desarrollo de un ciclo de conducción en sustitución del nedc

Juan Martínez Samalea
Universidad Pontificia Comillas
Ingeniero Industrial
DESARROLLO DE UN CICLO DE CONDUCCIÓN EN SUSTITUCIÓN
DEL NEDC
Autor: Martínez Samalea, Juan.
Director: Norverto Moríñigo, Juan.
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
Un ciclo de conducción es la herramienta más extendida a la hora de hacer
ensayos de homologación de consumos de combustible y emisiones de gases
contaminantes previamente a la comercialización de un vehículo en el mercado.
En un test de homologación el vehículo es situado sobre un banco de pruebas
donde se simula un recorrido mientras se registran las emisiones de gases y consumos
de combustible necesarios para que el vehículo lleve a cabo el ensayo. Un ciclo de
conducción consiste en el perfil de velocidades que definen el recorrido aplicado al
vehículo.
Debido a la escalada de precios que han sufrido el petróleo y sus derivados en la
última década, con el consiguiente crecimiento del interés por los vehículos más
económicos en términos de gasto de combustible, la presencia de normativas
reguladoras de la contaminación cada vez más estrictas y un aumento general del interés
por productos más respetuosos con el medio ambiente por parte de los países
desarrollados, se ha producido en la última década un gran aumento de la eficiencia de
los vehículos fruto de una gran inversión en investigación y desarrollo por parte de los
fabricantes del sector de la automoción.
Por consiguiente, es lógico suponer que los resultados de estos ensayos suponen
una gran influencia sobre las ventas de un determinado vehículo y, por tanto, los
fabricantes ponen una especial atención en conseguir unos valores de consumo lo más
favorables posible. El problema tratado en este proyecto surge al identificar una
diferencia entre los resultados de estos ensayos, en concreto los realizados para
vehículos comercializados en la Unión Europea, y el consumo real registrado en los
vehículos en circulación por la vía pública.
El test trata de determinar el valor aproximado de consumo de combustible que
tendrá el vehículo una vez sea conducido en circuito abierto, por lo que es necesario que
el ciclo de conducción utilizado sea representativo de la realidad. En Europa el ciclo de
conducción utilizado es el denominado New European Driving Cycle, o NEDC. Consta
de dos fases, en la primera se simula la circulación del vehículo en un entorno urbano
con velocidades máximas de 50 km/h y en la segunda se simula la circulación en un
entorno extra-urbano con velocidades de hasta 120 km/h.
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La figura 1 muestra el perfil de velocidades que caracteriza a este ciclo de
conducción.
Figura 1. Perfil de velocidades del ciclo NEDC.
El objeto de este proyecto es proponer un ciclo de conducción alternativo al
ciclo NEDC con el fin de conseguir unos resultados más cercanos a la realidad en los
ensayos de homologación de consumos de combustible y emisiones de gases.
Metodología
En primer lugar es necesario elaborar un simulador donde poder reproducir el
comportamiento de un vehículo al llevar a cabo el ciclo de conducción y obtener una
estimación precisa de los resultados sin necesidad de realizar empíricamente los
ensayos. El desarrollo del simulador se ha llevado a cabo haciendo uso de las
aplicaciones informáticas Matlab y Simulink.
Una vez concluida la elaboración del simulador se ha comprobado su precisión
simulando el ciclo NEDC, cuyos resultados son conocidos. En esta simulación se ha
obtenido una desviación en el consumo entregado por el simulador respecto del
consumo declarado por el fabricante inferior al 3%, lo que ratifica la exactitud de la
información ofrecida por el simulador.
Para poder construir el ciclo de conducción de manera que represente fielmente
la realidad se han realizado mediciones empíricas en circuito abierto en las que se ha
registrado los valores de velocidades de un vehículo en multitud de escenarios
diferentes. Estas medidas se pueden agrupar en tres categorías: circulación por vía
urbana, circulación por la red de carreteras secundarias y circulación por la red de
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autopistas y autovías. El análisis de los datos registrados aporta las pautas necesarias
que debe seguir el ciclo de conducción propuesto.
Una vez finalizadas las medidas empíricas se ha procedido al procesamiento de
los datos obtenidos y a su implantación en el entorno de simulación. Tras realizar las
simulaciones de estos datos para calcular el consumo del vehículo en circunstancias
reales, se ha llevado a cabo el desarrollo del ciclo de conducción alternativo al NEDC,
cuyo perfil de velocidades se muestra en la figura 2.
Figura 2. Ciclo de conducción propuesto como alternativa al NEDC.
Resultados
La tabla 1 muestra los resultados obtenidos por las simulaciones de las medidas
tomadas empíricamente y del ciclo propuesto en comparación con los valores ofrecidos
por el ciclo NEDC para un Volkswagen Golf 2.0 TDI 140 cv con cambio manual.
