima de 100 km/h representa una fracción muy pequeña respecto al ciclo de conducción completo. Es necesario aportar una mayor ponderación a esta fase del ensayo, pues una gran parte de la circulación por carretera abierta se realiza por la red de autopistas y autovías, en la que se circula a velocidades superiores a los 100 km/h. Otro defecto de este ciclo de conducción es la repetición de cuatro perfiles de velocidades con la misma forma en la fase urbana. Este hecho facilita la optimización de los motores por parte de los fabricantes para conseguir unos resultados ventajosos en el test sin que éstos sean representativos del comportamiento real del vehículo, por lo que se debe considerar reducir el número de repeticiones. Por último, puesto que este ciclo de conducción es de aplicación a la totalidad de vehículos comercializados en la Unión Europea, la velocidad máxima alcanzada debe establecerse en el límite de velocidad establecido por un gran número de países de la Unión de 130 km/h, para no perjudicar a los usuarios de dichos países anunciando un consumo inferior al que sus vehículos van a presentar.
18 Por tanto, se aprecia necesaria la realización de una serie de modificaciones
en este ciclo de conducción con el fin de solucionar estas deficiencias y conseguir unos resultados representativos del comportamiento real de un vehículo que hagan válido el uso del ciclo de conducción en la homologación de consumos y emisiones en el ámbito europeo.
1.4. Objetivos del proyecto.
1. Realizar un modelo de simulación del comportamiento de un vehículo, y comprobar su correcto funcionamiento mediante la simulación de un ciclo NEDC, del cual se conocen previamente los resultados.
2. Diseñar un ciclo de conducción alternativo. Para ello, será necesario realizar medidas experimentales en circulación por carretera abierta para poder obtener información sobre hábitos de conducción.
3. Simular el ciclo de conducción establecido.
4. Realizar comparaciones entre los resultados de la simulación, medidas reales obtenidas y resultados ofrecidos por el ciclo de conducción NEDC y anunciados por los fabricantes.
1.5. Metodología de trabajo.
La metodología de trabajo utilizada para la consecución de los objetivos propuestos será la siguiente:
En los primeros pasos del desarrollo del proyecto se llevará a cabo una recopilación de datos sobre los ciclos de conducción y las condiciones estándar bajo las que se llevan a cabo.
Se estudiarán los conceptos teóricos que rigen el comportamiento dinámico de un automóvil así como las ecuaciones de funcionamiento de los motores de combustión interna.
Se elaborará un simulador que incluya estos conceptos y cuyos resultados se ajusten con precisión a los obtenidos empíricamente.
Se tomarán medidas empíricas sobre datos de circulación para conseguir una serie de perfiles de velocidades reales que tratarán de implementarse posteriormente en el ciclo de conducción propuesto.
Se elaborará un nuevo ciclo de conducción a partir del ciclo NEDC y las medidas experimentales tomadas.
Se simulará el ciclo de conducción propuesto y se procederá al análisis de los resultados.
1.6. Recursos a emplear.
La principal herramienta que se va a utilizar para el desarrollo de las simulaciones es el programa informático Matlab, y en concreto su aplicación Simulink. Ésta es una aplicación conocida puesto que se ha utilizado previamente en diversas asignaturas de la titulación de Ingeniería Industrial, por lo que su utilización en el proyecto no supondrá un inconveniente.
Para el almacenamiento de datos necesarios para la simulación y su posterior introducción en ella se utilizará Microsoft Excel.
Para la elaboración de la memoria del proyecto, así como los diversos documentos y anexos necesarios se utilizará Microsoft Word.
También será necesario conocer los datos técnicos de los vehículos que se van a ensayar, así como las curvas de isoconsumo de sus motores. Estos datos se obtendrán de catálogos de fabricantes de la industria del automóvil, páginas web especializadas o serán aportados por el director del proyecto.
Además de los datos técnicos de los vehículos, será necesario conocer sus consumos reales. Estos datos se obtendrán de pruebas realizadas en carretera abierta, y bases de datos online de consumos de vehículos aportados por usuarios reales de los mismos.
Por último, para poder establecer las comparaciones finales y conclusiones del proyecto, se requerirá realizar medidas de consumos en vehículos en carretera abierta, para lo que será necesario un vehículo, aportado por el autor del proyecto, y un software de seguimiento mediante GPS implementado en un dispositivo móvil situado en el interior del vehículo.
20
vehículo.
