protocolo de pruebas dinámicas de emisiones en motocicletas
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Protocolo de Pruebas Dinámicas de Emisiones
en Motocicletas
Julián Eduardo González
Ingeniero Mecánico. Estudiante de Pregrado Ingeniería Ambiental, Universidad de
los Andes. Bogotá D.C, Colombia.
Eduardo Behrentz
Ph.D. Grupo de Estudios en Sostenibilidad Urbana (SUR). Departamento de
Ingeniería Civil y Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes.
Bogotá D.C, Colombia.
Palabras Claves
Calidad del Aire, Motocicletas, Dinamómetro, Ciclos de Conducción, Laboratorio
de Emisiones Vehiculares.
Resumen
El laboratorio de emisiones vehiculares (LEV) de la Universidad de los Andes hace
parte de las instalaciones del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. En el
pasado se han implementado técnicas de medición a bordo en vehículos
particulares y buses y la mayoría de los equipos se encuentran calibrados y
operacionales. Aparte de algunas mediciones en vehículos particulares y buses (a
bordo) y de un proyecto de grado para determinar el efecto del combustible con
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etanol en motores no se han hecho proyectos en el LEV que estudien emisiones
en motocicletas, mucho menos empleando el dinamómetro. Por dicha razón éste
sería el primer proyecto en una posible línea de investigación en emisiones de
motocicletas medidas directamente desarrollado en la Universidad.
Se hizo una extensa revisión bibliográfica para generar un protocolo de pruebas
para motocicletas de dos y cuatro tiempos, de acuerdo con las capacidades y
equipos del LEV y las normas vigentes nacionales (y algunas recomendaciones
internacionales) para pruebas dinámicas de este tipo de vehículos. Se diseñó y
construyó un soporte específico para las motos que el laboratorio no tenía y que
hacía falta para hacer las pruebas correspondientes. Por último, se realizó una
prueba piloto para evaluar la pertinencia del protocolo y la capacidad del
laboratorio para soportar este tipo de pruebas.
1. Introducción
Las emisiones de contaminantes atmosféricos provenientes de automotores
particulares (alimentadas con gasolina o diesel) han sido ampliamente estudiadas
y sus efectos sobre la calidad del aire son conocidos. Sin embargo, debido a las
particulares condiciones de tráfico vehicular que tiene la ciudad y a la
accesibilidad económica de las motocicletas, en los últimos años el número de
este tipo de vehículos en el área metropolitana de Bogotá ha ido escalando
progresivamente. Según datos de la Cámara de Comercio de Bogotá entre el
2001 y el 2003 se registraron en Bogotá 963 motos nuevas, mientras en el
periodo de 2004 a 2007 el incremento fue de 74,106 nuevos registros (77 veces
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más entre un periodo y el siguiente). Debido a que el número de motocicletas en
la ciudad está aumentando rápidamente es necesario hacer estudios enfocados a
determinar los impactos que tendrá dicha alza no solo sobre la movilidad y la
seguridad vial, sino también sobre la calidad del aire de la ciudad. Variables como
edad de la máquina, tipo de motor, frecuencia de mantenimiento y patrones de
manejo pueden influir de manera considerable en los factores de emisión de las
motocicletas. Este proyecto de grado pretende analizar precisamente como
variando ciertos parámetros de una muestra de motocicletas pueden verse
afectadas las emisiones de contaminantes del aire.
Los objetivos del proyecto son:
Generar un protocolo de pruebas para el laboratorio de emisiones vehiculares
de la Universidad de los Andes para cuantificar en términos de parámetros
estandarizados las emisiones de escape de motocicletas de dos y cuatro
tiempos.
Hacer una revisión bibliográfica extensa para generar una buena base teórica,
marco del problema y justificación así como un estado del arte para las
pruebas de emisiones en vehículos de dos ruedas a nivel mundial.
Integrar de manera adecuada el protocolo generado con los equipos ya
existentes en el laboratorio.
Diseñar o adquirir los componentes que hagan falta para poder llevar a cabo
las pruebas a motocicletas.
Llevar a cabo al menos una prueba piloto.
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2. Materiales y Equipos
2.1. Dinamómetro
El laboratorio cuenta con un dinamómetro diseñado para vehículos de cuatro
ruedas. Como no está diseñado para probar motocicletas es necesario diseñar y
construir un soporte para la rueda delantera de la moto, de forma que esta se
encuentre en reposo mientras la rueda trasera descansa sobre los rodillos del
dinamómetro. Por razones de seguridad el soporte debe impedir que la
motocicleta gire sobre su eje vertical al acelerarse sobre la máquina.
El dinamómetro Ono Sokki que se encuentra en el LEV está conformado por tres
partes: la unidad física donde se monta el vehículo, la unidad de potencia (la cual
le suministra energía al sistema) y la unidad de control principal.
Figura 1. Unidad de control del dinamómetro (izq). Unidad física (der).
El dinamómetro es alimentado a 220/380 V con una frecuencia de red de 60Hz. A
través de la unidad de control se puede variar el ciclo de carga, bloquear los
rodillos, cambiar la combinación de volantes acoplados a los mismos y seleccionar
entre operación a torque o velocidad constante.
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Característica Especificación
Peso máximo 2000 kg
Torque máximo 22 kg-m
Velocidad máxima 120 km/h / 2897.7 rpm
Potencia como Motor Hasta 50 kW
Potencia como Freno Hasta 55 kW
Tabla 1. Características y especificaciones del dinamómetro Ono Sokki.
2.2. Soporte para Rueda Delantera
Se diseñó un soporte que pudiese sostener la motocicleta de la rueda delantera,
permitiendo así que la rueda trasera se ubique en los rodillos del dinamómetro.
Para el diseño del soporte se tuvo en cuenta que el ancho de la rueda delantera
de las motos no es el mismo para todos los modelos.Este ancho en la gran
mayoría de las motos comerciales varía entre 80mm y 130mm (referencias 80/90
hasta 130/90 son las más usadas). Por ende el soporte se diseñó para que
pudiese alojar una moto con la llanta delantera más ancha disponible.
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Figura 2. Soporte para rueda delantera de motocicleta. Diseñado en Autodesk
Inventor 2011.
La rueda de la motocicleta entra en la ranura dispuesta para tal fin, donde es
asegurada por medio de tensores para altas cargas (los mismos se utilizan para
sostener automóviles cuando se hacen pruebas en el dinamómetro del LEV) y con
una prensa tipo tornillo. El diseño contempla también la construcción de un
sistema de rieles que se anclan al piso del LEV, de manera que el soporte se
pueda deslizar a través de los mismos para pruebas de vehículos de diferentes
longitudes entre ruedas.
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Figura 3. Soporte para rueda delantera de moto terminado; se muestra junto a una
rueda para observar la escala.
2.3. Analizador de Gases
Uno de los equipos centrales del LEV es el analizador de gases. Este equipo
permite determinar las concentraciones de hidrocarburos, monóxido de carbono,
dióxido de carbono, oxígeno, y óxidos de nitrógeno.
El equipo es de marca Hanatech, modelo 2400 4/5.
Figura 4. Analizador de gases Hanatech 2400 4/5, en el LEV (equipo de la
derecha). A la izquierda el monitor de masa Dekati DMM.
