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DESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA PARA CALCULAR UN CICLO DE CONDUCCION URBANO
PARA OBTENER LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN VEHÍCULOS AUTOMOTORES.
AUTOR:
ANTONIO JOSE OBANDO RESTREPO
ASESOR:
LUIS ERNESTO MUÑOZ CAMARGO
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
BOGOTA D.C
DICIEMBRE 2009
DESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA PARA CALCULAR UN CICLO DE CONDUCCION URBANO
PARA OBTENER LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN VEHÍCULOS AUTOMOTORES.
AUTOR:
ANTONIO JOSE OBANDO RESTREPO
ASESOR:
LUIS ERNESTO MUÑOZ CAMARGO
Ingeniero Mecánico M.Sc. Ph.D
PROYECTO DE GRADO
PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
BOGOTA D.C
DICIEMBRE 2009
AGRADECMIENTOS
Quiero agradecerle en primer lugar a mi familia, sin ellos nada de lo que he logrado en mi vida
sería posible. Gracias a su apoyo incondicional logre llegar hasta acá y voy a seguir adelante. A mi
Papá que desde pequeño me sembró el gusto por la ingeniería y contribuyo a mi formación como
persona y como profesional. A mi mama por amor incondicional que ha sido el soporte
fundamental de mi vida. A mis hermanas que gracias a su apoyo y consejos me lograron llegar
hasta aca.
Al profesor y asesor Luis Ernesto por permitirme trabajar con él y ser el guía de este proyecto que
desarrolle con mucho todo mi empeño.
A mis compañeros y colegas que durante toda mi carrera contribuyeron a mi formación como
ingeniero después de vivir tantas experiencias juntos. A mis compañeros del curso de dinámica
vehicular que contribuyeron en gran parte al desarrollo del proyecto.
Al personal de los laboratorios y del departamento, gracias a ustedes mi formación como
ingeniero no pudo ser mejor.
INDICE
INTRODUCCIÓN 1
1. OBJETIVOS 2
1.1. Objetivo general 2
1.2. Objetivos específicos 2
2. TRABAJO PREVIO 3
2.1. Universidad de los Andes 3
3. MARCO TEORICO 5
3.1. Desarrollo de ciclos de conducción 5
3.2. Metodologías para generar ciclos de conducción 6
3.2.1. Ciclos Sintéticos 6
3.2.2. Caracterización mediante distribuciones estadísticas 6
3.2.3. Ciclo urbano Norteamericano 7
3.2.4. Ciclos Británicos para consumo de combustible 7
3.2.5. Ciclos urbanos Europeos 8
3.3. Ciclos de conducción normativos 9
3.3.1. Ciclo de conducción US FTP 75 10
3.3.2. Ciclo de conducción 10-15 mode 11
3.3.3. Ciclo de conducción ECE 15 12
4. DESARROLLO DEL CICLO DE CONDUCCIÓN 13
4.1. Selección de rutas y trayectos a recorrer 13
4.2. Instrumentación del vehículo para los recorridos 15
4.3. Análisis y filtrado de la información 16
4.4. Metodología propuesta para generar el ciclo de conducción 18
4.5. Ciclo de conducción obtenido por medio de la metodología propuesta 21
5. PRUEBAS SOBRE CICLOS DE CONDUCCIÓN 23
5.1. Instrumentación Utilizada 24
5.2. Adquisición y procesamiento de información 24
5.2.1. Interfaz generada para replicar ciclos de conducción 26
5.3. Sistema alterno de combustible 27
5.4. Prueba de consumo de combustible sobre ciclo de conducción propuesto 30
5.5. Prueba de consumo de combustible sobre ciclo de conducción urbano SAE J1082 31
6. ANALISIS DE RESULTADOS 34
7. CONCLUSIONES 36
8. RECOMENDACIONES 38
REFERENCIAS 39
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Circuito hidráulico utilizado para pruebas de consumo combustible 5
Figura 2. Diagrama con metodología para generar ciclos urbanos europeos 8
Figura 3. Curva velocidad vs tiempo para ciclo de conducción US FTP 75 10
Figura 4. Curva velocidad vs tiempo para ciclo de conducción 10-15 mode 11
Figura 5. Curva velocidad vs tiempo para ciclo de conducción ECE – 15 12
Figura 6. Imagen satelital del recorrido seguido en el norte-oriente-centro de la ciudad 13
Figura 7. Imagen satelital del recorrido seguido en el norte-occidente de la ciudad 15
Figura 8. VBOX III GPS Data Logger 100 Hz 16
Figura 9. Curva velocidad vs tiempo donde # de satélites es menor del requerido 17
Figura 10. Diagrama de la metodología seguida para construir el ciclo 18
Figura 11. Histograma de frecuencias para la velocidad promedio de todos los microciclos 20
Figura 12. Curva velocidad contra tiempo del Ciclo de conducción propuesto 21
Figura 13. Imagen Satelital trayecto recorrido durante las pruebas 23
Figura 14. VBOX III GPS, Modulo NI 9215, Chasis USB NI y computador a bordo del vehículo 24
Figura 15. Diagrama de Bloques interfaz Labview para replicar los ciclos 26
Figura 16. Panel frontal interfaz Labview para replicar los ciclos 27
Figura 17. Sistema de combustible alterno a bordo del vehículo 28
Figura 18. Diagrama circuito hidráulico 28
Figura 19. Balanza pesando tanque auxiliar 29
Figura 20. Curva velocidad vs tiempo obtenida después de seguir ciclo propuesto 30
Figura 21. Imagen piloto y copiloto durante ejecución de la prueba 31
Figura 22. Curva velocidad vs tiempo obtenida después de seguir ciclo urbano SAE J1082 33
Figura 23. Imagen del vehículo en carretera en la ejecución de pruebas 33
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Información ciclo US FTP 75 10
Tabla 2. Información ciclo de conducción 10-15 mode 11
Tabla 3. Información ciclo de conducción ECE-15 12
Tabla 4. Vías transitadas para el recorrido norte-oriente-centro 14
Tabla 5. Vías transitadas para el recorrido norte-oriente-centro 15
Tabla 6. Especificaciones técnicas VBOX III GPS 16
Tabla 7. Información microciclos disponibles después de filtrado de datos 19
Tabla 8. Información variables ciclo propuesto con respecto a valores promedio objetivo 22
Tabla 9. Información comparativa de diferentes ciclos de conducción 22
Tabla 10. Instrumentación utilizada para pruebas replicando los ciclos de conducción 24
Tabla 11. Instrucciones ciclo urbano SAE J1082 32
Tabla 12. Resultados Ciclo SAE 34
Tabla 13. Resultados Ciclo propuesto 34
Tabla 14. Valores característicos de cada ciclo 34
1
INTRODUCCION
Las pruebas que se realizan a vehículos automotores para calcular su eficiencia y rendimiento
tienen como propósito clasificar, comparar y analizar todos los vehículos automotores comerciales
que ruedan por las calles a los cuales tiene acceso el público en general. Los resultados de estas
pruebas sirven como garante de la veracidad de la información técnica entregada por el fabricante
sobre los vehículos de manera que cualquier individuo o institución puede consultarla. El objetivo
de estas pruebas también es darle a las instituciones gubernamentales herramientas de decisión
para aprobar o descartar el ingreso de nuevos vehículos al parque automotor así como de
comparar los existentes y evaluar su permanencia en este.
En el caso puntual de la eficiencia energética en términos del consumo de combustible, las
instituciones basan el desarrollo de las pruebas en condiciones comunes después de analizar el
transito y movimiento de los vehículos, en el caso de este proyecto sobre la ciudad de Bogotá en
áreas urbanas. La información que se obtiene es una serie de velocidades, aceleraciones y
distancias recorridas que después de ser procesadas generan un ciclo de conducción promedio
para todas las ciudades analizadas.
