diagnóstico de las emisiones reales de los vehículos ligeros ... · accionamiento del aire...
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Diagnóstico de las emisiones reales de los
vehículos ligeros. Influencia de las
condiciones del tráfico y de la conducción
Jesús Casanova Kindelán
Catedrático de Motores Térmicos
Universidad Politécnica de MadridPolitécnicaPolitécnica
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 1/23
Emisiones de los vehículos en servicio
• Emisiones de gases por el tubo de escape ⇒ motor.
– Gases principales: N2, H2O, O2, y CO2 (→ G.E.I.)
– Productos contaminantes en pequeñas concentraciones
• Emisiones de partículas sólidas o líquidas en suspensión en el gas de escape (PM)
– Combustión + aceite
• Emisión de partículas de desgaste
– Frenos, embrague y neumáticos.
• Gases de evaporación de la gasolina del tanque del
vehículo y en estación de servicio
– Control en carga desde camión pero no en boquerel.
– “Cannister” en vehículos de gasolina
• Gases de cárter del motor.
– Por normativa son recirculados.
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 2/23
Medida de emisiones de vehículos
• En banco de pruebas de motor
– Ciclos ESC y ETC para homologación de vehículos pesados.
• Ciclos normalizados y factores de ponderación estadística.
• En banco de rodillos
– Ciclos normalizados según estudios estadísticos.
– Solo vehículos ligeros.
• Sobre vehículos
– No hay estandarización en Europa.
– Utilizado para conformidad de emisiones en utilización (EE.UU.).
– Posibilidad de obtener datos de la “vida real”.
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 3/23
Caracterización del comportamiento de los vehículos en la ciudad
• El motor en condiciones
transitorias de régimen de giro y
de grado de carga.
• El motor utiliza poca potencia
< 20 CV
• Revoluciones motor < 60 % de
su valor máximo
• Periodos con motor a
temperatura de refrigerante y de
aceite bajas
• El motor está largos periodos de
tiempo a ralentí (mínimo)
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tiempo (s)
Velocidad (km/h) rpm/100 Posición Acelerador
Comparación CO Frío-Caliente
2
4
6
8
10
12
1 75 149 223 297 371 445 519 593 667 741 815 889 963
Tiempo (s)
CO caliente CO frío Tª Aceite
Comparación HC Frío - Caliente
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1 72 143 214 285 356 427 498 569 640 711 782 853 924 995
Tiempo
HC caliente HC Frío Tª Aceite
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 4/23
Dinámica del tráfico en la ciudad
• Afectan mucho a las emisiones
– Velocidades
– Aceleraciones
– Tiempos de parada con motor en marcha
• Bajas velocidades medias asociadas a paradas y arranques repetidos
Fuente: INRETS (Francia) 2004
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 5/23
Influencia de la velocidad media y de la tecnología en los factores de emisión
EMISIONES DE PM DE TURISMOS GAS-OIL
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
10 30 50 70 90 110 130Velocidad media (km/h)
Em
isió
n (
g/k
m)
1986-19921993-19961997-2000
EMISIONES DE NOx DE TURISMOS GASOLINA
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
10 30 50 70 90 110 130Velocidad media (km/h)
Em
isió
n (
g/k
m)
1986-19921993-19961997-2000
EMISIONES DE CO DE TURISMOS GASOLINA
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
10 30 50 70 90 110 130Velocidad media (km/h)
Em
isió
n (
g/k
m)
1986-19921993-19961997-2000
EMISIONES DE HC DE TURISMOS GASOLINA
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
10 30 50 70 90 110 130Velocidad media (km/h)
Em
isió
n (
g/k
m)
1986-19921993-19961997-2000
Fuente: Programa Copert IV
• Reducciones en la velocidad media aumentan los factores de emisión en
tráfico urbano.
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 6/23
Proyecto MIVECO
• Metodología e instrumentación embarcada en vehículos para evaluar los
efectos del tráfico real en las emisiones contaminantes
– Financiado por el Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino,
Nº Ref. 071/2006/3-13.2
• Participantes
– Universidad Politécnica de Madrid. Laboratorio de Motores Térmicos
• Emisiones gaseosas
• Ensayos en trafico real
– Universidad de Alcalá. Departamento de Electrónica
• Sensorización de actividad de vehículos
• Emisiones electromagnéticas
– CIEMAT. Unidad de evaluación y control de la contaminación convencional
• Caracterización de emisiones de partículas
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 7/23
Proyecto MIVECO: Objetivos
• Desarrollar metodologías de ensayo para estudiar los efectos de las condiciones reales de utilización de los vehículos ligeros en las emisiones
contaminantes urbanas
• Capacidad para medir en tráfico real:
– Emisiones másica instantáneas y promediadas: CO, HC, NOx, O2, CO2, etc
(g/km). Caracterización del tamaño de partículas.