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Figura 5. Parte posterior del analizador de gases, con las conexiones marcadas y
visibles.
Los rangos de medición para cada uno de los gases se presentan en laTabla 2.
Gas Rango Detectable
HC 0 – 10,000 ppm
CO 0 - 10%
CO2 0 - 20%
O2 0 - 23%
Lambda 0.5 - 2.5, AFR: 0 - 99.9
NOx 0 – 5,000 ppm
Tabla 2. Rangos de medición para cada uno de los gases, en unidades de
concentración (ppm) o en porcentaje del total.
Característica Especificación
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Tiempo de Calentamiento 4 - 6 minutos
Precisión 2% del rango
Respuesta 90% en 10 segundos
Confiabilidad Menos del 3%/ 30 minutos
Continuidad Menos del 5%/ 5 operaciones en serie
Calibración Ceros automáticos y calibración con gas
referencia
Condición de Operación Temperatura: -10 - 40ºC , Humedad Rel:
Menos del 0%
Potencia AC: 100 - 230V, 50 - 60Hz; DC: 12V 8A
Sonda y Manguera Manguera de 7.5m, sonda de 0.65m. Total:
7.8m
Purga Automática o Manual
Tabla 3. Características y especificaciones técnicas del analizador de gases.
Adaptado del manual del usuario (Hanatech Australia).
La norma para pruebas de motocicletas en marcha mínima ICONTEC NTC 5365
(Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC, 2008) exige
que el analizador de gases funcione por el principio de absorción infrarroja no
dispersiva, y que a su vez tenga la capacidad de calibrarse con un gas patrón y
realizar un autocero. Todas estas condiciones las cumple el equipo Hanatech.
El equipo mide CO, CO2 y HC por absorción infrarroja no dispersiva y 02, NOx por
medio de método electroquímico.
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2.4. Monitor de Masa (Analizador de Material Particulado)
El equipo con el que cuenta el LEV es un Dekati DMM, diseñado para medir masa
y concentración de material particulado en vehículos diésel y de gasolina.La parte
frontal del equipo se observa en la Figura 4.
Figura 6. Parte posterior del monitor de masa. Para mayor detalle sobre las
entradas y salidas referirse a la Figura 9.
El equipo funciona por mecanismo de impactación de las partículas. Está
compuesto principalmente por un impactador inercial de seis etapas para clasificar
las partículas por tamaño, y se usan electrómetros conectados a los impactadores
para convertir la señal en voltaje, el cual es proporcional a la cantidad colectada.
Los rangos de tamaño y concentración de material particulado que detecta el
equipo se presentan en la Tabla 4; las otras características se presentan en la
Tabla 5.
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Parámetro Rango Detectable
Tamaño de partícula 0 - 1.2 µm
Concentración 1 – 1,000 µg/m3
Tabla 4. Rangos de tamaño y concentración para la detección de PM, Dekati
DMM.
Característica Especificación
Flujo Volumétrico 10 L/min (nominal)
Presión mínima 100 mbar
Temperatura de
Operación
5 - 40ºC
Humedad Relativa 0 - 60%
Resolución Temporal 1 Hz
Dimensiones del Equipo 560x420x300 mm
(WxLxH)
Peso del Equipo 40 kg
Tabla 5. Características y especificaciones técnicas del monitor de masa.
2.5. Dilutor de Gases de Escape
Para concentraciones de contaminantes muy altas en el gas de salida del vehículo
es probable que los equipos no sean capaces de medir correctamente el valor de
dicha concentración (por encima del rango de medición) o que se ocasione un
daño permanente a los mismos. Por esta razón se hace necesaria en estos casos
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la instalación de un dilutor de gases que reduzca por un valor fijo (rata de dilución)
dichas concentraciones.
El dilutor del LEV es marca Dekati, referencia DI-1000. El principio de operación
es una mezcla rápida entre la muestra y un aire de dilución purificado, que
produce una mezcla homogénea. La fuerza motriz del proceso es un diferencial de
presiones, por lo cual no se requiere ningún tipo de bomba para impulsar el
proceso. Las especificaciones del equipo se muestran a continuación.
Característica Especificación
Caudal de Muestra 7 L/min
Caudal de Salida 60 L/min
Factor de dilución 1 a 8
Temperatura 0 - 450ºC
Peso 2.8 kg
Longitud 360 mm
Diámetro máximo 120 mm
Tabla 6. Características y especificaciones de el dilutor Dekati DI-1000.
3. Protocolo
3.1. Montaje
El montaje contempla la disposición y arreglo físico de los equipos y su conexión
adecuada para realizar el muestreo de los gases de escape. Se recomienda que
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las muestras se tomen en un ambiente controlado de temperatura y humedad
relativa (23ºC y 60% HR, según (Vasic & Weilenmann, 2006)); sin embargo, el
LEV no es un laboratorio de ambiente controlado, por lo cual se deberá hacer una
verificación preliminar para determinar si dichas variables se encuentran dentro de
los rangos admisibles del monitor de masa y analizador de gases. La
configuración a utilizarse es similar a la que normalmente se emplea para pruebas
de vehículos de cuatro ruedas. Los elementos a incorporarse en el montaje son:
El dinamómetro, incluyendo el soporte para rueda delantera de la moto.
Ventilador para simular el avance de la motocicleta.
La motocicleta, la cual debe tener un tubo de escape funcional. En caso de que
la motocicleta tenga dos o más escapes funcionales la conexión debe hacerse
de la siguiente manera (de acuerdo a la norma ICONTEC NTC5365): si las
salidas vienen de un punto común la medición se realiza sobre cualquiera de
las dos; si las salidas son independientes debe medirse cada una de ellas por
separado.
Una línea flexible (manguera) que se pueda conectar al tubo de escape. Esta
manguera debe ser resistente a altas temperaturas, y debe tener un sello
hermético que no permita escapes de gas a la salida del tubo de la moto.
Un tubo de acero inoxidable sobre el cual se instalan el flujómetro, las dos
sondas (analizador de gases y de masa) y la aspiradora. Este tubo de acero
tiene en su interior una rejilla de homogenización de flujo.
Analizador de gases Hanatech con su respectiva sonda de muestreo.
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Dilutor Dekati y analizador de masa, con sus respectivas conexiones. Nótese
que el dilutor es opcional, y debe instalarse solo de ser necesario.
Aspiradora (blower) para facilitar la salida de los gases del sistema.
El esquema del montaje se muestra a continuación.
Rejilla de Homogenización
F
Medidor de Flujo
Aspiradora
Analizador de Gases
Analizador de Masa
Dilutor
Entrada de Aire
Figura 7. Esquema del montaje para pruebas de emisiones de motocicletas.
A continuación se describirá detalladamente el procedimiento para armar el
montaje de pruebas.
a. Montar el vehículo en el dinamómetro. La rueda delantera se introduce en el
soporte diseñado para tal fin, tras lo cual se asegura utilizando el sistema tipo
prensa hasta que la motocicleta se mantenga en posición vertical. La rueda
trasera debe descansar sobre un juego de rodillos del dinamómetro.