En la actualidad en Colombia no existe ningún tipo de ciclo de conducción formal desarrollado por
autoridades o instituciones nacionales. Por esta razón, las pruebas para analizar el rendimiento
energético de vehículos se realiza utilizando estándares de instituciones extranjeras [4]. Como se
mencionó anteriormente estos estándares se obtienen después de procesar información en varias
ciudades que en este caso pertenecen a otros países. Teniendo en cuenta esto se puede observar
que las rutas seguidas para desarrollar dichos estándares difieren en gran parte de las rutas
seguidas en países como Colombia, donde las condiciones de movilidad e infraestructura vial se
encuentran en otro estado y funcionan de manera muy distinta comparada a otros países del
mundo, por esto cada ciclo de conducción corresponde a una zona geográfica especifica
De esta forma, el desarrollo de una prueba teniendo en cuenta rutas urbanas en ciudades como
Bogotá, siguiendo trayectos típicos del tránsito vehicular, arrojaría resultados más certeros con la
realidad nacional referente al consumo de combustible en vehículos automotores cuando
transitan en la ciudad. Lo que se desarrolló en este proyecto de grado fue una metodología para
diseñar un ciclo urbano de conducción característico de Bogotá, que este acorde con los patrones
de conducción de vehículos livianos de acuerdo a las zonas recorridas de la ciudad.
2
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo general
Desarrollar una metodología, que mediante el seguimiento de rutas y trayectos más en la ciudad
de Bogotá, permita calcular un ciclo urbano de conducción característico, para encontrar la
eficiencia energética en términos de consumo de combustible de vehículos en condiciones de
operación típica de la ciudad.
1.2. Objetivos específicos
• Proceso de instalación en un vehículo de un dispositivo de medición GPS para obtener
información acerca de distancias, velocidades y aceleraciones recorridas en trayectorias
controladas. Logrando una obtención de datos precisa que sea acorde con los
requerimientos del proyecto.
• Seguir rutas y trayectos representativos que reflejen los patrones de conducción típicos en
la ciudad de Bogotá, obteniendo información acerca de la distancia, velocidad y
aceleración de cada uno por medio de la instrumentación obtenida en el objetivo anterior.
Esto para poder representar de mejor manera las condiciones de movilidad de la ciudad.
• A partir de los resultados del objetivo anterior, generar un ciclo de conducción a partir de
la información obtenida que permita realizar pruebas para calcular la eficiencia energética
en vehículos automotores cuando se movilizan en sectores urbanos.
• Montaje experimental para realizar una prueba del ciclo calculado en condiciones externas
controladas, para evaluar su conveniencia y de qué manera refleja la eficiencia energética
en términos de consumo de combustible.
3
2. TRABAJO PREVIO
2.1. Universidad de los Andes
Aunque no existe una norma técnica o estándar nacional con respecto a este tema, se han llevado
a cabo varias investigaciones en el país con respecto a este tema para evaluar la eficiencia de
vehículos automotores. En el caso particular de la universidad, en el año 1999 se realizo una
investigación a cargo del departamento de ingeniería mecánica sobre la implementación del
sistema de transporte público Transmilenio en la ciudad de Bogotá [1]. En dicho estudio se
presentó un informe completo a cerca de las pruebas técnicas que se le realizaron a 22 vehículos
con diferentes configuraciones técnicas para evaluar su adaptabilidad y viabilidad a las
necesidades del transporte público de la ciudad. En las pruebas realizadas se cuantificaron
aspectos como capacidad de aceleración, consumo de combustible, radio de giro, emisiones
gaseosas y acústicas. Adicionalmente se estimaron los posibles costos de operación y
mantenimiento del sistema. El informe cumple con dar toda la información técnica necesaria
acerca del sistema analizado para la posible toma de decisiones al respecto en el momento de su
implementación.
En el 2002 se realizo un estudio a cargo de un estudiante de maestría del departamento de
ingeniería mecánica sobre la implementación de una serie de pruebas a vehículos automotores
para determinar su eficiencia mecánica, ambiental y energética cuando se movilizan en trayectos
por carreteras fuera de la ciudad [3]. El objetivo de la investigación era encontrar un dispositivo
que mejorara la combustión en el motor de los vehículos estudiados. Para analizar la viabilidad del
dispositivo se realizaron 3 tipos de pruebas para determinar los aspectos anteriormente
mencionados. Se encontró que el vehículo perdió el 7% de su potencia cuando se efectuó una
prueba de aceleración a fondo con el dispositivo instalado. El dispositivo sirvió para disminuir las
emisiones en condiciones estáticas de gases, 63% menos de CO, 48% de NOx y un aumento de
25% de HC. En condiciones dinámicas presento disminución de 21% de CO y aumento de 48% NOx
y 12 % de HC. En conclusión la implementación del dispositivo sirvió para disminuir las emisiones
de gases pero no presentó mejoría en la eficiencia mecánica y para la eficiencia energética no se
realizo ningún tipo de prueba solo se ilustro el procedimiento para obtener un índice de consumo
de combustible.
4
El siguiente semestre se continúo con la investigación del proyecto anterior, en este caso se
propuso una metodología no para evaluar la implementación de un dispositivo adicional
específico, sino para evaluar el desempeño de vehículos bajo la adecuación de cualquier
dispositivo [2]. Se propuso una metodología que constaba de 4 fases; la primera consta de una
definición de los aspectos que se van a evaluar bajo los requerimientos que tenga el usuario. La
segunda analizar si las posibles modificaciones afecten la integridad del vehículo y resulten en
daños en este. Posteriormente, se ejecutan las pruebas pertinentes obteniendo toda la
información relevante. Por último, se analiza la información obtenida y se produce un informe
donde se estipule si la conveniencia del la modificación propuesta. La metodología se siguió para
dos modificaciones. La primera fue un para el sistema ECOTURBO que reflejo una sobrecarga en el
sistema de lubricación del vehículo donde la temperatura máxima y media de funcionamiento del
motor aumento. Los índices cinemáticas presentaron incrementos positivos, sin embargo la
velocidad terminal después de 5 segundos presentó cambios desfavorables. En general la
implementación del sistema ECOTURBO presento un nivel de confianza muy bajo. Para el otro
sistema FUELMAX, se obtuvo un nivel desfavorable de confianza lo cual no representa un cambio
favorable en el vehículo.
En el primer semestre de 2009, en un proyecto de grado se realizo un estudio acerca de la
instrumentación necesaria para realizar pruebas de desempeño mecánico en vehículos
automotores [5]. Para probar la instrumentación, se llevaron a cabo 2 tipo de pruebas: Prueba de
aceleración SAE J1491 y Prueba de consumo de combustible SAE J1082. Las pruebas de consumo
de combustible SAE J1082, en este proyecto no pudieron culminarse, sin embargo se trabajo con
el equipo de adquisición de datos GPS VBOX III utilizado en el presente proyecto. El equipo fue
calibrado y mostrando su precisión estática y dinámica, así como su respuesta en ambas
situaciones. Adicional a esto también se desarrollo una parte del sistema de combustible alterno
para el Chevrolet Spark (vehiculo piloto para las pruebas), que consta de una serie de válvulas y
mangueras que pueden desvían el flujo de alimentación y retorno, ya sea para el tanque principal
o el tanque secundario. El resultado del pasado proyecto es de gran importancia para el desarrollo
de este, debido a que para la ejecución de las pruebas se utilizo el sistema de alimentación alterno
realizando unas pequeñas adecuaciones. Como también se logro entender mejor el
funcionamiento del dispositivo de GPS VBOX III de manera que su implementación en la
realización de las pruebas fuera la mejor para obtener los resultados más certeros.
5
Figura 1. Circuito hidráulico utilizado para pruebas de consumo combustible
3. MARCO TEORICO
3.1. Desarrollo de ciclos de conducción
El desarrollo mundial de ciclos de conducción se ha generado de manera gradual. Los países o
regiones productoras del sector automotriz, comenzaron por desarrollar pruebas propias de cada
de uno para caracterizar las propiedades mecánicas de los vehículos producidos y de los que
entraban al mercado. Esto con el fin de generar un mercado automotor en condiciones justas para
los productores y compradores.
Concretamente, los ciclos de conducción surgieron como una necesidad para comprender diversos
factores que conciernen al mercado automotor. Entre estos factores se encuentran: cuantificar las
emisiones de gases de combustión, consumo de combustible, certificar y aprobar nuevos vehículos
o modelos que ingresan al mercado, predecir condiciones de movilidad y trafico de una zona
geográfica especifica, entre otras.