En este capítulo se realiza un análisis de los distintos conceptos teóricos que rigen el comportamiento dinámico de un vehículo cuando se encuentra en circulación. Se va a analizar tanto la acción del entorno exterior sobre el vehículo en forma de fuerzas ejercidas como la acción interna del motor, encargado de producir el movimiento.
2.1 Esfuerzos sobre el vehículo.
Para la determinación del comportamiento de un vehículo al realizar un recorrido es necesario conocer las fuerzas que aparecen entre éste y el entorno, y que provocan su desplazamiento. Una forma simplificada pero muy representativa para analizar estas interacciones entre el vehículo y el entorno es plantear el diagrama de cuerpo libre del vehículo analizando los esfuerzos únicamente en la dirección de la marcha.
Figura 7. Diagrama de cuerpo libre de un vehículo en movimiento. [GILL92]
Donde:
DA: Fuerza aerodinámica.
W: Peso. Se descompone en una fuerza paralela al desplazamiento y otra perpendicular según el ángulo de la pendiente.
Θ: Ángulo de la pendiente de ascensión.
Wf, Wr: Fuerza normal delantera y trasera, respectivamente.
22
Rxf, Rxr: Fuerza de resistencia a la rodadura delantera y trasera, respectivamente.
Fxf, Fxr: Fuerza de tracción delantera y trasera, respectivamente.
De esta forma se obtiene que, para llevar a cabo el avance del vehículo, la fuerza de tracción ejercida por el motor debe ser capaz de vencer los esfuerzos resistentes al avance que aparecen, y que son resumidos a continuación:
a. Fuerza aerodinámica.
Cuando un cuerpo se desplaza a través de un fluido, como en este caso es el aire, se producen seis acciones aerodinámicas sobre él: tres fuerzas y tres momentos:
Fuerza de resistencia aerodinámica al avance o “Drag force”.
Fuerza de empuje lateral aerodinámico o “Side forcé”.
Fuerza de sustentación aerodinámica o “Lift force”.
Momento aerodinámico de vuelco o “Rolling moment”.
Momento aerodinámico de cabeceo o “Pitching moment”.
Momento aerodinámico de guiñada o “Yawing momento”.
Figura 8. Fuerzas y momentos que actúan sobre un cuerpo inmerso en un fluido [WHIT98]
Todas estas interacciones influyen en el comportamiento del vehículo, especialmente a altas velocidades pero, a la hora de analizar su efecto en el consumo del vehículo, la influencia de la fuerza de resistencia aerodinámica al avance es mucho mayor que la del resto de efectos.
Por tanto, en la construcción del simulador ésta será la única fuerza aerodinámica tenida en cuenta.
(Ecuación 1)
Donde las variables utilizadas toman el siguiente significado:
. Define la densidad del aire a presión atmosférica. Se indica en kg/m3.
. Define la superficie ocupada al proyectar el volumen del vehículo sobre un plano perpendicular a su eje longitudinal. Se expresa en m2.
. Es el coeficiente de penetración aerodinámica. Se trata de un término adimensional. En la mecánica de fluidos es el coeficiente correspondiente a la fuerza denominada “Drag”, y por tanto se denomina . En un automóvil suelen definirse tres ejes: se denomina eje x al eje longitudinal del vehículo, en el que se efectúa la marcha, eje y al eje vertical y eje z al eje horizontal transversal a la dirección de la marcha. Por tanto, en la industria automovilística se utiliza el término para definir el coeficiente de penetración aerodinámica en el sentido de la marcha. Este coeficiente hace referencia a la resistencia ofrecida por el fluido al avance de un cuerpo a través de él debida a dos fenómenos:
o La diferencia de presiones generada entre la parte delantera y la parte trasera del vehículo.
En la parte delantera se genera un punto de remanso en el que la velocidad relativa del aire respecto del vehículo se convierte en cero, lo que provoca un gran aumento de la presión del aire. Por otra parte, en la parte trasera del vehículo se produce un desprendimiento de la capa límite en el flujo del aire, lo que provoca una transición a flujo turbulento y, por consiguiente, una reducción de la presión del fluido. Al tener un gradiente de presiones decreciente a lo largo del vehículo, se produce una fuerza resultante en sentido contrario al de avance del vehículo a través del fluido.
24 Figura 9. Desprendimiento de la capa límite en un objeto en movimiento sumergido en un
fluido. [GILL92]
Figura 10. Formación de un punto de remanso y desprendimiento de la capa límite en un vehículo en movimiento. [ARPEM]
o El rozamiento del fluido con la superficie exterior del vehículo. Se trata del rozamiento debido a la viscosidad del fluido, y supone también una fuerza de oposición al movimiento del vehículo dentro de éste. Conforme aumentan las dimensiones del cuerpo que se desplaza, especialmente el área frontal, disminuye la importancia de este rozamiento respecto al debido a la diferencia de presiones.
resistencia aerodinámica al avance es debida a la diferencia de presiones entre la parte delantera y la parte trasera del vehículo.