Idealmente, la motocicleta se posicionará perpendicularmente con respecto a
los ejes de los rodillos.
b. Asegurar el vehículo en su lugar utilizando los cuatro tensores dispuestos para
tal fin. Dichos tensores se unen a los ganchos en el piso del laboratorio.
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Verificar que la tensión sea suficiente para evitar que la motocicleta se mueva
horizontalmente sobre los rodillos.
c. Conectar la manguera termo resistente al tubo de escape. Para lograr el sello
hermético apretar la abrazadera que se encuentra en la punta de la manguera.
En la otra punta de la manguera conectar el tubo de acero inoxidable que sirve
para sostener los demás equipos y sondas. Este tubo tiene unos soportes que
deben atornillarse para poder apoyarlo sobre el piso.
d. Instalar el flujómetro en el agujero dispuesto para tal fin, asegurándose que la
punta del mismo (punto de muestreo) quede lo más centrada posible dentro del
tubo y en posición perpendicular al flujo. Apretar el flujómetro usando la tuerca
de ajuste. La salida del flujómetro (dos cables) se conectan a una tarjeta de
adquisición National Instruments, la cual a su vez se encuentra ya instalada en
el computador.
e. Ensamblar la sonda del analizador de gases (que tiene una longitud de 0.65m)
y conectar la misma a la manguera de 7.15m de largo (también diseñada para
operar con el analizador). Conectar la salida de la manguera a la entrada
marcada “Gas Inlet” en la parte posterior del equipo. Para trabajar el analizador
a corriente alterna (AC) conectar el adaptador incluido con el equipo a la
entrada “AC Input”, la cual trabaja a 220V. Si se desea trabajar con corriente
directa (DC) conectar el adaptador respectivo a una fuente de 12V y 8A. La
sonda se coloca a la salida del tubo de acero inoxidable.
f. Opcional (uso del dilutor): Conectar la manguera del dilutor al punto de
muestreo dispuesto para tal fin sobre la línea principal (manguera flexible). La
entrada del dilutor tiene una conexión macho de 12mm, por lo cual es posible
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usar una manguera o conectarlo directamente a la línea principal. Conectar
aire limpio a presión (2bar de sobrepresión) a la entrada para aire de dilución
(conector hembra de 8mm).
Figura 8. Esquema de las entradas y salidas del dilutor. Tomado de (Dekati
Ltd.).
g. Conectar el analizador de masa Dekati a corriente AC (100-240V) en la entrada
marcada “Main Power”. Conectar la manguera de salida del dilutor a la entrada
marcada “Sample Inlet” (conexión hembra rosca G 3/8”). Si no se usa el dilutor,
la manguera se conecta entre la salida del tubo de acero y la entrada marcada
“Sample Inlet”. Conectar la bomba de vacío a la entrada “Vacuum Hose”
usando la manguera dispuesta para tal fin. Las entradas del equipo se
muestran en el siguiente diagrama:
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Figura 9. Conexiones en la parte posterior del Dekati DMM. Tomado de (Dekati
Ltd.).
h. Las conexiones sobre el tubo de acero inoxidable se ven de la siguiente
manera (sin dilutor conectado):
Figura 10. Conexiones sobre el tubo de acero inoxidable, sin el dilutor
conectado.
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i. Conectar el analizador de gases y el analizador de masa a un computador con
el software adecuado para la adquisición de datos (incluido con los equipos).
La conexión se hace utilizando cables seriales (RS-232).
j. Colocar la aspiradora a la salida de la línea principal, usando la misma como
apoyo para la sonda del analizador de gases.
k. Instalar el ventilador frente a la motocicleta.
3.2. Verificación y Puesta en Marcha
A diferencia de una prueba en ralentí, para realizar una medición de emisiones por
ciclos debe tenerse en cuenta que los factores de emisión varían entre los
primeros minutos después del encendido del vehículo y la operación en estado
estable del mismo (una vez está “caliente”). La norma NTC3565 contempla solo
pruebas realizadas en ralentí, por lo cual no se puede seguir el mismo
procedimiento descrito en la misma; por esta razón se optó por diseñar un
procedimiento distinto. El procedimiento adoptado por la EMPA (Vasic &
Weilenmann, 2006) contempla pruebas bajo ciclos de conducción real; sin
embargo, en estas pruebas el muestreo se inició con el motor caliente. Sería
interesante realizar un ciclo de pruebas que contemple un arranque en frio del
motor, por lo cual el presente protocolo contendrá dicho régimen de pruebas.
a. Revisar que la temperatura se encuentre entre 5 y 55ºC, y la humedad relativa
entre 30 y 90%.
b. Eliminar de las sondas de los equipos cualquier rastro de material particulado,
agua o algún otro compuesto extraño.
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c. Encender el analizador de gases con el botón power. De ser necesario, calibrar
el equipo utilizando el gas patrón disponible y esperar a que el equipo realice el
autocero. Esperar de 4 a 6 minutos para que el equipo caliente y este listo para
medir (notificará con un mensaje en la pantalla).
d. Encender el analizador de masa Dekati DMM. Correr el software
correspondiente al equipo “DMMvi 1.2” (instalado en el computador del
laboratorio); se abrirá el siguiente menú:
Figura 11. Menú de “Setup” del software para el analizador de masa. Tomado
de (Dekati Ltd.).
Lo primero que debe hacerse es buscar el archivo “DMMsetup.ini” que se
encuentra en los archivos del computador. En la pestaña “Mode” para realizar
una medición “Measurement” y asignar un nombre al archivo que contendrá los
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resultados de la prueba. En la pestaña “Setup”, menú “Communications”
seleccionar el puerto de entrada como “COM5”. Luego oprimir “Start”.
e. Después de encender el instrumento con el botón “Start” ir al menú “Instrument
Status” y oprimir el botón “Charger”, mostrado en la siguiente imagen.
Figura 12. Pantalla de “Instrument Status”. Tomado de (Dekati Ltd.).
Para realizar una prueba de fugas en el sistema, oprimir el botón “Leak Test”.
Encender la bomba de vacío y cerrar la entrada del analizador de masa con la
válvula ubicada en el panel frontal del mismo (marcada como “Inlet Valve”).
Una vez hecho esto la presión en el impactador alcanza su valor nominal (entre
20 y 50 mbar; se monitorea en la misma pantalla con el medidor “Pressure”).
Una vez la presión alcanza este valor cerrar la válvula de vacío (ubicada
también en el panel frontal del equipo) y monitorear el cambio en la presión
absoluta del impactor. La presión no debería incrementar a una tasa mayor a
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20mbar / minuto. Si esto ocurre es un indicador de la existencia de una fuga en
algún punto del sistema; en este caso deben revisarse las conexiones, sellos y
demás componentes para asegurar una conexión adecuada.
f. Para un correcto funcionamiento del equipo la presión absoluta del impactor
debe ser de 100 mbar. Para controlar esta presión se utiliza una tercera válvula
(denominada “Pressure Control”) ubicada en el panel frontal, la cual debe
rotarse hasta que la lectura de presión sea de 100mbar.
g. Encender nuevamente las lecturas de voltaje con el botón “Charger” y
encender la bomba. Esperar a que los valores de las variables en la pantalla de
“Instrument Status” se estabilicen. Si la concentración censada es menor a 1
µg/m3 (se ve en el menú “Total Mass” que se despliega al oprimir la pestaña
“Measurement”) y los valores de corriente están cercanos a cero (con un error
de ±10 fA) no hay necesidad de realizar un cero (calibración). De lo contrario
es necesario fijar un cero.
h. Para fijar un cero, seleccionar la vista “All Currents” del menú que se despliega
al oprimir sobre la pestaña “Measurement”. Aparecerá una pantalla como esta:
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Figura 13. Pantalla de visualización “All Currents”. Tomado de (Dekati Ltd.).