Un ciclo de conducción se basa entonces en observaciones sobre las condiciones de manejo típicas
en un área geográfica definida en un espacio de tiempo definido. De estas observaciones se
6
obtienen datos de distancia recorrida, velocidad y aceleración de forma que logren caracterizar de
mejor manera la situación de movilidad y tráfico vehicular en un espacio de tiempo especifico.
Existen diversos métodos para generar ciclos de conducción, la utilización de uno o de otro
depende de las condiciones bajo las cuales se vaya a analizar el problema [6].
3.2. Metodologías para generar ciclos de conducción
Existen diversos tipos de metodologías para desarrollar ciclos de conducción. En la literatura existe
una clara diferenciación acerca del alcance o el rango de vehículos que se pretende cubrir. Hay dos
grandes grupos: para vehículos livianos de transporte privado y vehículos de transporte pesado.
Esta diferenciación radica en que las condiciones de operación y de manejo de un vehículo de
transporte público en comparación a uno privado, y viceversa son muy distintas. Por esta razón,
un análisis para generar un ciclo que agrupara a ambos tipos de vehículos es de poco de interés
dado que no sería representativo para ninguno de los dos.
Debido al alcance que se definió para este proyecto, se va a desarrollar un ciclo de conducción
para vehículos livianos privados. Los recorridos e información que se obtuvo corresponden a
condiciones de manejo típicas de este tipo de vehículos.
3.2.1. Ciclos Sintéticos
Este fue el primer tipo de metodología que se desarrollo. Más específicamente fue adoptada para
generar ciclos como el ECE 15 Europeo, California 7-modos y los primeros ciclos japoneses. La
metodología implementada era muy sencilla, consistía en recorrer una ruta prescrita, donde la
duración del recorrido era registrados para cada uno de los cuatro modos de manejo. Sin embargo
se encontró que esta forma de abordar el problema debía ser mejorada por medio de sistemas de
medición más sofisticados [6].
3.2.2. Caracterización mediante distribuciones estadísticas
Se implemento para calcular ciclos de conducción suburbanos y urbanos en el área de Pittsburgh,
Pennsylvania [6]. En este estudio se pretendía relacionar velocidad promedio, aceleración y
gradiente de la carretera en una distribución normal multivariada. Para lograr relacionar estas tres
variables fue necesario que cada una presentara una distribución normal cada una por sí sola. Para
7
esto fueron necesarias una serie de transformaciones matemáticas para lograr esta normalidad. El
resultado final fue una distribución normal multivariada que tenía gran relación con los datos
recogidos que permitió obtener información acerca del impacto del modo de conducción,
condiciones de tráfico, entre otras.
3.2.3. Ciclo urbano Norteamericano
El desarrollo de esta metodología se llevo a cabo en la ciudad de Los Ángeles, California. El estudio
comenzó cuando se identifico que el trayecto que mas contribuía a la contaminación ambiental
era entre el hogar y el trabajo. Para caracterizar este recorrido se instrumentaron una serie de
vehículos que la recorrían sobre los cuales se realizaban mediciones. Sin embargo la información
recogida no era satisfactoria. Paralelo a esto, los investigadores realizaron un estudio dek tráfico
de la ciudad en los trayectos más representativos. De este estudio resultaron 6 rutas
características, sobre las cuales se obtuvo información después de recorrerlas. Después de validar
la información obtenida al compararla con la media de todos los datos, se genero el ciclo de
conducción. El análisis y generación del ciclo se baso en la comparación de los modos de manejo
(aceleración, desaceleración, velocidad constante). Esto con el objetivo de comparar las emisiones
antes y después de la generación del ciclo ajustado con los resultados de las rutas seguidas. El
producto final que se obtuvo fue el ciclo US FTP 75, el cual sigue siendo utilizado en los Estados
Unidos y muchos países más con pequeñas variaciones de acuerdo a las condiciones de tráfico y
de conducción de cada uno [6].
3.2.4. Ciclos Británicos para consumo de combustible
Dos vehículos representativos de la flota nacional fueron instrumentados para recorrer 58 rutas
definidas. Las variables medidas fueron velocidad del vehículo, velocidad angular del motor,
torque del cigüeñal, consumo de combustible, entre otras. Al terminar los 21000 kilómetros de
recorrido, la información fue organizada en 9 grupos de acuerdo a: 5 niveles de velocidad máxima,
aéreas geográficas y tipo de vía recorrida (autopista o carretera rural), para posteriormente ser
divididos por fases de aceleración, desaceleración, velocidad constante. Los ciclos finales fueron
calculados generando simulaciones aleatorias de curvas de velocidad contra tiempo como
funciones de probabilidad de los grupos generados. La validación del ciclo calculado se realizo
comparándolo con los datos iníciales y con la energía asociada a cada fase de manejo.
8
3.2.5. Ciclos urbanos Europeos
El estado del arte en el desarrollo de ciclos europeos se obtuve con la siguiente metodología. 58
vehículos privados fueron instrumentados, donde se recorrieron 73000 kilómetros en un total de
8200 recorrido, en 3 países (Alemania, Francia y Reino Unido) . En la siguiente grafica se muestra la
metodología.
Figura 2. Diagrama con metodología para generar ciclos urbanos europeos. [7]
La metodología implementada para estos ciclos se baso en un análisis estadístico de las secuencias
cinemáticas encontradas. Entiendo secuencias cinemáticas como un segmento de la curva
velocidad contra tiempo, entre dos paradas consecutivas incluyendo el segmento siguiente donde
el vehículo permanece en reposo. Cada secuencia cinemática viene descrita por las siguientes
variables: duración, tiempo en reposo, distancia recorrida, velocidad promedio, velocidad máxima,
número de valores extremos durante la secuencia, duración relativa de la secuencia en velocidad
constante y 4 tipos de velocidades instantáneas. Esta separación por secuencias cinemáticas
permite una separación clara entre 3 tipos de estas: secuencia urbana congestionada, secuencia
de flujo libre urbano, secuencia en carretera y secuencia en autopista, donde cada una presenta
un patrón bien diferenciado de las demás cuando se observa la curva velocidad contra tiempo [6],
9
[7]. Debido a la gran cantidad de información fue necesario un tratamiento estadístico
multivariado para procesar los resultados. Se realizo un análisis factorial donde se consideraron un
total de 20 variables [7]. El análisis factorial permitió eliminar variables con poca correlación entre
si y dejar las variables que si presentaban una correlación alta de manera que fuera posible formar
ejes compuestos que convergieran a valores comunes y agrupar secuencia cinemáticas en estos
grupos de valores comunes. Los grupos que se lograron generar de acuerdo al análisis anterior por
su composición de acuerdo a sus secuencias cinemáticas fueron tres: viajes urbanos (4 km de
recorrido, velocidad promedio 29 km/h), viajes en carretera (10 km de recorrido, velocidad
promedio 44 km/h) y viajes en autopista (75 km de recorrido, velocidad promedio 80 km/h) [7].
Teniendo bien diferenciados los 3 grupos, se procedió a generar un ciclo de conducción para cada
uno. La generación de los ciclos se dio eligiendo muestras aleatorias con probabilidades
condicionadas de acuerdo al análisis factorial. En total se generaron 14 ciclos de conducción [7],
que responden a la metodología planteada.
3.3. Ciclos de conducción normativos
Los ciclos de conducción que se muestran a continuación son utilizados en diferentes países como
parte de la normativa general que debe cumplir cualquier vehículo nuevo que va ingresar al
mercado. Dichos ciclos tiene como propósito cuantificar las emisiones de gases y consumo de
combustible. Si los resultados de las emisiones de gases después de realizar el ciclo no satisfacen
los valores máximos estipulados, el vehículo no puede ingresar el mercado. Para el consumo de
combustible, determina el valor que debe mostrar el fabricante al público y con el cual va ingresar
al mercado.