– Consumo de combustible: caudalímetro en el tubo de escape + balance de
carbonos
– Variables de utilización y funcionamiento del vehículo: velocidad, aceleración,
pendiente, régimen del motor, condiciones atmosféricas, temperaturas,
accionamiento del aire acondicionado, etc.
– El comportamiento dinámico del conductor mediante posición de pedales de
freno, acelerador, etc.
• Basado en instrumentación disponible comercialmente
• Frecuencia de registro de datos 10 Hz
• Válido como laboratorio móvil de medida de emisiones.
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 8/23
Esquema del sistema completo (MIVECO)
N O x
H C ’s
C OH 2
O 2
N 2Enfriad orP e ltierF iltro
c alien te
Líne a
ca le fac tad a
A ad quis ic ión de datos
N O x
H C ’s
C OH 2H 2
O 2O 2
N 2N 2Enfriad orP e ltierF iltro
c alien te
Líne a
ca le fac tad a
A ad quis ic ión de datos
SENSO RES
INTERNOSTemperaturas
Em isiones
Consum o
CONDUCCIÓNPedales
M archas
Velocidades/aceleraciones
Régimen motor
RECORRIDOPosición (GPS)
Pendiente
Imagen visual
EXTERNO STemperatura
Presión
Hum edad
PM
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 9/23
Equipo de análisis de gases embarcado
• Equipo embarcable en cualquier vehículo. Universal.
• Alimentación eléctrica independiente (baterías)
Baterías
Inversor 12Vdc/220Vac
Botella de N2
Medidor carga bater ía
Analizador CO/CO2 SIGNAL
Lambda ETAS HORIBA NOx
SENSORS NO/NO2
Transductor de presión
ThermoFID HC
Baterías
Inversor 12Vdc/220Vac
Botella de N2
Medidor carga bater ía
Analizador CO/CO2 SIGNAL
Lambda ETAS HORIBA NOx
SENSORS NO/NO2
Transductor de presión
ThermoFID HC
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 10/23
Equipo de análisis de gases embarcado
• Equipo embarcable en cualquier vehículo. Universal.
• Alimentación eléctrica independiente (baterías)
Toma l ínea fr ía
Línea calefactada
Toma l ínea calefactada Soporte por
ventosa
Tomas de presión
caudalímetro
Filtro línea calefactada
Sensor NOx y Lambda
Toma l ínea fr ía
Línea calefactada
Toma l ínea calefactada Soporte por
ventosa
Tomas de presión
caudalímetro
Filtro línea calefactada
Sensor NOx y Lambda
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 11/23
Elementos electrónicosUbicación de algunos dispositivos sensoriales
Sistema de registro de variables del vehículo
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 12/23
Desarrollo de software de adquisición y tratamiento de datos medidos en tráfico real
Registro on-line de actividadvehículo-conductor-entorno
Registro variables dinámicas
Captura imagen de recorrido
Ventana principal GUI
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 13/23
Ejemplo de resultados
VARIABLES MEDIDAS EN TIEMPO REALDatos reales LAND ROVER 10MY-OFF 16/04/09 10:10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Tiempo (s)
Rel
ació
n a
ire/
com
bu
stib
le
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Cau
dal
in
stan
tán
eo (
lts/
min
)
Lambda
Caudal
CONSUMO CALCULADO EN POST-PROCESAMIENTO & VELOCIDAD REAL MEDIDA GPSDatos reales LAND ROVER 10MY-OFF 16/04/09 10:10
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Tiempo (s)
Co
nsu
mo
In
stan
tán
eo (
g/s
)
-10
0
10
20
30
40
50
60
Vel
oci
dad
(km
/hr)
Consumo
Velocidad
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 14/23
Algunas imágenes
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 15/23
Algunas imágenes
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 16/23
Evaluación del estilo de conducción
Emisiones instantáneas de COComparación entre conducción suave & brusca
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo (s)
(g/h
r)
Conducción suave
Conducción brusca
Emisiones instantáneas de NOxComparación entre conducción suave & brusca
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo (s)(g
/hr)
Conducción suave
Conducción brusca
Emisiones instantáneas de HCComparación entre conducción suave & brusca
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo (s)
(g/h
r)
Conducción suave
Conducción brusca