Oprimir la opción “Clear” para borrar los datos previos de la pantalla. Cuando
los valores de corriente se hayan estabilizado presionar el botón “Zero” del
menú que se encuentra al costado derecho de la pantalla. Una vez haya
terminado al proceso limpiar la pantalla nuevamente con “Clear” y verificar que
todas las corrientes estén cerca a cero (±10 fA) y en estado estable. La Figura
13muestra como debería verse la vista “All Currents” después de realizado el
cero. Volver a la vista “Total Mass” y verificar que la concentración sea menor a
0.5 µg/m3. De ser así el equipo estará calibrado y listo para realizar
mediciones. Hacer click en “New File” y asignar un nombre y ubicación al
archivo donde se guardarán los datos.
i. Encender al analizador de gases; este demorará unos minutos en inicializarse.
Abrir en el computador el software dispuesto para la adquisición de datos del
equipo (IHM8000). Hacer click en la opción “Quick Test”, luego “Freetest
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mode” y posteriormente en “Begin Sampling”. Se mostrará una gráfica con
todas las concentraciones y porcentajes sobre el total de los gases medidos
por el equipo, así como sus valores numéricos instantáneos. Una vez el
analizador haya inicializado, oprimir en el teclado del equipo el botón “Menú”
seguido por el botón “6”. La transmisión de datos entre el analizador y el
computador será ahora en tiempo real.
j. Abrir el programa “LabView” y abrir el archivo “motos.vi” que se encuentra
guardado en el computador. Se mostrará una pantalla como la siguiente:
Figura 14. Pantalla principal del programa “motos.vi” corriendo en LabView.
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Hacer click en la carpeta que se encuentra al costado derecho de la pantalla y
asignar un nombre y ubicación al archivo donde se guardarán los datos. El
programa se encuentra precargado con un ciclo simple de
aceleración/desaceleración. Para cambiar el ciclo, en la pestaña “View” hacer
click en la opción “View Block Diagram”. Se mostrará una pantalla como esta:
Figura 15. Diagrama de bloques del programa “motos.vi”.
Hacer doble click en el bloque “Simulate Arbitrary Singal”, se abrirá una
ventana con una serie de tiempo/velocidad que representa el ciclo actual. Si se
desea cambiar el ciclo debe cargarse el mismo como archivo “.lvm” en esta
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ventana (un .lvm es un archivo editado en Excel o Wordpad pero guardado con
esta extensión).
k. Para verificar que el dilutor esté listo para operar se recomienda hacer una
limpieza cuidadosa del mismo si este no se ha utilizado en bastante tiempo.
Para instrucciones detalladas de como realizar esta limpieza referirse al
manual del dilutor Dekati, versión 4.4.
l. Según el fabricante, todos los dilutores vienen calibrados de fábrica y su
respectiva curva de calibración viene incluida con el datasheet del equipo.
Figura 16. Ejemplo de una curva de calibración para un dilutor. Se muestra la
razón de dilución y caudal de la muestra como función de la presión del
exhosto (en mbar). Tomado de (Dekati Ltd.).
La razón de dilución para el dilutor está dada por la siguiente expresión:
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Donde N es la razón de dilución, Vmuestra es el flujo volumétrico a la entrada del
equipo y Vaire es el flujo másico del aire de dilución. La razón de dilución indica
que la concentración de la muestra es reducida por un factor de 1/N (la
enésima parte). El valor nominal de la razón de dilución está dado para una
temperatura de operación de 20ºC y una presión en el exhosto de 1,013mbar.
Si la presión en el tubo de escape es distinta a 1,013mbar se puede determinar
el valor exacto de la razón de dilución del datasheet del equipo. Sin embargo,
si la presión no tiene un valor constante, la razón de dilución también será
variable. Si se presenta esta situación se recomienda conectar la salida del
dilutor (marcada como “Exhaust Pipe” en la Figura 8) nuevamente al punto de
muestreo para evitar cambios en la razón de dilución. Si se opta por esta
configuración la razón de dilución será igual a la nominal (aproximadamente de
1:8 para este modelo).
m. Una vez se ha verificado que todos los equipos se encuentran calibrados y en
buenas condiciones, solo resta revisar que el vehículo se encuentre en
condiciones aptas para realizar la prueba.
n. Verificar que la transmisión de la moto esté en neutro para manuales y
semiautomáticas. Para automáticas, verificar que se encuentre firmemente
soportada.
o. Verificar que todos los equipos eléctricos de la moto se encuentren apagados,
al igual que el control de choque (ahogador).
p. Permitir que la motocicleta llegue a temperatura ambiente (medida sobre la
tapa del motor) para garantizar que la prueba será representativa de una
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condición de manejo real (encendido, calentamiento, estabilización y
conducción).
q. Para iniciar la prueba: encender el ventilador y la aspiradora. Verificar que en la
pantalla principal de “motos.vi” el flujo sea de 0 scfm. Si es distinto de este
valor la aspiradora debe moverse hacia adelante o atrás con respecto a la
salida del tubo de acero inoxidable hasta lograr este valor. Encender la
motocicleta. En el programa del analizador de gases “IHM8000” hacer click en
Road Test. El analizador realizará un autocero tras lo cual empezará a sensar
y guardar datos. En el programa del analizador de masa “DMMvi 1.2” hacer
click en el botón “Not Saving” de color rojo. Este cambiará a “Saving”, lo cual
indica que está guardando datos. En la pantalla principal de “motos.vi” hacer
click en el botón “play”, que es una flecha que se encuentra en la pestaña
superior del programa. El conductor verá instrucciones en pantalla que le
indicarán si debe acelerar o desacelerar la motocicleta, así como una
representación gráfica de su velocidad contra la velocidad que el ciclo de
manejo requiere. El conductor debe intentar seguir lo más exactamente que
pueda dicho ciclo.
r. Una vez se termine el ciclo, oprimir el botón “Stop” en la pantalla principal de
“motos.vi”. Oprimir “Saving” en el programa “DMMvi 1.2” y oprimir “Stop Road
Test” en el programa “IHM8000”. Los archivos con los datos del analizador de
masa y de velocidad y flujo estarán guardados en las ubicaciones definidas por
el usuario. Los resultados del analizador de gases se guardan por default en
una base de datos en Access llamada “GAS.mdb”, que se encuentra guardada
en un acceso directo en el escritorio del computador.