VVEH. Representa la velocidad lineal del vehículo expresada en m/s.
VAIRE. Define la velocidad del aire en la dirección de avance del vehículo, expresada también en m/s. El término (VVEH- VAIRE) hace referencia a la velocidad relativa existente entre el aire y el vehículo.
b. Fuerza de resistencia a la rodadura.
La fuerza de resistencia a la rodadura es la causada en el contacto entre las ruedas del vehículo y la superficie sobre la que se circula. Es causada, principalmente, por la energía invertida en la deformación lateral del neumático cerca del área de contacto, la deformación de los materiales que componen la banda de rodadura, la abrasión en la zona de contacto con el pavimento y desplazamientos del aire en el interior y exterior del neumático
La carcasa exterior del neumático envuelve la cámara de aire interior y es el elemento que entra en contacto con el pavimento. Está compuesta por una serie de capas de acero, material con un alto módulo de elasticidad, entremezcladas en una matriz de goma, material de bajo módulo de elasticidad.
Existen fundamentalmente dos métodos de construcción de la carcasa:
Diagonales: Las capas de acero van dispuestas en un ángulo próximo a 40º respecto del eje meridional del neumático.
Radiales: Las capas de acero van dispuestas perpendiculares al eje meridional del neumático (90º).
La mayor rigidez de los neumáticos radiales y su consecuente menor deformación ha provocado que este tipo se haya impuesto frente a los neumáticos diagonales.
26 Esta fuerza de resistencia a la rodadura debido a la deformación de la
carcasa del neumático puede expresarse de la siguiente forma:
(Ecuación 2)
Donde son dos coeficientes que dependen de las características de la rodadura, como el tipo de asfalto o el material del neumático, y representa el ángulo de la pendiente de ascensión del terreno. Si se representa el término en función de la velocidad para un vehículo circulando sobre asfalto convencional con neumáticos de goma se obtiene la siguiente figura.
Figura 11. Coeficiente de resistencia a la rodadura respecto de la velocidad de desplazamiento del vehículo. [UPCO]
Como puede observarse, para los neumáticos radiales el término varía muy poco con la velocidad, por lo que puede aproximarse por un término constante que se denomina . De esta forma, la fuerza de resistencia a la rodadura resulta:
(Ecuación 3)
de pavimento sobre el que se produzca la rodadura. La siguiente figura muestra los valores aproximados que puede tomar este coeficiente en función del tipo de vehículo utilizado y la superficie sobre la que se circula.
Figura 12. Coeficiente de fricción a la rodadura. [GILL92]
Existe también un coeficiente de fricción al deslizamiento del neumático, cuyo valor en el caso de suelo seco de asfalto y neumáticos de goma es próximo a 1. Este coeficiente de fricción es el que permite al vehículo agarrarse al asfalto y, por tanto, acelerar, frenar o girar en las curvas.
c. Fuerza de gravedad.
Es la fuerza que se opone al desplazamiento del vehículo al subir una pendiente, o lo favorece al bajarla. Viene dada por la siguiente expresión:
(Ecuación 4)
Siendo:
: Masa del vehículo, expresada en kg.
: Aceleración debida a la gravedad, expresada en m/s2.
: Seno del ángulo de la pendiente a la que asciende el vehículo.
Una vez que se han determinado los esfuerzos que debe vencer el vehículo para poder desplazarse, se puede calcular la fuerza de tracción que debe ejercer el motor y que, para mantener una velocidad constante, será igual a la suma de los esfuerzos resistentes.
(Ecuación 5)
28 Si se quiere aumentar la velocidad del vehículo, una parte de la fuerza de
tracción se invertirá en vencer los esfuerzos resistentes antes mencionados, otra parte provocará la aceleración lineal del vehículo respecto del suelo, y otra parte se invertirá en el aumento de la velocidad angular de los distintos elementos rotativos del tren de transmisión, siendo necesaria una fracción de la potencia del motor para acelerarse a sí mismo, a la transmisión y a las ruedas.
(Ecuación 6)
Donde:
aceleración lineal del vehículo
momento de inercia total de todas las partes rotativas reducidas a la rueda.
aceleración angular de las ruedas.
radio de las ruedas.