Las autoridades encargadas del desarrollo de los ciclos deben constantemente revisarlos debido a
que las condiciones de movilidad y tráfico en cada ciudad cambian, así como los márgenes
máximos permitidos de gases de la combustión debido al creciente problema polución atmosférica
y calentamiento global. Los ciclos más ampliamente utilizados y reconocidos mundialmente para
vehículos livianos son: US FTP 75, ECE 15, 10-15 mode. Todos estos fueron desarrollados siguiendo
alguno de los métodos mencionadas anteriormente, pero que durante el paso del tiempo han
sufrido modificaciones ajustándose a condiciones actuales
10
3.3.1. Ciclo de conducción US FTP 75
Figura 3. Curva velocidad vs tiempo para ciclo de conducción US FTP 75 [9]
Duracion (s) %parada %manejo
distancia (m)
vel promedio (km/h)
Vel max (km/h)
acel media positiva (m/s2)
acel media negativa (m/s2)
US FTP 75 1874 18 82 17770 34.1 90 0.61 0.71 Tabla 1. Información ciclo US FTP 75
Este ciclo fue generado en Estados Unidos implementando la metodología de ciclos urbanos
norteamericanos descrita anteriormente. Surgió como una modificación al ciclo FTP 72 donde se
añadió una fase idéntica de duración 505s a la fase de arranque en frio pero en este caso para
arranque en caliente. La EPA (siglas en ingles Enviromental Protection Agency) cuantifica el
consumo de combustible y emisiones de gases sobre este ciclo para los vehículos que transitan en
vías de este país. Por otra parte este ciclo ha sido implementado en muchos países sufriendo
algunas modificaciones de acuerdo a los requerimientos de cada uno, en Australia es conocido
como ADR-37. Las pruebas de este ciclo se ejecutan sobre dinamómetros en condiciones
controladas, donde presenta varias fases de ejecución claramente separadas: etapa de arranque
en frio, etapa de transición y etapa de arranque en caliente.
11
3.3.2. Ciclo de conducción 10-15 mode.
Figura 4. Curva velocidad vs tiempo para ciclo de conducción 10-15 mode. [10]
Duracion (s) %parada %manejo
distancia (m)
vel promedio (km/h)
Vel max (km/h)
acel media positiva (m/s2)
acel media negativa (m/s2)
10-15 mode 660 31.4 68.6 4160 22.7 70 0.55 0.66
Tabla 2. Información ciclo de conducción 10-15 mode
Este ciclo es utilizado en Japón para certificación de consumo de combustible y emisiones de
gases. Se originó de una modificación al ciclo 10 modos cuando se adiciono un segmento de 15
modos. Se llama 10-15 modos debido a que consta de 3 segmentos con 10 modos y uno de 15
modos. Entendiendo modos los cuatro modos de manejo que se tienen (acelerar, desacelerar,
reposo, velocidad constante). Cuando se va a realizar la prueba el vehículo debe permanecer 15
minutos en un precalentamiento a 60 km/h. Posterior a esto el vehículo permanece en reposo con
el motor funcionando en ralentí, después se realiza otro calentamiento a 60 km/h por 5 minutos
más. Cuando se cumplen estas etapas de calentamiento, se procede a ejecutar el ciclo descrito y
se obtienen los datos de emisiones y consumo de combustible.
12
3.3.3. Ciclo de conducción ECE 15
Figura 5. Curva velocidad vs tiempo para ciclo de conducción ECE – 15 [11]
Duracion (s) %parada %manejo
distancia (m)
vel promedio (km/h)
Vel max (km/h)
acel media positiva (m/s2)
acel media negativa (m/s2)
ECE-15 780 30.8 69.3 4052 18.7 50 0.75 0.75 Tabla 3. Información ciclo de conducción ECE-15
El ciclo mostrado arriba corresponde al utilizado en la Unión Europea para la certificación de
vehículos liviano en emisiones y consumo de combustible. En la grafica se ilustra una cuarta parte
del la prueba total, es decir que la prueba consta de cuatro repeticiones idénticas de la curva
velocidad contra tiempo mostrada, donde cada repetición se hace inmediatamente después de la
otra de manera continua. Existen varias modificaciones a este ciclo dependiendo de lo que se
quiera obtener del vehículo sujeto a la prueba. Este ciclo fue desarrollado pretendiendo
representar condiciones de conducción en una ciudad, presentando bajas velocidades durante
todo el ciclo.
13
4. DESARROLLO DEL CICLO DE CONDUCCION
Las siguientes fueron las actividades que se siguieron para completar la metodología que generó el
ciclo de conducción:
• Selección de rutas y de trayectos a recorrer.
• Instrumentación del vehículo para los recorridos.
• Filtrado y análisis de resultados.
• Mediante herramientas matemáticas y estadísticas; generar el ciclo de conducción con la
información disponible.
4.1. Selección de rutas y trayectos a recorrer
Figura 6. Imagen satelital del recorrido seguido en el norte-oriente-centro de la ciudad.
14
Las calles y avenidas que se siguieron para el recorrido norte-oriente-centro fueron:
Sentido Desde Hasta
Av. Carrera 7 norte-sur Calle 134 Calle 100
Av. Calle 100 oriente-occidente Carrera 7 Carrera 68
Av. Carrera 68 norte-sur Calle 100 Av. Américas
Av. Américas occidente-oriente Carrera 68 Av. NQS
Av. NQS sur-norte Av. Américas Calle 94
Calle 94 occidente-oriente Av. NQS Carrera 11
Carrera 11 norte-sur Calle 94 Calle 72
Calle 72 occidente-oriente Carrera 11 Carrera 7
Av. Carrera 7 norte-sur Calle 72 Carrera 13
Av. Carrera 13 norte-sur Carrera 7 Calle 19
Av. Calle 19 occidente-oriente Carrera 13 Carrera 3
Carrera 3 sur-norte Calle 19 Av. Circunvalar
Av. Circunvalar sur-norte Carrera 3 Av. Carrera 7
Av. Carrera 7 sur-norte Av. Circunvalar Calle 134 Tabla 4. Vías transitadas para el recorrido norte-oriente-centro.
La imagen superior corresponde al recorrido que se siguió en una zona de la ciudad. La línea roja
en la imagen muestra el recorrido seguido. La imagen se obtuvo después de exportar el recorrido
al software Google Earth que permite la visualización sobre una imagen satelital. Debido a que la
ciudad no dispone de un estudio a fondo del tráfico o de la movilidad que muestre las rutas más
características que puedan representar de mejor manera las condiciones típicas de operación de
un vehículo liviano particular, el criterio de selección para las rutas seguidas fue por conveniencia
para el desarrollo del proyecto. Entendiéndose este proyecto como piloto sobre el cual se
pretende validar la metodología propuesta y no obtener un ciclo definitivo. Esto se puede explicar
considerando que la instrumentación utilizada para obtener la información es por medio de un
dispositivo de GPS que requiere estar en comunicación constante con un número de satélites
determinado. Para la que la comunicación no se perdiera se seleccionaron rutas donde la
recepción fuera aceptable.
El otro recorrido que se realizo fue en el norte-occidente de la ciudad. Se tuvieron en cuenta las
mismas consideraciones del recorrido pasado. En la siguiente imagen se muestra la ruta seguida
donde la línea roja marca el recorrido seguido. La tabla muestra las vías transitadas y los sentidos
en que se recorrieron.
15
Figura 7. Imagen satelital del recorrido seguido en el norte-occidente de la ciudad.
Sentido Desde Hasta
Calle 134 oriente-occidente Carrera 7 Autopista Norte Autopista Norte norte-sur Calle 134 Calle 80 Av. NQS norte-sur Autopista Norte Calle 80 Calle 80 oriente-occidente Av. NQS Av. Boyacá Av. Boyacá sur-norte Calle 80 Calle 134 Calle 134 occidente-oriente Av. Boyacá Carrera 7
Tabla 5. Vías transitadas para el recorrido norte-oriente-centro.
4.2. Instrumentación del vehículo para los recorridos
El vehículo utilizado para los recorridos fue un Honda Civic LX modelo 1996. Este fue
instrumentado con un dispositivo GPS VBOX III. Por la naturaleza del dispositivo, la
instrumentación no fue intrusiva y su utilización no interfería con la operación normal del
vehículo. Se eligió este método de instrumentación debido a que es el estado del arte en la
medición de las variables que se van considerar en el análisis, además de que su instalación en el
vehículo y su posterior procesamiento de datos es mucho más sencillo, en comparación a
16
dispositivos como quinta ruedas que requieren de un montaje y procesamiento de información
más complicado.
