Estimación de prestaciones, consumo de combustible y emisiones de vehículos de transporte de pasajeros con un motor diesel de aspiración natural dependiendo de las condiciones ambientales y operativas

Abstract

La presente tesis tiene como eje central el establecimiento de medios para evaluar, de forma eficiente y con coste económico contenido, diversos aspectos en relación con la movilidad y el transporte público en Ecuador, como base para la posterior definición de políticas de control y regulación, tanto a nivel local como regional. De esta forma, el objetivo principal se centra en la posibilidad de estimar las prestaciones, el consumo de combustible y las emisiones de vehículos de transporte público propulsados con motores de combustión interna tipo diésel, considerando el efecto de las fuertes diferencias de presión atmosférica, temperatura ambiente y humedad del aire en las distintas regiones del Ecuador. Para tal efecto, el marco de estudio se ha dividido en tres fases fundamentales: una primera fase de estudio individual de la influencia de los parámetros ambientales sobre el funcionamiento de un motor diésel de aspiración natural ADE360N (con norma de referencia de emisiones Euro III), partiendo de la reproducción de sus prestaciones en condiciones de referencia; posteriormente, una segunda fase de elaboración de mapas característicos de funcionamiento de dicho motor en las diferentes condiciones de presión atmosférica y temperatura ambiente, finalizando con una fase de aplicación al funcionamiento de un autobús BUSSCAR Bus 340 – Mercedes Benz MB OF-1722, empleando perfiles de conducción, altitud y comportamiento del conductor reales. Acorde al estado de la técnica previo, es conocido que las condiciones ambientales tienen un gran impacto en las prestaciones y emisiones del transporte, más aún en países localizados en América Latina, siendo de especial interés el Ecuador por su configuración orográfica diversa, existiendo una clara diferencia de altitud, temperatura y humedad en diferentes puntos de su mapa nacional. Con base a este diagnóstico inicial, para llevar a cabo este análisis, se tomaron en cuenta como referencias relevantes las condiciones de tres ciudades: Guayaquil (4 m.s.n.m.), Santa Isabel (1641 m.s.n.m.) y Ambato (2500 m.s.n.m.), siendo representativas de las condiciones en las tres regiones continentales del país (Costa, Sierra y Oriente). La metodología desarrollada está enfocada a estimar en primera aproximación las prestaciones, el consumo y las emisiones del motor diésel de aspiración natural al cambiar las condiciones ambientales asociadas con la altitud. Se ha utilizado el paquete informático AVL BOOST™ para calcular el comportamiento del motor cuando se modifican las condiciones del aire admitido al variar la presión, la temperatura y la humedad ambientes, en condiciones de cantidad de combustible constante, realizándose un estudio paramétrico completo de los efectos individuales y combinados de dichas variables. El proceso de combustión se simula usando una ley de doble Wiebe para especificar la tasa de liberación de calor (Rate of Heat Release ROHR) con distintos valores de los parámetros en función de las condiciones operativas del motor. Para identificar el efecto individual de cada uno de los factores ambientales a estudiar, tanto en el estudio paramétrico de variación de la temperatura como en la variación de la presión atmosférico, se consideraron dos niveles de análisis. En primer lugar, se desarrolla un estudio que se ha denominado de alcance regional, en el cual se estiman las prestaciones del motor en las condiciones de referencia correspondientes a las características atmosféricas de las tres ciudades, con rangos de variación para la presión atmosférica entre 1012,8 hPa (Guayaquil, 4 m.s.n.m.) y 813,2 hPa (Ambato, 2500 m.s.n.m.), y para la temperatura ambiental entre 26,5°C a 12,5°C (para las dos ciudades extremas). Posteriormente, para estos valores de referencia de cada ciudad, se ha realizado un estudio paramétrico a nivel local, en el cual se modifican las condiciones de presión de referencia considerando situaciones de anticiclón (aumento local de la presión, +2 kPa) y borrasca (reducción local de la presión, -2 kPa), y