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3.3. Resultados de las Pruebas
La mayoría de los procedimientos de prueba existentes (que generalmente
corresponden a ciclos de prueba divididos en fases) contemplan la recolección de
cada muestra (una muestra por fase) en bolsas separadas de teflón para su
posterior análisis. Los factores de emisión se calculan con base en la composición
del gas contenido en cada bolsa y la distancia recorrida por fase, y un valor
promedio de emisión se calcula utilizando los factores de ponderación
anteriormente descritos. Con estos valores de emisión promedio se puede
comparar contra la normativa vigente para determinar si el vehículo se encuentra o
no dentro de una zona de cumplimiento.
Las mediciones que se realizarán en el LEV tienen un carácter distinto pues estas
son de muestreo continuo (los equipos entregan información como series de
tiempo), por lo cual el resultado de la prueba no será un factor promedio de
emisión para cada gas sino una serie de tiempo con la concentración del mismo.
Por esta razón se espera como resultado de cada prueba la concentración de
cada contaminante analizado como función del tiempo, las cuales se pueden
superponer con la representación gráfica del ciclo de manejo para realizar un
análisis detallado.
3.4. Ciclos de Conducción
Este capítulo contiene el procedimiento que debe seguirse para hacer una toma
de mediciones correspondiente a una condición de operación real para un
vehículo de este tipo. Como se mencionó anteriormente, a diferencia de las
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pruebas estándar para operación en ralentí se desea también muestrear el
comportamiento de las emisiones del vehículo desde su encendido hasta su
conducción bajo un ciclo que represente condiciones de
aceleración/desaceleración típicas del manejo urbano.
Para propósitos de este protocolo se describirán los siguientes ciclos de manejo,
los cuales se podrán utilizar para realizar las pruebas:
ECE R 40.01, que corresponde a ciclos EURO 1 y EURO 2.
EURO 3 para motocicletas.
NEFZ, nuevo ciclo de marcha europeo.
WTMC, “Worldwide Harmonised Motorcycle Test”.
CADC, “Common Artemis Driving Cycle”.
FTP-75, “Federal Test Procedure 75”.
La elección del ciclo dependerá exclusivamente del propósito del análisis.
3.4.1. ECE R 40.01
La regulación de la Unión Europea describe un ciclo de prueba para vehículos tipo
EURO 1 y EURO 2, así como valores máximos de emisión para los vehículos
probados.
Para propósito de las siguientes tablas, el peso de referencia de la moto (R) se
calcula como:
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Limites para Motos de Cuatro Tiempos, ECE R 40.01
CO (g/km)
Peso de Referencia (kg) ECE 40.01
<100 17.5{21}
100-300 (17.5+17.5(R-100))/200
{100-300} (21+21(R-100))/200
>300 35(42)
HC (g/km)
<100 4.2(6)
100-300 (4.2 + 1.8(R-100))/200
{100-300} (6 + 2.4(R-100))/200
>300 6(8.4)
Tabla 7. Límites máximos de emisión según la regulación 40.01 para motos de
cuatro tiempos. Valores en paréntesis aplican para conformidad de la producción.
Adaptado de (Walsh Car Lines).
Limites para Motos de Dos Tiempos, ECE R 40.01
CO (g/km)
IAMB 201210 09
31
Peso de Referencia (kg) ECE 40.01
<100 12.8
100-300 (12.8 + 19.2(R-100))/200
{100-300} (16 + 24(R-100))/200
>300 32(40)
HC (g/km)
<100 8(10.4)
100-300 (8 + 4(R-100))/200
{100-300} (10.4 + 6.4(R-100))/200
>300 12(16.8)
Tabla 8. Límites máximos de emisión según la regulación 40.01 para motos de dos
tiempos. Valores en paréntesis aplican para conformidad de la producción.
Adaptado de (Walsh Car Lines).
Además de valores máximos permisibles para varios contaminantes criterio,
también se incluye la visualización gráfica del ciclo de conducción. Este ciclo
incluye un periodo de calentamiento y uno de medición.
IAMB 201210 09
32
Figura 17. Vista gráfica del ciclo de conducción ECE 40.01. Tomado de
(Fundación RACC Automovil Club, España, 2003).
En el periodo de calentamiento no se realizan mediciones; sin embargo, se
propone una modificación al ciclo que consiste en empezar el muestreo desde el
segundo cero, para verificar el comportamiento de las emisiones si se inicia el
manejo con el motor frío, llevando así el tiempo total de medición a 1,170
segundos.
3.4.2. Nuevo ciclo de marcha Europeo (NEFZ) y EURO 3
El NEFZ sustituyó el denominado ciclo ECE 15R. Este ciclo se divide en tres
fases; para cada una debe recogerse la muestra en una bolsa de análisis
separada. Este ciclo también es válido para automóviles tipo turismo.
IAMB 201210 09
33
También se presenta el ciclo EURO 3 para motocicletas, el cual es idéntico para
las primeras dos fases del NEFZ, sin embargo divergen en la dinámica posterior a
esta fase.
Figura 18. Nuevo ciclo de marcha Europeo (NEFZ). Tomado de (Fundación RACC
Automovil Club, España, 2003).
Nótese que el muestreo para este ciclo, a diferencia del ECE R 40.01 contempla
adquisición de muestras a partir del segundo cero de la prueba. Sin embargo, la
fase 1 y 2 del NEFZ es igual a las fases 1, 2, 3 y 4 del ciclo ECE, y la fase 3 del
NEFZ es igual a la última fase del EURO 3, por lo cual estos ciclos tienen bastante
en común.
Es importante notar que para esta pareja de ciclos el muestreo se hace con un
arranque de motor en frío, por lo cual se asemejan más a una situación de manejo
real que el ECE R 40.01.
IAMB 201210 09
34
Figura 19. Ciclo EURO 3 para motocicletas. Tomado de (Fundación RACC
Automovil Club, España, 2003).
3.4.3. Worldwide Harmonized Motorcycle Emissions Certification Procedure
(WTMC)
Este ciclo es de gran importancia pues inició como un esfuerzo de la Unión
Europea y los fabricantes de motocicletas para generar un ciclo y procedimiento
de pruebas estándar para motocicletas, pero se convirtió en un proyecto global
acobijado por el Concejo Económico y Social de las Naciones Unidas al listar la
participación de países como Japón y Estados Unidos. Este ciclo tiene fases más
dinámicas que el NEFZ y está pensado para un remplazo de todos los ciclos
existentes, pues refleja de manera más adecuada un manejo real de una
motocicleta.
El WMTC consta de tres fases (urbana, interurbana y autopista); al igual que en el
NEFZ cada una analiza de manera independiente. Para calcular un resultado total
IAMB 201210 09
35
se pondera cada una de las tres fases, siendo la interurbana la más significativa
con un valor de ponderación del 50%; la urbana y la de autopista se ponderan con
un 25% cada una. También, al igual que para el NEFZ, el WTMC aún no tiene
valores límite de emisión aprobados. Las tres fases del ciclo se muestran a
continuación:
Figura 20. Fase 1 (urbana) del WTMC, para velocidades hasta 60 km/h. Tomado
de (Fundación RACC Automovil Club, España, 2003).
IAMB 201210 09
36
Figura 21. Fase 2 (interurbana) del WTMC, para velocidades hasta 95 km/h.
Tomado de (Fundación RACC Automovil Club, España, 2003).
Figura 22. Fase 3 (autopista) del WTMC, para velocidades hasta 130 km/h.