Figura 8. VBOX III GPS Data Logger 100 Hz.
Variable Resolución Precisión Posición absoluta 1 cm 3m 95% CEP
Distancia 1 cm 0.05% Velocidad 0.01 km/h 0.1 km/h
Aceleración Longitudinal 0.01 g 0.50% Tiempo 0.01 s 0.01 s
Tabla 6. Especificaciones técnicas VBOX III GPS
En la tabla anterior se muestran los datos técnicos del GPS VBOX III. La frecuencia de adquisición
de datos que se le dio al dispositivo por medio del software provisto por el fabricante fue de 50 Hz.
Esto debido a que a esta frecuencia se puede activar un modulo RTK (Real Time Kinetics) que
mejora la precisión dinámica del dispositivo. A medida que se hacían los recorridos de las rutas
definidas la información sobre estos era almacenada en una tarjeta de memoria, donde los
archivos se guardaban automáticamente en la extensión del software del dispositivo. Cuando se
realizo la instrumentación, se utilizo una antena Glonass magnética que fue ubicada en la parte
superior de la cabina del vehículo de manera que la recepción de satélites fuera la máxima posible.
La alimentación eléctrica se hizo pero medio del encendedor del vehículo con salida de 12V.
4.3. Análisis y filtrado de la información.
Como se mencionó anteriormente el dispositivo de GPS almacena la información en archivos con
la extensión del software provisto por el fabricante. Las variables que almacena por unidad de
tiempo son: tiempo transcurrido (s), numero de satélites, latitud, longitud, velocidad instantánea
17
(km/h), rumbo (grados), Altitud (m), aceleración longitudinal (gravedades), aceleración lateral
(gravedades), posición relativa en X (m), posición relativa en Y (m).
Para realizar en análisis de los datos se tuvieran en cuenta principalmente 4 variables: velocidad,
distancia, aceleración longitudinal y número de satélites. El análisis y filtrado de la información se
realizo en conjunto con un grupo de estudiantes del curso de dinámica vehicular que se dicto el
presente semestre. El criterio de filtrado de la información que se utilizo fue observar el numero
de satélites por microciclo. Se genero un código en Matlab ® que importaba de Excel ® los archivos
con la información de los recorridos, teniendo los datos en Matlab ® un código iterativo recorría
dato por dato analizando el valor de la velocidad. Cuando el código encontraba dos segmentos de
la curva velocidad contra tiempo con valores menores a 1 km/h separados por otro segmento con
velocidades mayores a 1 km/h, a la suma de los tres segmentos se les conoce como microciclos y
todos los archivos con la información de los recorridos fueron separados de esta forma.
Figura 9. Curva velocidad vs tiempo donde # de satélites es menor del requerido.
Entonces un microciclo es una curva de velocidad contra tiempo de corta duración que se
encuentra delimitada por dos segmentos donde la velocidad es menor a 1 km/h. Una vez
separados todos los datos por microciclos, otro código analizaba el número de satélites por
microciclo. Cuando el código encontraba microciclos con un número de satélites inferior a 4, estos
18
eran descartados del análisis, de manera que al filtrar todos los datos solamente permaneciera la
información donde la incertidumbre fuera mínima.
En la anterior imagen se muestra una curva velocidad contra tiempo de un recorrido realizado,
donde claramente se puede observar que cuando el número de satélites cae por debajo de 4, el
dispositivo GPS pierde recepción y se presentan picos fuera del orden de magnitud del resto de los
datos. La información inmediatamente siguiente a estos picos resulta de un cálculo realizado por
los algoritmos internos del dispositivo mas no de una medición para ese momento especifico. De
esta forma el filtrado anterior permite eliminar esos microciclos donde la recepción se perdió y
por consiguiente los datos de este no corresponden a las condiciones de ese momento.
4.4. Metodología propuesta para generar el ciclo de conducción.
Figura 10. Diagrama de la metodología seguida para construir el ciclo.
Secuencia de operaciones que describen la metodología seguida para generar el ciclo:
• División de recorridos por microciclos.
• Filtrado de información de acuerdo numero de satélites.
19
• Análisis general de todos los datos, se calculan valores promedio y se definen como
parámetros objetivo: En este paso se generó un código en Matlab ® que a partir de la
información filtrada y separada en forma de microciclos, calculaba los valores máximo,
minimos y promedio de cada variable, este código se encuentra anexo digital al
documento. En la tabla que se muestra a continuación se pueden observar los valores
promedio para cada variable, los cuales se van a fijar como objetivos para que el ciclo final
obtenido se acerque lo más posible a estos valores.
Tabla 7. Información microciclos disponibles después de filtrado de datos.
• Clasificación de microciclos por velocidades promedio: Como variable principal para la
generación del ciclo se eligió la velocidad promedio. Se eligió esta variable debido a que es
la que mejor representa las condiciones generales del tráfico y movilidad. Adicional a esto,
cuando se analiza el consumo de combustible entre las variables más relevantes que se
consideran se encuentra la velocidad promedio del ciclo. El total de 256 microciclos se
dividió en 16 grupos de acuerdo a sus respectivos valores de velocidad promedio. Donde
cada grupo cubría un intervalo de 3,17 sobre el rango total de la velocidad promedio, esto
resultaba de dividir el valor máximo menos el mínimo de velocidad promedio sobre el
número de grupos. En la siguiente grafica se observa el histograma de frecuencias para los
microciclos de acuerdo a la velocidad promedio.
20
Figura 11. Histograma de frecuencias para la velocidad promedio de todos los microciclos.
Como se observa en la grafica, los datos no arrojan una tendencia estadística clara, debido
a esto se le asocio un valor de probalidad a cada grupo de acuerdo a su cercanía a la media
de la velocidad promedio (16.81 km/h). Esto con el fin de darle mayor preponderancia a
los grupos de microciclos cercanos a la media.
• Se generan dos números aleatorios que seleccionan un grupo de microciclos y de ese
grupo seleccionan un microciclo. Los números aleatorios van condicionados con una
probabilidad asignada a cada grupo: El algoritmo implementado calcula primero un
número aleatorio (entre 1 y 16) condicionado por la probabilidad asignada a cada grupo,
una vez selecciona un grupo especifico, otro numero aleatorio selecciona un microciclo
dentro del grupo seleccionado. Una vez un microciclo ha sido seleccionado, este no va a
volver a ocurrir dentro de un mismo ciclo. Este proceso de selección de grupos y
microciclos por medio de números aleatorios se termina cuando la unión de los
microciclos llega a una duración cercana de 1000 segundos. Esta duración se definió
debido a que corresponde a la duración típica de un trayecto de los cuales se recorrió, por
falta de una mayor flota de vehículos instrumentada no se pudo sustentar de manera
estadística este valor
• Se unen los microciclos seleccionados para generar un ciclo completo con una duración
cercana a los 1000 segundos: Esta duración total se estableció debido a que en general los
trayectos típicos recorridos en este proyecto eran cercanos a los 5 kilómetros. Entonces si
21
se recorren cerca de 5 kilómetros a una velocidad promedio de 16.81 km/h, el tiempo
transcurrido durante este viaje va a ser cercano a 1000 segundos. Adicional a esto algunos
de los ciclos de conducción mencionados en el marco teórico presentan duraciones
cercanas a la asociada al presente ciclo.
• Se caracterizan los ciclos obtenidos de acuerdo a los parámetros definidos (los cuales se
muestran en la tabla 7) y se comparan con el parámetro objetivo: A los ciclos calculados
por la metodología anteriormente planteada se les calcula los valores promedio para cada
variable. Estos valores promedio de cada ciclo van a ser el criterio de selección del ciclo
final.
• Se comparan todos los ciclos generados por este método y se selecciona el más cercano a
los valores objetivo: Los valores promedio de los ciclos calculados se comparan con los
valores objetivo del estudio, que se encuentran en la tabla 7. Después de comparar todos
los ciclos se eligió el que se aproximaba más a los valores objetivos de todos los
microciclos.