El término hace referencia a la aceleración lineal del vehículo, mientras que el término tiene en cuenta la aceleración angular de los distintos elementos rotativos presentes en el tren de transmisión.
Para simplificar los cálculos que deberá realizar el simulador y dado que el cálculo de los momentos de inercia de todos los elementos rotativos afectados por esta aceleración angular puede resultar muy complejo al ser a menudo desconocidos los datos necesarios para su determinación, se han transformado todos los términos inerciales en uno equivalente que depende de la aceleración lineal del vehículo, obteniendo la siguiente expresión.
(Ecuación 7)
Donde es la masa del vehículo en orden de marcha, y un coeficiente de inercia rotacional que tiene en cuenta las inercias de los distintos elementos rotativos.
combustión interna alternativos
.Un motor de combustión interna es una máquina capaz de transformar la energía química almacenada en un combustible en energía mecánica aprovechable para producir movimiento. Si además el trabajo mecánico se efectúa de forma cíclica el motor se denomina alternativo.
Este tipo de motores se comenzó a utilizar a mediados del siglo XIX como una alternativa a la máquina de vapor. A finales de dicho siglo, comenzaron a aparecer los primeros automóviles accionados con motores de combustión interna alternativos, y la rápida expansión de este medio de transporte alternativo a los vehículos de tracción trajo consigo un gran desarrollo de estos motores, llegando a ser prácticamente el único tipo de motor utilizado en la industria automovilística durante todo el siglo XX. En la actualidad se está comenzando a apostar por el motor eléctrico como una alternativa a los motores de combustión interna y, por tanto, al empleo de combustibles fósiles, pero el gran desarrollo alcanzado en este tipo de máquinas térmicas favorece que todavía a día de hoy más del 99,5% de las ventas de vehículos a nivel mundial sean representadas por vehículos equipados con motores de combustión interna alternativos.
Según su construcción, estos motores pueden funcionar con diferentes ciclos de trabajo, siendo los más comunes en la industria automovilística hoy en día los motores de cuatro tiempos, y entre los combustibles utilizados en su funcionamiento se debe destacar la gasolina en los motores de ciclo Otto y el gasóleo en los motores de ciclo Diesel. En este proyecto, a la hora de realizar las simulaciones se ha escogido un motor convencional de ciclo Diesel, por representar una cuota de mercado superior al 50% de las ventas de vehículos en los mercados europeos, mientras que los motores convencionales de gasolina suponen aproximadamente un 40% de las ventas y la cuota de mercado restante se reparte entre vehículos híbridos, eléctricos o propulsados por otro tipo de combustible [ICCT13].
Cada combustible tiene un Poder Calorífico determinado, que indica la cantidad de energía que se puede desprender al producirse la reacción de combustión en un kilogramo de combustible. La tabla 1 muestra una comparación entre los distintos combustibles según su poder calorífico.
30 Combustible Densidad [kg/m3] Poder Calorífico
Superior [kJ/kg]
Poder Calorífico Inferior [kJ/kg]
Gasolina 760 47300 44400
Gasóleo 800 43115 42275
Gas Natural
Comprimido 570 63960 39080
Gas Licuado de
Petróleo 500 49960 46260
Tabla 1. Poder calorífico de los combustibles utilizados en la industria automovilística.
[CACH09]
Al realizarse la combustión en el interior del cilindro a gran presión, los gases resultantes empujan el pistón al expansionarse, convirtiendo parte de esa energía calorífica en energía mecánica. El pistón, a través de un mecanismo biela-manivela transforma su movimiento lineal en un movimiento rotativo y, de esta forma, se obtiene un par motor en el cigüeñal a partir de la energía interna del combustible.
Esta fracción de la energía interna del combustible que se transforma en energía mecánica viene definida por el rendimiento indicado del motor, cuya ecuación se muestra a continuación.
(Ecuación 8)
Donde:
: Gasto másico de combustible, medido en kg/s.
: Poder Calorífico del combustible, en kJ/kg.
: Potencia indicada, en kW.
En los motores de combustión interna alternativos este rendimiento suele tomar valores muy bajos, pues la mayor parte de la energía interna del combustible se disipa en forma de calor al exterior y únicamente puede ser aprovechada parcialmente en aplicaciones de climatización del habitáculo del vehículo.
La presión en el interior de la cámara de combustión influye significativamente en el trabajo realizado por el motor. Si se considera el diagrama p- v de un ciclo completo de un motor de cuatro tiempos, se obtiene que el trabajo realizado por el motor en dicho ciclo es el área encerrada bajo la curva de presión en el interior del cilindro. Este trabajo se denomina trabajo indicado.