Tomado de (Fundación RACC Automovil Club, España, 2003).
Se recomienda fuertemente utilizar este ciclo como patrón para las pruebas de
laboratorio, pues es el que se está imponiendo actualmente a nivel global y mejor
refleja condiciones de manejo real para motocicletas. La tabulación del ciclo cada
segundo para facilitar la programación e implementación del mismo no se incluye
en el presente documento; sin embargo, está disponible en (Economic
Commission for Europe: Inland Transport Committee, 2005).
3.4.4. Common Artemis Driving Cycle (CADC)
Este ciclo es fruto del proyecto ARTEMIS (Assessment and Reliability of Transport
Emission Models and Inventory Systems) desarrollado en la unión Europea a partir
del año 2000. Este ciclo es aplicable tanto para motocicletas como para vehículos
de pasajeros, y, al igual que el WTMC es dinámico y se divide en tres fases
IAMB 201210 09
37
(urbana, rural y autopista). Si bien el WTMC está concebido para remplazar a los
ciclos ECE, es probable que también llegue a remplazar al CADC debido a las
múltiples similitudes entre los mismos. El ciclo gráfico se muestra a continuación
(nótese que también se contempla el efecto del encendido del motor desde frío,
separado previo a la subfase urbana 1):
Figura 23. Fase 1 (urbana) del CADC. Nótese que tiene un comportamiento más
dinámico que cualquiera de los otros ciclos. Tomado de (Bundesamt für Umwelt,
Wald und Landschaft (BUWAL), 2001).
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38
Figura 24. Fase 2 (extra-urbana o rural) del CADC. Tomado de (Bundesamt für
Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL), 2001).
IAMB 201210 09
39
Figura 25. Fase 3 (autopista) del CADC. Tomado de (Bundesamt für Umwelt, Wald
und Landschaft (BUWAL), 2001).
3.4.5. Federal Test Procedure 75 (FTP-75)
Este es el ciclo reglamentado y ampliamente usado para certificar vehículos
livianos en Estados Unidos (en Australia se usa el mismo ciclo, bajo el nombre
ADR 37). El ciclo se divide en tres fases, cada una de las cuales se analiza por
separado. La primera fase consiste en un arranque y conducción desde frío, la
segunda fase es una condición de transición y la última fase es idéntica a la
primera pero se realiza con el motor caliente.
Figura 26. Ciclo FTP-75. Tomado de (Dieselnet, 2000).
Los resultados de la prueba utilizando este ciclo se expresan en gramos por
kilómetro. Los factores de ponderación para el cálculo de valor de emisión total
son 0.43 para la fase 1, 1.0 para la fase 2 y 0.57 para la fase 3.
IAMB 201210 09
40
3.4.6. Consideraciones al momento de la prueba
Para implementar alguno de los ciclos en el sistema del LEV, es necesario primero
ingresar el mismo como una serie de datos velocidad contra tiempo en el sistema
de visualización que posee el laboratorio (de manera que el conductor pueda
seguir fácilmente el ciclo). El software que permite montar los ciclos ya existe, por
lo cual lo que resta hacer para una prueba real es la programación del mismo.
Quien lleva a cabo la prueba también debe tener en cuenta que la forma en como
se operan los cambios (vehículos manuales y semiautomáticos) afecta los valores
de emisión que busca registrar la prueba. Por esta razón varios de los ciclos
mostrados (en especial el WTMC y el CADC) tienen especificaciones más
detalladas acerca de la manera de realizar los cambios conforme avanza la
prueba; por esta razón se recomienda si se opta por utilizar uno de estos ciclos
revisar detalladamente el procedimiento completo.
Los factores de emisión típicos para motos (de diferentes clases) se obtuvieron de
un modelo de emisiones vehiculares desarrollado para la ciudad de Bogotá
(Herrera Montañez, 2007), los cuales a su vez provienen del IVE (International
Vehicle Emissions Model).
IAMB 201210 09
41
Tabla 9. Clasificación de las motocicletas según sus características técnicas
(combustible usado, tipo de motor, kilometraje) por grupos (código e índice
IVE). Tomado de (Herrera Montañez, 2007).
Tabla 10. Factores de emisión por código de grupo (ver Tabla 9). Tomado
de (Herrera Montañez, 2007). Unidades de g/km.
Tabla 11. Factores de emisión de acuerdo a una categorización más general del IVE.
4. Prueba Piloto
Se realizó una prueba piloto el 17 de Mayo de 2012 para poner a prueba el
protocolo y verificar que todos los equipos y métodos fueran adecuados para
realizar pruebas futuras. La moto probada fue una Bajaj Boxer BM100, la cual
tiene un motor de cuatro tiempos y 100cm3. Se utilizó el ciclo de manejo default ya
incluido en el programa “motos.vi”, el cual tiene una duración total de 500
segundos. El conductor durante las pruebas definitivas fue el mismo, para intentar
eliminar el error que podría resultar al utilizar conductores distintos.
CO2 CO NOx THC PM
Motocicletas M1 2 tiempos Gasolina 28,09 7,56 0,03 4,33 0,148
Motocicletas M2 4 tiempos Gasolina 33,11 6,67 0,27 1,67 0,09
Categoría Vehicular Cat. Criterio de Clasificación Combustible usado
Factores de emisión (g km-1)
IAMB 201210 09
42
4.1. Memoria Fotográfica
Figura 27. Aseguramiento de la moto en el dinamómetro. Nótese el uso de cuatro
tensores junto con el soporte para rueda delantera. También está visible la
manguera que sale dl tubo de escape “color rojo”.
Figura 28. Izquierda, vista del montaje parcial después del tubo de escape. Visible
está el tubo de acero inoxidable, sus soportes, el flujómetro y la aspiradora.
Derecha, vista en detalle. Nótese que aún no se han instalado las sondas de
muestreo.
IAMB 201210 09
43
Figura 29. Izquierda, pantallazo del software “DMMvi 1.2” mientras se realiza un
cero. Derecha, el analizador de gases y monitor de masa encendidos.
Figura 30. Vista general del montaje completo. En la mesa a la izquierda de la
imagen se ven los equipos de muestreo y el computador para adquisición de
datos. La torre de control del dinamómetro se ve parcialmente cubierta por la
columna. Para iniciar una prueba en el montaje mostrado en la imagen solo hace
falta colocar el ventilador (al fondo en la imagen) en su posición y proyectar en la
IAMB 201210 09
44
pantalla (frente a la moto, en la imagen se encuentra recogida) el programa
“motos.vi” para guiar al conductor.
Figura 31. Imágenes de dos pruebas en desarrollo (dos conductores distintos, el
que se ve en la derecha fue quien hizo las tres pruebas cuyos resultados se
muestran en la siguiente sección). Se observa el programa “motos.vi” corriendo
para guiar al conductor. Nótese que se agregaron dos cintas de seguridad sobre el
rodillo del dinamómetro que no está en uso, pues este igual gira durante el
desarrollo de la prueba.