4.5. Ciclo de conducción obtenido por medio de la metodología propuesta
Figura 12. Curva velocidad contra tiempo del Ciclo de conducción propuesto.
22
Tabla 8. Información de variables del ciclo propuesto con respecto a los valores promedio objetivo
En la figura y tabla anterior se muestra el ciclo de conducción calculado con la metodología
planteada en este proyecto. Como se puede observar en la tabla 8, la diferencia entre la velocidad
promedio objetivo y la velocidad promedio del ciclo es del 2%. Esta fue la menor diferencia que se
pudo encontrar después de analizar todos ciclos generados. Variables como; distancia recorrida,
duración, % de manejo y % de parada presentan diferencias considerables frente a los valores
objetivo. En la grafica se muestra que el ciclo consta de varios segmentos donde el vehículo
permanece en reposo (con velocidad por debajo a 1km/h), lo cual permite evidenciar que las
condiciones de tráfico sobre las que se calculo no permitían una movilidad muy fluida. Adicional a
esto, las velocidades alcanzadas no exceden los 50 km/h lo cual confirma condiciones de movilidad
lenta y de volumen vehicular donde las vías se ven congestionadas. Estas conclusiones deducidas
de analizar el ciclo propuesto, concuerdan con las condiciones de tráfico y movilidad de las zonas
de la ciudad sobre las cuales se realizaron las mediciones y toma de datos. Esto valida el ciclo
propuesto siendo evidente que permite replicar las situaciones y condiciones de manejo sobre la
ciudad. Sin embargo hacen falta una mayor cantidad de datos de manera que el ciclo logre ser
más representativo y poder calcular un indicador estadístico que determine cuantos datos son
suficientes.
Tabla 9. Información comparativa de diferentes ciclos de conducción.
Para ilustrar las características del ciclo propuesto en contraste con otros ciclos de conducción, en
la tabla anterior se muestran los valores promedio de diferentes ciclos de conducción ya
mencionados en el marco teórico que se utilizan para certificación de vehículos en diferentes
regiones del mundo. Los valores de aceleración media positiva y negativa, velocidad promedio del
ciclo propuesto son muy similares a los ciclos establecidos. Sin embargo valores como velocidad
23
máxima, %parada, %manejo no parecen estar cercanos a los del ciclo propuesto. Estos se debe a
que la información recopilada no es suficiente y es necesario registrar mas información.
5. PRUEBAS SOBRE CICLOS DE CONDUCCION
Después de obtener el ciclo de conducción por medio de la metodología propuesta se realizó una
prueba de consumo de combustible sobre el ciclo calculado. De igual forma se realizo una prueba
de consumo de combustible de acuerdo a la norma SAE J1082 para ciclo de conducción de urbano.
Para ambas pruebas se utilizó la misma instrumentación y fueron realizadas en el mismo vehículo,
todos los equipos pertenecientes al departamento de Ingeniería Mecánica de la universidad. Las
pruebas efectuadas fueron de ruta, es decir ambas se llevaron a cabo en vías públicas en este caso
en la autopista Bogotá-Tunja a la altura del municipio de Cajica.
Figura 13. Imagen Satelital trayecto recorrido durante las pruebas.
En la imagen anterior se muestra el trayecto de la carretera utilizado para llevar a cabo las
pruebas. Se eligió este lugar debido a la amplitud de la autopista, la cual ofrece 4 carriles para el
tránsito en cada sentido además de dos bermas por sentido. En este sentido la autopista permitía
24
realizar las paradas necesarias de acuerdo al ciclo sobre el cual se estuviera realizando la prueba.
Adicional a esto no hay ninguna construcción que pueda afectar la recepción del dispositivo de
GPS. El trayecto total tenía una longitud de 5.5 km, distancia suficiente ya sea para replicar el ciclo
SAE o el ciclo calculado en el proyecto.
5.1. Instrumentación Utilizada
Tabla 10. Instrumentación utilizada para realizar las pruebas replicando los ciclos de conducción.
5.2. Adquisición y procesamiento de información
Figura 14. VBOX III GPS, Modulo NI 9215, Chasis USB NI y computador a bordo del vehículo
En la figura 13 se muestran 3 de los dispositivos utilizado para el procesamiento y de adquisición
de datos. El dispositivo VBOX III GPS (derecha de la imagen) fue utilizado para registrar en tiempo
real las variables de posición, velocidad y aceleración. Por medio de las dos salidas análogas
25
disponibles en el dispositivo se obtenían los datos de velocidad y aceleración. La configuración de
las salidas de realizó por medio del software provisto por el fabricante, este permite asignarle a
cada variable una salida análoga de 0 – 5V.
La señal de velocidad se configuró de manera que 0V correspondiera a 0 km/h y que 5V
correspondiera a 50 km/h. Esto teniendo presente que la velocidad máxima alcanzada en los ciclos
a ser replicados no supera los 50 km/h.
Por otra parte, la señal de aceleración se configuro de manera que 0V correspondiera a -0.5g
(4.905 m/s2) y que 5V correspondiera a 0.5g (4.905 m/s2). También teniendo presente que la
aceleración máxima y mínima presentada en ambos no excediera ni estuviera por debajo de los
valores asignados. Ambas salidas fueron conectadas al modulo NI 9215 que suministraba la
información en tiempo real al computador.
El chasis NI USB y el modulo de adquisición de datos NI 9215 BNC recibían las señales análogas de
voltaje provenientes del VBOX III GPS. El módulo y el chasis operan entre -10V hasta 10V, por lo
cual la señal de 0 – 5V de entrada estaba dentro del rango y podía ser manipulada. La
interpretación e interacción de la información (señal de velocidad y aceleración) con el usuario o
piloto a cargo de la prueba se realizó por medio de una interfaz desarrollada (esta viene incluida
como anexo digital al proyecto) en el software LabView del mismo fabricante del modulo y del
chasis.
26
5.2.1. Interfaz generada para replicar ciclos de conducción
Figura 15. Diagrama de Bloques interfaz Labview para replicar los ciclos.
La interfaz anteriormente mostrada fue desarrollada en conjunto con un grupo de estudiantes
del curso de Dinámica Vehicular dictada por el departamento de Ingeniería Mecánica el semestre
en curso. Por medio de esta interfaz se garantizó una repetitividad muy cercana a los ciclos
teóricos. Dicha repetitividad se logro debido a la lógica interna planteada, en la cual la curva de
velocidad contra tiempo característica de cada ciclo era divida por etapas. Se definió como etapa a
un pequeño segmento de la curva velocidad contra tiempo donde había un cambio en aceleración.
Para el caso del ciclo propuesto resultaron un total de 49 etapas, para el ciclo SAE urbano un total
de 41. Cada etapa fue descrita por medio de una estructura de casos en la cual la interfaz
comparaba los valores de velocidad y aceleración teóricos asignados a cada etapa, con respecto a
los obtenidos en tiempo real del momento de ejecución de la prueba. De esta manera, existen 3
posibles acciones a realizar por el piloto: si el vehículo va por debajo de la velocidad requerida en
una etapa especifica debe acelerar, por el contrario si el vehículo va por encima de la velocidad
requerida debe desacelerar y si el vehículo se desplaza a la velocidad correcta debe permanecer
en esta hasta terminar la etapa especifica.
27
Figura 16. Panel frontal interfaz Labview para replicar los ciclos
Para poder efectuar esas operaciones la interfaz contaba con 4 instrucciones sencillas al piloto
que está conduciendo el vehículo; acelerar (botón verde), mantener velocidad (botón amarillo),
frenar (botón rojo), fin de la prueba (botón naranja). Estos botones se encendían de acuerdo a la
situación actual del vehículo permitiendo una tolerancia de 1 km/h en velocidad de manera que el
piloto tuviera tiempo de reaccionar y ajustar la marcha a los valores requeridos.