Comparación estilos conducción:
• Eficiente
• Brusca
FACTORES DE EMISIÓNComparación entre conducción suave & brusca
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
FE CO FE HC FE NOx
g/k
m
Conducción suave
Conducción brusca
FACTOR DE EMISION CO2Comparación entre conducción suave & brusca
0
50
100
150
200
250
300
FE CO2
g/k
m
Conducción suave
Conducción brusca
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 17/23
Influencia de la conducción y del arranque en frio
Influencia del tipo de conducción y arranque en frío sobre el FACTOR DE EMISIÓN DE NOx
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Peugeot 406 Laguna 2005 Laguna 2007
g/k
m
Eficiente
Normal
Brusca
Arranque en frío
Estudio realizado en tráf ico real por la ciudad de Madrid, Circuito UPM-CM0 y LR1, sep 2009
Influencia del tipo de conducción y arranque en frío sobre el FACTOR DE EMISIÓN DE CO
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Peugeot 406 Laguna 2005 Laguna 2007
g/k
m
Eficiente
Normal
Brusca
Arranque en frío
Estudio realizado en tráfico real por la ciudad de Madrid, Circuito UPM-CM0 y LR1, sep 2009
Influencia del tipo de conducción y arranque en frío sobre el FACTOR DE EMISIÓN DE HC
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
Peugeot 406 Laguna 2005 Laguna 2007
g/k
m
Eficiente
Normal
Brusca
Arranque en frío
Estudio realizado en tráf ico real por la ciudad de Madrid, Circuito UPM-CM0 y LR1, sep 2009
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 18/23
Influencia de conducción y del arranque en frío
FACTOR DE EMISIÓN DEL DIÓXIDO DE CARBONO (CO2)
0
50
100
150
200
250
300
350
FE CO2
Eficiente
Normal
Brusca
Arranque en frío
Estudio realizado con Peugeot 406, en tráfico real por la ciudad de Madrid, Circuito UNP-CM0, mayo 2009
Em
isió
n C
O2
(g/k
m)
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 19/23
Ejemplo: evaluación de las ventajas del sistema Stop-Start (parada del motor en detenciones)
COMPARACIÓN LAND ROVER 10MY & 9MYEmisión instantánea de CO2
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 5001 5501 6001
No. dato (tiempo de muestreo= 0,1 s)
CO
2 g
/hr
9MY
10MY - off
10MY-on
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 20/23
Ejemplo: evaluación de las ventajas del sistema Stop-Start (parada del motor en detenciones)
• Emisión de CO2 crece al aumentar al reducir la velocidad media
• Sistema Stop-Start reduce las emisiones de CO2
COMPARACIÓN LAND ROVER FREELANDERFactor de emisión CO2
0
100
200
300
400
0 5 10 15 20 25
Velocidad media (km/hr)
Fac
tor
de
emis
ión
NO
x (g
/km
) 9MY
10MY on
10MY off
CO
2
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 21/23
Ejemplo: evaluación de las ventajas del sistema Stop-Start (parada del motor en detenciones)
• El sistema Stop-Start afecta menos a las emisiones de CO y de NOx (motor diesel)
COMPARACIÓN LAND ROVER FREELANDERFactor de emisión de CO
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 5 10 15 20 25
Velocidad media (km/hr)
Fac
tor
de
emis
ión
CO
(g
/km
) 9MY
10MY on
10MY off
COMPARACIÓN LAND ROVER FREELANDERFactor de emisión NOx
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 5 10 15 20 25
Velocidad media (km/hr)
Fac
tor
de
emis
ión
NO
x (g
/km
) 9MY
10MY on
10MY off
Movilidad y reducción de emisiones. MMAMRM. Septiembre 2009 J. Casanova 22/23
Conclusiones
• El equipo y la metodología de medida que permite medir emisiones en
trafico real está resultando útil para obtener datos de la “realidad” de las
emisiones en situaciones específicas
• Las emisiones reales de los vehículos en la ciudad no son iguales a las de
homologación ni a los factores de emisión que se usan para inventarios de
emisiones en Europa.
• Las emisiones instantáneas de un vehículo en tráfico real se pueden
relacionar con la actividad del vehículo y la dinámica de la conducción.
• Con esta metodología se puede evaluar el impacto real de las nuevas
tecnologías que reducen las emisiones contaminantes y las de CO2
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