Figura 13.Ciclo de trabajo del motor. [ARIA04].
La potencia indicada es el producto del trabajo indicado por la frecuencia a la que se realiza cada ciclo.
(Ecuación 9)
Donde:
: Potencia indicada, medida en kW.
: Representa el trabajo indicado, expresado en kJ.
: Representa el régimen de giro del motor en revoluciones por segundo.
: Se trata de un término adimensional que representa el índice de tipo de ciclo. Este índice refleja cuántos ciclos de trabajo se realizan en cada revolución del motor. En motores de dos tiempos en los que se realiza un ciclo de trabajo en cada vuelta del cigüeñal este índice toma valor 1, y en motores de cuatro tiempos, en los que se realiza un ciclo de trabajo por cada dos vueltas del cigüeñal este índice toma valor 0.5.
La presión media indicada de un motor se define como la presión que habría que hacer de forma constante sobre la cara superior del pistón a lo largo de toda la carrera para conseguir el mismo valor de potencia indicada que se obtiene como resultado del ciclo completo de trabajo. Podría expresarse según la siguiente ecuación:
(Ecuación 10)
32 Figura 14. Presión media efectiva [GRAM].
La mayor parte de la presión indicada que actúa sobre el cilindro se transforma en energía cinética provocando el giro del cigüeñal, pero una pequeña fracción se disipa en rozamientos internos del motor y, por tanto, en pérdidas por fricción de los distintos componentes. En concreto se disipa en la fricción en partes móviles del motor como los pistones o el cigüeñal, la fricción debida al bombeo de los gases y, en el caso de motores sobrealimentados, la fricción debida al arrastre del compresor que introduce el aire a presión en el motor. Esta presión se denomina presión media de pérdidas mecánicas.
Al restar esta presión de pérdidas a la presión media indicada obtenemos lo que se conoce como presión media efectiva. Esta presión no tiene un sentido físico concreto. Se trata de una variable matemática para poder definir la potencia efectiva entregada por el motor en el cigüeñal según la siguiente ecuación.
(Ecuación 11) Donde:
: Potencia efectiva.
: Cilindrada del motor.
: Presión media efectiva.
: Régimen de giro del motor en.
: Índice de tipo de ciclo.
(Ecuación 12)
Y por tanto se puede definir un nuevo rendimiento, el rendimiento efectivo, como el producto del rendimiento mecánico y el rendimiento indicado definido anteriormente
(Ecuación 13)
Por otra parte, el par motor en el cigüeñal será función de la potencia efectiva y del régimen de giro.
(Ecuación 14)
Como puede observarse, el par motor es directamente proporcional a la presión media efectiva y solamente depende del valor de esta variable, al tener la cilindrada y el índice de tipo de ciclo valores constantes en todo momento.
Las condiciones básicas de funcionamiento de un motor de combustión interna alternativo se pueden definir mediante las denominadas curvas de carga parcial. Se trata de una gráfica en la que se representa el par efectivo entregado en el cigüeñal frente al régimen de giro del motor. El límite superior de esta gráfica lo representa la curva de plena carga, en la que el motor entrega el par máximo.
En esta misma gráfica se pueden representar las denominadas curvas de isoconsumo o curvas de Willans en las que, a modo de mapa, se indican distintos puntos de trabajo en los que el consumo específico de combustible toma valores similares. El consumo específico de un motor representa la cantidad de combustible necesaria para desarrollar la potencia requerida a un determinado régimen, y suele medirse en g/kWh. Como la presión media efectiva es función únicamente del par efectivo, podrá representarse indistintamente cualquiera de estas dos variables en el eje de ordenadas de la gráfica.
34 Figura 15. Curvas de isoconsumo del motor Volkswagen 2.0 TDI. Gráfica aportada por el
director del proyecto.
Una vez conocido el consumo específico en un punto determinado, sabiendo la potencia desarrollada y la velocidad del vehículo, se puede obtener el consumo de combustible necesario para que el vehículo cubra una determinada distancia.
Este consumo, expresado normalmente en litros por cada 100 kilómetros, se calcula mediante un ensayo con un ciclo de conducción, y es el dato que cada fabricante ofrece al público sobre cada uno de sus vehículos. Éste es el dato que se tratará de obtener en las simulaciones llevadas a cabo en el desarrollo de este proyecto.
En el ámbito anglosajón se sigue un proceso similar, con la diferencia de que la variable utilizada para expresar el consumo de combustible mide la distancia recorrida en millas cuando se emplea un galón de combustible.