Adicional a esto, la interfaz contaba con 3 graficas (velocidad, desplazamiento, aceleración) que se
iban ajustando en tiempo real a las condiciones de manejo, de manera que el piloto tuviera una
mejor noción de la prueba y pudiera guiarse sobre la grafica teórica. 6 indicadores numéricos
indicaban: número de etapa en la que se estaba, tiempo transcurrido, velocidad actual, velocidad
requerida, aceleración actual y aceleración requerida. Los indicadores de velocidad y aceleración
actuales hacían ver al piloto que tan lejano estaba de los valores deseados.
Los datos de posición, velocidad y aceleración de cada prueba eran almacenados en archivos
separados para variable de manera que su análisis posterior fuera más rápido y sencillo.
5.3. Sistema alterno de combustible
Para calcular el consumo de combustible de manera precisa al final de cada prueba se utilizó un
sistema alterno de combustible. Este constaba de un circuito hidráulico para regular el flujo de
combustible, bomba auxiliar de combustible idéntica a la del vehículo, tanque de 2.5 galones
28
donde se sumergía la bomba auxiliar y batería de 12 V para alimentar la bomba de combustible. El
vehículo utilizado para las pruebas fue un Chevrolet Spark LS modelo 2004.
Figura 17. Sistema de combustible alterno a bordo del vehículo.
El circuito hidráulico constaba de 6 válvulas de bola y una serie de mangueras que tenían como
propósito desviar el flujo de alimentación y retorno del tanque principal al auxiliar o viceversa.
Figura 18, Diagrama circuito hidráulico.
29
En el diagrama se ilustra las posiciones que deben adoptar las válvulas para funcionar con el
tanque 1 (principal) o con el tanque 2 (auxiliar). Cuando las válvulas pasan en posición roja y la
válvula 3 está cerrada el motor del vehículo funciona con combustible del tanque 1 (principal). En
cambio si la válvulas en están en posición azul y la válvula 6 está cerrada el motor del vehículo
funciona con el tanque 2 (auxiliar).
Cuando el vehículo era transportado al sitio de las pruebas y cuando se realizaban las pruebas de
calentamiento, este operaba con el sistema de combustible principal, pero cuando llegaba el
momento de ejecutar las pruebas, se cambia la posición de las válvulas de manera que el sistema
alterno suministrara el combustible al vehículo.
El cálculo del consumo de combustible se realizo registrando el peso inicial y final de combustible
antes e inmediatamente después de la prueba. Con la balanza mostrada en la imagen el tanque
auxiliar era pesado de manera que el volumen de combustible se podía calcular conociendo la
densidad de este. Cuando la prueba finalizaba el tanque era pesado nuevamente, evidenciando
una pérdida de peso, está perdida de peso es precisamente el combustible consumido durante la
prueba. La densidad del combustible, para calcular el consumo en términos de volumen, fue
calculada con un picnómetro de volumen conocido fijo.
Figura 19. Balanza pesando tanque auxiliar
30
5.4. Prueba de consumo de combustible sobre ciclo de conducción propuesto
Figura 20. Curva velocidad vs tiempo obtenida después de seguir ciclo de conducción propuesto.
En la figura 19, se muestra el resultado de la prueba (línea verde) en contraste con el ciclo teórico
propuesto (azul). Se puede observar que la prueba realizada se logra observar una alta correlación
entre la curva generada por los datos experimentales y la curva teórica.
En el momento realizar las pruebas se requirió de dos personas. Un piloto que conducía el
vehículo y mantenía su atención sobre la vía y el vehículo, y un copiloto que le informaba al piloto
que acción realizar de acuerdo a lo que le informaba el computador sobre el cual iba corriendo la
interfaz. Este proceso de comunicación entre copiloto y piloto debe ser lo más fluido posible de
manera que los resultados de la prueba sean lo más certeros posible. Es importante también que
el piloto esté familiarizado con la prueba que va a realizar y con el ciclo que va seguir para que en
el momento de su ejecución no sea una situación nueva y su modo de conducción conlleve a una
pérdida de exactitud en los resultados.
31
Figura 21. Imagen piloto y copiloto durante ejecución de la prueba.
Utilizando la instrumentación mencionada anteriormente se ejecuto la prueba de consumo de
combustible sobre el ciclo de conducción propuesto. Por razones de disponibilidad de tiempo y
seguridad en el momento de ejecución de las pruebas, solo fue posible realizar una prueba. Sin
embargo la prueba logró reproducir de manera muy aproximada el ciclo propuesto, donde las
aceleraciones y velocidades para cada etapa se lograron acercar a las requeridas.
5.5. Prueba de consumo de combustible sobre ciclo de conducción urbano SAE J1082
Para la prueba de consumo de combustible sobre el ciclo urbano SAE existe un protocolo completo
que explica detalladamente las consideraciones que se deben tener al realizar la prueba. Debido a
que prueba SAE se realizo en una situación donde el control de muchas de las variables que se
consideran en la norma no fue posible, se replico el ciclo urbano SAE en las misma condiciones del
ciclo propuesto en el proyecto. En la siguiente tabla se muestra la secuencia de instrucciones que
se siguieron para reproducir el ciclo SAE J1082 urbano.
32
Tabla 11. Instrucciones ciclo urbano SAE J1082 [5]
Los resultados obtenidos de esta prueba también lograron aproximarse bastante al ciclo teórico
SAE (figura 21). Como en la prueba del ciclo propuesto, solo fue posible realizar una sola prueba
para este ciclo. Las condiciones no se presentaron lo cual no permitió realizar un mayor número
de pruebas. Esto afecta el resultado final de la prueba debido a que el factor de repetitividad
planteado por la SAE en la norma no se cumple y sería necesario realizar un mayor número de
pruebas para emitir un juicio valedero acerca del consumo de combustible.
33
Figura 22. Curva velocidad vs tiempo obtenida después de seguir ciclo urbano SAE J1082.
Figura 23. Imagen del vehículo en carretera en la ejecución de pruebas.
34
6. ANALISIS DE RESULTADOS
En las tablas que se muestran a continuación se pueden observar los resultados sobre consumo de
combustible para los dos ciclos probados y sus propiedades más relevantes.
Tabla 12. Resultados Ciclo SAE Tabla 13. Resultados Ciclo propuesto
Tabla 14. Valores característicos de cada ciclo.
• La diferencia entre el consumo de combustible de un ciclo a otro es muy baja (menor al
8% relativa entre la dos), sin embargo esta diferencia se evidencia cuando se observa que
el ciclo propuesto consta de mayores cambios en la velocidad y en aceleración. Además él
%parada o tiempo en el que el vehículo permanece detenido, el motor sigue consumiendo
combustible, lo cual aumenta el consumo sin expresarse en distancia recorrida.
• Debido al tipo de interfaz desarrollado, la repetitividad de la prueba depende en gran
parte de la comunicación entre piloto y copiloto para que el resultado sea el cercano
posible al ciclo teórico. Es necesario entonces que el piloto esté familiarizado con el ciclo
35
de manera que en el momento de realizar las pruebas se logren replicar los ciclos de
manera más acertada en un menor número de repeticiones
• La señal de aceleración obtenida no representó una tendencia como se esperaba, el alto
ruido que presentaba se asemejaba a la señal misma por eso fue descartada. Solo fue
tenida en cuenta en el momento de realizar la prueba. La señal de aceleración era
observada en tiempo real por el copiloto el cual la tenía en cuenta para informarle al
piloto si debía acelerar o frenar, para que las pendientes de la curva velocidad contra
tiempo resultante tuvieran alta correlación con la curva resultante.
• Aunque el vehículo utilizado (Chevrolet Spark) tenga un motor de bajo cilindraje y poca
potencia, logro cumplir con los requerimientos de aceleración y velocidad para ambas
pruebas. Lo cual se evidencia cuando observa que la pendientes de la curvas
experimentales y teóricas.
• Desafortunadamente por situaciones ajenas al alcance del proyecto, no se pudo realizar
un mayor número de pruebas. Si estas se hubieran podido realizado, le hubieran dado
mayor validez a la metodología implementada y se hubieran podido arrojar conclusiones
con mayores evidencias experimentales. Sin embargo, con los resultados disponibles se
pudo observar como la implementación de un ciclo de conducción a otro (SAE o Propuesto
influye de manera directa en la eficiencia de un vehículo, en este sobre el consumo de
combustible.