4.2. Resultados de la Prueba Piloto
Se realizaron tres pruebas idénticas (mismo ciclo, mismo conductor, arranque de
la moto caliente) para determinar si el protocolo garantiza repetitividad de los
datos. Además se busca hacer un pequeño análisis de los datos obtenidos. Se
midieron los siguientes parámetros: velocidad de la motocicleta, concentración de
material particulado, porcentaje de monóxido de carbono, porcentaje de dióxido de
carbono, relación aire-combustible (AFR), concentración de óxidos de nitrógeno y
IAMB 201210 09
45
concentración de hidrocarburos en el tubo de escape. Los resultados de las tres
pruebas se muestran de manera gráfica en las siguientes figuras.
Figura 32. Gráfica de ciclo de conducción (real e ideal) y concentración de material
particulado contra tiempo. Prueba número 1.
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46
Figura 33. Gráfica de ciclo conducción (real e ideal), concentraciones de NOx y
HC, porcentajes de CO, CO2 y AFR contra tiempo. Prueba 1.
Figura 34. Gráfica de ciclo de conducción (real e ideal) y concentración de material
particulado contra tiempo. Prueba número 2.
IAMB 201210 09
47
Figura 35. Gráfica de ciclo conducción (real e ideal), concentraciones de NOx y
HC, porcentajes de CO, CO2 y AFR contra tiempo. Prueba 2.
Figura 36. Gráfica de ciclo de conducción (real e ideal) y concentración de material
particulado contra tiempo. Prueba número 3.
IAMB 201210 09
48
Figura 37. Gráfica de ciclo conducción (real e ideal), concentraciones de NOx y
HC, porcentajes de CO, CO2 y AFR contra tiempo. Prueba 3.
Lo primero que se determino para cada una de las pruebas fue el porcentaje de
diferencia entre el ciclo real (línea roja en las figuras) y el manejo entregado por el
piloto (línea azul). Para este fin se calculo el porcentaje de diferencia para cada
punto muestreado entre la velocidad real y la exigida por el ciclo, y al final dichos
porcentajes se promediaron. Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Número de Prueba Error de Seguimiento (%)
1 18.03
2 10.10
3 9.62
Tabla 12. Porcentaje de error promedio entre la velocidad ideal del ciclo y la lograda (error de seguimiento del ciclo).
IAMB 201210 09
49
Desafortunadamente los valores reportados en la Tabla 12indican que el
conductor de la motocicleta no logró seguir el ciclo con un error aceptable (menos
del 5%), a pesar de que en principio las gráficas pareciesen indicar lo contrario.
De una inspección visual de las gráficas se obtienen los siguientes patrones y
observaciones:
La gráfica de material particulado corresponde de manera adecuada al ciclo de
manejo y su comportamiento para las tres pruebas es el esperado. A medida
que se da un proceso de aceleración la concentración de material particulado
incrementa acordemente, con disminuciones cuando la motocicleta se
mantiene a velocidad constante. El comportamiento errático de la gráfica indica
que el Dekati tiene un tiempo de respuesta excelente y que el equipo muestrea
sin problema este tipo de vehículos.
Cuando se presentan los picos de concentración de material particulado el
valor correspondiente de concentración se encuentra muy cercano al límite
superior del rango del instrumento. Es importante recordar que esta es una
motocicleta nueva de cuatro tiempos, por lo cual para motos de dos tiempos (o
con un mayor uso) es probable que se necesite usar el dilutor para lograr
censar adecuadamente el comportamiento del material particulado.
Todas las gráficas obtenidas a partir de los datos del analizador de gases
tienen un comportamiento “suavizado” (a diferencia del errático que presenta el
Dekati). Esto evidencia que el tiempo de respuesta del analizador de gases
tiene una demora que hace que el instrumento no arroje exactamente datos en
tiempo real.
IAMB 201210 09
50
La gráfica de emisión de hidrocarburos (HC, color púrpura) presenta un pico
interesante en las tres pruebas durante la fase de desaceleración del ciclo
(llegando a los 40 km/h). Se especula que la presencia de este pico es
consecuencia de un cambio de marcha (de cuarta a tercera velocidad), que
para esta motocicleta en particular ocasiona que una buena cantidad de
gasolina sea emitida sin quemarse completamente momentáneamente.
La gráfica de dióxido de carbono no presenta el comportamiento esperado para
ninguna de las tres pruebas. De acuerdo con la teoría de combustión la
emisión de CO2 debería ser directamente proporcional al consumo de
combustible, y este a su vez es proporcional a la aceleración de la motocicleta.
Por ende, la curva de emisión de CO2 debería ser una fiel representación del
ciclo de manejo, sin embargo, esto solo es cierto para la fase inicial de
aceleración (para las tres pruebas se nota un comportamiento relativamente
estático del porcentaje de CO2 emitido). Esto puede indicar un problema en el
sensor de este gas en el equipo.
Para las tres pruebas el comportamiento de emisión de óxidos de nitrógeno
(NOx) indica un problema claro: la concentración se mantiene en cero durante
casi toda la prueba, salvo en la fase de desaceleración (entre 300 y 400
segundos) donde se presenta un incremento que se acerca a las 10ppm
emitidas. El hecho que el equipo cense, al menos en una parte de la prueba, la
concentración del gas indica que probablemente el sensor esté funcionando
adecuadamente. Por ende, el comportamiento observado es cuestión de que
las cantidades de NOx emitidas por la motocicleta se encuentran por debajo del
IAMB 201210 09
51
límite inferior de detección del analizador de gases para este contaminante
particular. El analizador fue diseñado para detectar concentraciones de NOx en
automóviles (que emiten cantidades considerablemente mayores de este gas
que una motocicleta, entre 500 y 800 ppm) lo cual puede explicar este
comportamiento.
Para hacer un análisis cuantitativo de las pruebas se obtuvieron los factores de
emisión (en g/km) para PM, CO, CO2 y HC (el NOx no se tuvo en cuenta por el
análisis anteriormente realizado), de manera que dichos factores pudiesen
compararse con los presentados en el modelo IVE (ver Tabla 10y Tabla 11). El
procedimiento para determinar los factores de emisión es el siguiente:
1. Se calcula la distancia recorrida por el vehículo durante la prueba, integrando
la curva de velocidad contra tiempo (integral numérica).
2. Se convierte el flujo volumétrico registrado por el flujómeto a m3/s (las unidades
default del equipo con SCFM).
3. Se determinan los flujos másicos (en g/s) de cada contaminante. Para el
material particulado este se obtiene simplemente multiplicando la
concentración del mismo por el flujo volumétrico. Para el CO y CO2 (que están
expresados en porcentaje sobre la muestra total) se multiplica dicho porcentaje
por el flujo y posteriormente por la densidad de cada gas. Para el caso de los
hidrocarburos se asumió que la emisión principal de los mismos es gasolina sin
quemar (fórmula molecular C8H17); con esta fórmula molecular y a condiciones
estándar se determino la densidad del hidrocarburo en estado gaseoso. Se
multiplica la concentración (en ppm) de HC por esta densidad para convertirla
IAMB 201210 09
52
en una unidad de masa sobre volumen, y esta a su vez se multiplica por el flujo
volumétrico para obtener el flujo másico.
4. Se realiza una integral de tiempo para cada uno de los flujos másicos para
obtener la masa total emitida de cada contaminante durante la duración de la
prueba (integral numérica).