de forma independiente se varía la temperatura (de 0°C a 40°C, en intervalos de 20 K), así como la humedad relativa (para valores de 0% - aire seco-, 40%, 60% y 100%). De los resultados obtenidos en esta primera parte, se observa que, al variar la temperatura ambiente entre 0°C y 40°C, los valores calculados para BSFC (consumo específico de combustible, g/kWh), y las emisiones específicas (g/kWh) de NOx, CO y Soot tienen un ligero crecimiento, junto con una disminución de BMEP (presión media efectiva, bar). El efecto de la diferencia de altitud entre la ciudad a nivel del mar (Guayaquil) y la más alta considerada (Ambato) equivale a una variación total de la presión de 20 kPa, obteniéndose que cuando la presión atmosférica se reduce debido a una mayor altitud, a una misma temperatura ambiente, hay un aumento de BSFC, CO y Soot, y una reducción en BMEP y NOx. A nivel local, suponiendo condiciones de temperatura ambiente constantes de 20°C, la presencia de anticiclón (+2 kPa) conduce a una reducción ligera de BSFC, acompañada de crecimientos de BMEP y de la emisión de NOx. Los efectos de una borrasca (-2kPa) a temperatura constante son cuantitativamente similares, aunque con variaciones de sentido contrario. La influencia de la humedad relativa tiene resultados prácticamente despreciables sobre las variables de salida (inferiores al 0.1% por cada punto porcentual de variación de la humedad relativa). Una de las aportaciones relevantes de la presente tesis es la elaboración de los mapas característicos de comportamiento del motor para las diversas condiciones regionales de referencia (con la presión y temperatura ambientes asociadas a cada altitud). Estos mapas representan la variación de los factores de consumo de combustible, o factores de emisión según corresponda, acordes a la variación de la BMEP debida a las condiciones ambientales para cada régimen de giro. Estos mapas constituyen parte de los datos de entrada al código de simulación del motor para la estimación de prestaciones, consumo de combustible y emisiones en estas condiciones. Partiendo de lo anterior, se realizan estimaciones del comportamiento del autobús BUSSCAR Bus 340 – Mercedes Benz MB OF-1722, usando recorridos con perfiles reales de velocidad, altitud y comportamiento del conductor. Para esta simulación del vehículo en su conjunto se utiliza el paquete informático AVL CRUISE™. En primer lugar, se ha definido un recorrido tipo, utilizable en todas las ciudades de análisis, y a continuación se ha considerado el efecto combinado de la presión y la temperatura atmosféricas, restringido a condiciones de aire seco, con una densidad corregida para tener en cuenta la humedad. El efecto cuantitativo de la temperatura y la presión sobre las variables del vehículo se ha evaluado mediante coeficientes de sensibilidad (% de cambio de la variable por cada oC o por cada kPa). Se ha obtenido que cuando aumenta la temperatura ambiente se observa una muy ligera reducción de BMEP (-0.05%/°C), con un muy ligero incremento del consumo total de combustible acumulado (entre +0.06%/°C y +0.08%/°C), junto con incrementos un poco mayores de NOx, CO y Soot. Cuando disminuye la presión atmosférica, la BMEP disminuye (-0.03%/kPa), el consumo acumulado aumenta (+0.20%/kPa), los NOx disminuyen (-0.44%/kPa), mientras que hay incrementos de Soot mayores (+8.54%/kPa). Adicionalmente se ha analizado el efecto de las variaciones de la presión y la temperatura ambientes al pasar de una ciudad a otra sobre el consumo del vehículo (l/100km) y los factores de emisión (g/km) de los tres contaminantes considerados. Finalmente, se recalcan como aportaciones de la tesis la obtención de un conjunto de correlaciones estadísticas, en forma de expresiones potenciales, con exponentes característicos para cada variable, que permiten estimar los valores de presión media efectiva, consumo de combustible y emisiones, teniendo en cuenta la variación de presión y temperatura ambientes asociada a la altitud, en base a un valor de referencia de cada variable. Se considera que esto puede ser de gran utilidad para la elaboración de próximos inventarios regionales y locales de consumos y emisiones contaminantes del transporte en la República del Ecuador.