• La instrumentación utilizada para realizar las pruebas funcionó muy bien. El sistema
alterno de combustible fue probado para que en el momento de la pruebas no se
produjeran fugas de combustible y que las mangueras del sistemas soportaran la presión a
la cual iban a estar expuestas. En el sistema de adquisición de datos, el dispositivo de GPS
debido a que no contaba con una unidad inercial su precisión no fue la máxima posible,
pero en las condiciones que se utilizo funciono correctamente teniendo en numero de
satélite por encima del mínimo. Ambos sistemas, funcionaron de la manera esperada,
permitiendo así una ejecución de las pruebas donde se minimizaron los errores e
incertidumbres asociados a las variables cuantificadas.
36
7. CONCLUSIONES
• La metodología implementada para obtener información sobre las rutas fue
representativa debido a que se siguió un mismo patrón de recorridos durante la etapa de
recolección de datos. Esto implicó seguir las mismas rutas en múltiples repeticiones, a
diferentes horas y días de la semana, obteniendo así una muestra de las condiciones de
tráfico de estas zonas especificas de la ciudad.
• La instrumentación utilizada para el seguimiento de rutas resultó ser muy sencilla y
práctica de implementar. Siendo un método poco intrusivo, no interfirió con el normal
funcionamiento del vehículo, haciendo del proceso de recolección de datos los más
parecido posible al comportamiento de un vehículo transitando libremente por las rutas
especificadas de un punto a otro.
• El procesamiento y validación de la información obtenida en el seguimiento de rutas a
través del código generado en Matlab®, logró eliminar los microciclos que no tenían
validez para el análisis posterior. Esto permitió descartar información especulativa sobre
las condiciones de tráfico, disminuyendo la incertidumbre y errores de medición
asociados. Se pudo observar que gran cantidad de información fue desechada por el
criterio de recepción mínima de satélites. Esto evidencia que en muchas ocasiones las
condiciones de infraestructura vial, edificaciones o condiciones climáticas pueden afectar
las mediciones e incurrir en especulaciones. Para evitar ese tipo de errores sería necesaria
la implementación de un sistema inercial junto con el GPS.
• El ciclo de conducción obtenido después de realizar el algoritmo, logra aproximarse a los
parámetros objetivo difiriendo en un 2% de la velocidad promedio objetivo. Esta fue la
menor diferencia encontrada después de evaluar todos los ciclos calculados. De los 256
microciclos fueron seleccionados 13, los cuales conforman el ciclo final propuesto para el
consumo de combustible.
• La interfaz desarrollada para realizar el ciclo experimentalmente es fácil de seguir,
facilitando el desarrollo de la prueba, donde se van a obtener resultados muy
aproximados al ciclo teórico. Además de esto debido a su estructura de casos, donde cada
caso es equivalente una etapa del ciclo, estos casos pueden ser fácilmente modificados y
37
ser adaptados de manera que se puedan ajustar a varios ciclos de conducción sobre los
cuales se quieran realizar pruebas. La instrumentación requerida para utilizar la interfaz es
muy sencilla, donde todos los equipos utilizados son fáciles de ajustar a cualquier vehículo
y están disponibles para su uso en los laboratorios de Ingeniería Mecánica de la
universidad. Por otra parte, no se requiere de un conductor experto para replicar los
ciclos, simplemente una persona que sepa conducir y que este previamente familiarizada
con la prueba que va a realizar.
• Aunque solo se pudo realizar una prueba por ciclo, los resultados dan información acerca
de la diferencia entre implementar un ciclo a otro y como esto se ve reflejado en el
consumo de combustible. Esta fue la principal motivación del proyecto, demostrar como
las condiciones propias de movilidad de una ciudad y todas las variables asociadas a esta,
arrojan resultados diferentes que en ocasiones no concuerda con la realidad. En el caso
del presente proyecto se pudo concluir que el consumo de combustible variaba de
acuerdo al tipo de ciclo de conducción al cual se exponía el vehículo. Si en el mercado se
mostrara la información proveniente del ciclo que no fue calculado bajo las condiciones
del mercado al cual se va ofrecer, se estaría incurriendo en un error al tratar de cuantificar
una variable (consumo de combustible) en condiciones ajenas a las cuales va estar
expuesta. Entonces la implementación y realización de estos proyectos van
documentando el comportamiento del mercado automotriz y de manera gradual van a ir
arrojando resultados que permitan inferir conclusiones sobre pruebas basadas en
condiciones reales y actuales.
38
8. RECOMENDACIONES
• El proceso de selección de rutas representativas para ciudad se debería realizar con base a
estudios acerca del tráfico y movilidad de la ciudad. Logrando con esto identificar las vías y
horarios que mejor logran representar las condiciones de la ciudad. Una posible solución a
estos estudios seria buscar apoyo con instituciones distritales de manera que sería un
trabajo conjunto donde se logre satisfacer objetivos mutuos que son de gran interés para
el desarrollo de la ciudad.
• Implementar una metodología para obtención de datos donde se instrumente un mayor
número de vehículos, como es implementado para generar gran cantidad de ciclo de
conducción a nivel mundial. Más vehículos implican mayor número de datos, es decir los
datos son más representativos y logran recopilar más rutas y posibles formas de
conducción de acuerdo a cada dueño o persona que conduzca el vehículo. Para lograr
esto sería importante implementar una instrumentación económica y sencilla que pueda
ser utilizada en una gama amplia de vehículos, maximizando número de vehículos.
• En el momento de realizar las pruebas de consumo de combustible sobre varios vehículos
es necesario implementar un sistema alterno de combustible más ajustable a múltiples
modelos. Sería recomendable algún tipo de medidor de flujo o de caudal de combustible
que se pueda instalar en diversos circuitos de alimentación de combustible. Esto facilitaría
y reduciría los costos de operación e instalación cuando se pretende hacer un estudio con
un alcance de varios vehículos,
• Para garantizar repetitividad y continuidad de las pruebas se debería evaluar la
implementación de los ciclos de conducción en dinamómetros. Estos presentan mayor
adaptabilidad a diversos modelos de vehículos y la repetitividad de los ciclos mejoraría.
Además no se requeriría del uso de pruebas de ruta lo cual eliminaría el uso de vías
públicas que no presentan las condiciones necesarias para asegurar repetitividad. En dado
caso que se realizaran en vías con condiciones controladas, una opción es escenarios como
autódromos o pistas de automovilismo donde no se tiene el trafico y las leyes de tránsito
como limitante
39
REFERENCIAS
[1] Loboguerrero, J. Huertas, J (1999). Pruebas al equipo rodante del proyecto transporte Transmilenio. Bogotá, Universidad de los Andes.
[2] Muñoz, L (2003). Metodología para la evaluación mecánica, energética y ambiental de modificaciones hechas a vehículos automotores. Tesis de Maestría, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
[3] Arias, L (2002). Desarrollo de una metodología para evaluar el desempeño mecánico, energético y ambiental de vehículos automotores mediante pruebas de carretera. Tesis de Maestría, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
[4] SAE, SAE J1082 Fuel economy measurement road test procedure, 1995.
[5] Matallana, G (2009). Desarrollo de la instrumentación para pruebas de desempeño mecánico en un vehículo automotor. Tesis de Pregrado, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. [6] Andre. M, Driving cycles development characterization of the methods. Society of Automotive Engineers, 1996.
[7] Andre. M, Driving cycles for emission measurements under European conditions. Society of Automotive Engineers, 1995.
[8] W.T. Hung, H.Y. Tong, C.P. Lee, K. Ha, L.Y. Pao, Development of a driving cycle for Hong Kong. Transportation Research Part D: Transport and Environment, Volume 12, Issue 2, March 2007, Pages 115-128.
[9] Imagen Ciclo US FTP 75 http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ftp75.html Recuperada el 11 de diciembre de 2009
[10] Imagen Ciclo 10-15 mode http://www.dieselnet.com/standards/cycles/jp_10-15mode.html Recuperada el 11 de diciembre de 2009
[11] Imagen Ciclo ECE-15 http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ece_eudc.html Recuperada el 11 de diciembre de 2009