5. Los factores de emisión se calculan como el cociente entre las masas emitidas
y el número de kilómetros recorridos por prueba.
Los factores de emisión calculados difieren bastante (en algunos casos hasta
por un factor de 20) con respecto a los patrones del IVE mostrados en la Tabla
11. Después de un análisis detallado de los cálculos se descubrió que no era
un problema de estos sino de uno asociado al montaje usado para las pruebas.
La aspiradora que se encarga de evacuar el gas de escape del laboratorio
genera un flujo de succión adicional que interfiere con el flujo de salida natural
del tubo de escape, por lo cual la lectura del flujómetro reportada es la del gas
de escape con un aire de dilución que introduce dicha aspiradora. Como los
cálculos de lujo másico dependen de el flujo volumétrico los factores de
emisión calculados son mucho mayores a lo esperado. Una discusión más
detallada se presenta en las conclusiones del proyecto.
5. Conclusiones y Recomendaciones
Se desarrolló un protocolo para pruebas de emisiones de motocicletas en el
laboratorio que tiene en cuenta las características y limitaciones del mismo, así
como detalles particulares para el montaje y desarrollo de las pruebas. El
IAMB 201210 09
53
protocolo se ensayó por medio de una prueba piloto la cual sirvió para refinar el
mismo y verificar que corresponda, de manera detallada, al procedimiento que
debe realizarse para pruebas futuras. Las conclusiones obtenidas a lo largo de
todo el proyecto fueron las siguientes:
1. Es posible adaptar el dinamómetro diseñado para automóviles para llevar a
cabo experimentos en motocicletas. Para esto debe tenerse en cuenta que la
sujeción de la motocicleta debe ser muy buena pues ésta tiende a ser inestable
al rodar sobre los rodillos. Debe eliminarse por completo el grado de libertad de
inclinación de la motocicleta para evitar un accidente. Esto se logra por medio
del soporte para la rueda delantera y con una adecuada tensión en los
amarres. Sin embargo, existe un problema asociado con la inercia del equipo
con relación a la masa de la motocicleta, que se discute el la conclusión
número 3.
2. Para garantizar la homogeneidad entre las pruebas sería apropiado contar con
un conductor que logre mantener el porcentaje de error entre el ciclo y la
prueba por debajo del 5%. Adicionalmente, se recomienda también generar un
ciclo de precalentamiento y arranque de la motocicleta previo a cada prueba
para garantizar que ésta se encuentre siempre en las mismas condiciones
antes del desarrollo de cada una.
3. Como el dinamómetro está diseñado para pruebas de vehículos de cuatro
ruedas, los volantes de inercia que se utilizan son demasiado grandes en
comparación con la masa e inercia de una motocicleta. Por esta razón se
encontró que, aunque utilizando los volantes más pequeños la resistencia que
IAMB 201210 09
54
estos ofrecen a un cambio de velocidad en la rueda de la motocicleta es
bastante grande. Esto se manifiesta sobre todo al tratar de desacelerar el
vehículo, pues los rodillos tratan de mantener la rueda girando a velocidad
constante. Por esta razón no se pueden utilizar ciclos con cambios muy
bruscos de velocidad (especialmente en desaceleración) en el laboratorio para
pruebas de motocicletas futuras, salvo que se encuentre la manera de reducir
aun más la inercia de los rodillos (tal vez habilitando uno solo y dejando el otro
estático). Vale la pena observar el comportamiento de una motocicleta más
pesada en el dinamómetro, para determinar si el comportamiento es
generalizado.
4. Las curvas resultantes de la prueba piloto evidencian una respuesta lenta del
analizador de gases, la cual debe considerarse al momento de hacer análisis
de resultados. Las curvas resultantes se asemejan más a medias móviles que
a respuestas en tiempo real, lo cual nuevamente podría representar problemas
en ciclos con cambios de velocidad bruscos, donde el analizador podría no
mostrar respuestas acordes a dichos cambios.
5. Se recomienda hacer una revisión de funcionamiento adecuado y calibración
con gas patrón del sensor de CO2. La prueba piloto no reflejó el
comportamiento esperado para este contaminante, que debería ser un fiel
reflejo del ciclo de manejo aplicado (pues su concentración en el gas de
escape es una función netamente estequiométrica, que debería variar
proporcionalmente con velocidad y aceleración del vehículo). También debe
buscarse una solución para que se puedan medir óxidos de nitrógeno, pues
como bien se discutió antes el sensor actual tiene un límite inferior de
IAMB 201210 09
55
detección muy bajo que no permite detectar las concentraciones para
motocicletas (en pruebas realizadas en automóviles el sensor funciona
perfectamente). Posibles soluciones incluyen utilizar una sonda especial para
vehículos de dos ruedas, o utilizar algún tipo de mecanismo de “amplificación”
para lograr detectar concentraciones.
6. La motocicleta probada estaba en óptimas condiciones de mantenimiento y
tenía aún un bajo kilometraje (alrededor de 5000km recorridos). Aún para una
motocicleta en dichas condiciones las concentraciones de material particulado
se acercan bastante al límite de detección del analizador de masa Dekati por lo
cual para pruebas de motocicletas más viejas y con distintos estados de
mantenimiento seguramente será necesario el uso del dilutor.
7. La prueba piloto también reflejó que al subir o bajar la marcha se producen
picos en la emisión de contaminantes o caídas súbitas en las concentraciones
emitidas, que pueden cambiar el comportamiento de las curvas y afectar la
repetitividad de las pruebas. Por esta razón se considera adecuado desarrollar
una tabla de instrucciones de cambio de marcha que acompañe a cada ciclo
utilizado, con la finalidad de eliminar dicho factor de error de los resultados.
8. La prueba piloto también reveló un problema asociado al montaje experimental
utilizado para las pruebas, que a su vez representa la fuente de error más
grande en el momento de analizar resultados. La presencia cercana de la
aspiradora a la manguera que conecta al tubo de escape ocasiona una lectura
incorrecta de flujo volumétrico, pues el flujómetro registra un caudal de aire
adicional proveniente de la succión de la aspiradora. La presencia de este
equipo ocasiona un cálculo erróneo de los factores de emisión, pues todos
IAMB 201210 09
56
ellos dependen del flujo másico de contaminantes en el tubo de escape.
Remover por completo la aspiradora no es una solución viable pues las
concentraciones de contaminantes en el aire del laboratorio serían
perjudiciales para las personas que allí se encuentren. Se proponen entonces
tres posibles soluciones: i) dejar la aspiradora a una distancia prudente del
tubo de escape para evitar la interferencia de la misma, ii) conectar la
manguera de escape directamente al sistema de extracción de gases del
laboratorio o iii) colocar una campana de extracción.
En general se demostró que si bien los equipos del laboratorio de emisiones
vehiculares son en su mayoría aptos para hacer pruebas de motocicletas, hay
ciertas limitaciones en las características de las pruebas que se pueden realizar
que deben ser tenidas en cuenta. Adicionalmente es necesario hacer algunas
modificaciones de tipo físico al montaje y hacer un mayor número de pruebas
piloto con vehículos de características diferentes para asegurar que el laboratorio
está en capacidad de hacer pruebas a gran escala.
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