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Circulación
Consumo
medido en el
test NEDC
Consumo simulado
en las medidas
experimentales
Consumo simulado en
el ciclo de conducción
propuesto
Urbana
7,1 l/100km
7,02 l/100km
7,18 l/100 km
Vías
secundarias
4,5 l/100km
6,48 l/100km
6,67 l/100 km
Autopista
4,5 l/100km
5,64 l/100km
5,87 l/100 km
Combinada
5,3 l/100km
6,21 l/100km
6,12 l/100 km
Tabla 1. Resultados de las simulaciones de los distintos ciclos.
Como puede observarse en la tabla 1, los resultados obtenidos en las
simulaciones realizadas con el ciclo de conducción alternativo suponen una buena
representación de los obtenidos en las simulaciones de las medidas tomadas
experimentalmente, con márgenes de error inferiores al 5%. Por el contrario, el ciclo
NEDC ofrece unos valores de consumo que, fundamentalmente en los casos de
circulación extra-urbana, se sitúan muy por debajo de los valores de consumo del
vehículo en carretera abierta, con errores de hasta un 30% del valor.
Si se comparan estos valores con una base de datos existente en la que usuarios
de distintos vehículos almacenan sus registros reales de consumo de combustible se
obtienen unos resultados similares. La siguiente figura muestra una comparación entre
los consumos homologados según el ciclo NEDC, los simulados utilizando el ciclo de
conducción propuesto y la media de consumo registrada en la base de datos de consumo
para una serie de vehículos diferentes.
Consumo declarado
por el ciclo NEDC
[l/100km]
Consumo real
registrado
[l/100 km]
Consumo simulado
mediante el ciclo
propuesto [l/100 km]
5,3
6,03
6,12
5,8
6,57
6,67
6
6,98
7,17
Audi A3
5,5
6,32
6,55
Audi A4
5,8
6,65
6,77
Audi A6
6,1
7,76
7,25
Vehículo
Volkswagen
Golf
Volkswagen
Passat
Volkswagen
Touran
Tabla 2. Consumos de combustible obtenidos según el ciclo NEDC, la base de datos de
consumo y el ciclo alternativo propuesto.
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Figura 3. Consumos de combustible obtenidos según el ciclo NEDC, la base de datos de
consumo y el ciclo alternativo propuesto.
En la figura 3 se puede apreciar cómo el consumo medido en la simulación del
ciclo propuesto se ajusta con gran precisión al consumo real del vehículo aportado por
la base de datos, mientras que el consumo homologado por el ciclo NEDC se encuentra
en todo momento con valores entre un 15% y un 25% inferiores a los de consumo real.
Conclusiones
Basándose en los resultados de las simulaciones realizadas se puede afirmar que
el ciclo NEDC no resulta representativo del comportamiento real de un vehículo y, por
tanto, no resulta apropiado para la realización de ensayos de homologación de
consumos de combustible y emisiones contaminantes.
Por otra parte, se ha comprobado cómo el ciclo propuesto sí que se ajusta al
comportamiento real del vehículo, con unos márgenes de error muy inferiores a los que
presenta el ciclo NEDC, por lo que puede considerarse una alternativa real al empleo de
este último a la hora de realizar los ensayos de homologaciones.
Por último, cabe destacar la precisión del simulador elaborado, que lo convierte
en una herramienta idónea para estimar el consumo de un vehículo, y cuyo futuro
desarrollo podría favorecer su uso en otras aplicaciones referentes al comportamiento
dinámico de un automóvil.
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DEVELOPMENT OF A DRIVING CYCLE IN REPLACEMENT FOR
THE NEDC.
PROJECT SUMMARY
Introduction
A driving cycle is the most extended tool for performing fuel consumption and
emission levels official approval tests prior to the launch of a new vehicle into a market.
In these tests the vehicle is placed on a test bench in which it is performed a
simulation of an itinerary. During the test the emissions and fuel consumption needed to
complete the itinerary are measured. A driving cycle consists of the speed profile that
defines this itinerary.
Due to the risen on the prices of oil and its derived products, during the last
decade there has been an increase on the interest for more and more economic vehicles
in terms of fuel efficiency. In addition, the adoption of new and stricter emissions
regulations and the increasing interest on environment-friendly products in the
developed countries has benefited a great progress on vehicles fuel efficiency as a result
of a strong investment on research and development carried out by the automotive
manufacturers.
Thus, the results obtained in these tests have a considerable impact on vehicles’
sales and, therefore, car manufacturers will put a substantial effort on achieving as
lowest fuel consumption values as possible. However, there are cases in which the result
of the test doesn’t correlate with the fuel consumption of the vehicle when it is driven in
open road, especially in those tests performed for vehicles sold in the European Union.
This is problem intended to solve in this project.
The test tries to give an approximate value of the fuel consumption of the
vehicle in open road, so the driving cycle used must be appropriately representative of
the population’s driving habits. The driving cycle used within the European Union is the
New European Driving Cycle, or NEDC. It consists of two stages: the first one
simulates urban driving, with speeds up to 50 km/h, and the second one simulates extraurban driving, with a top speed of 120 km/h. Figure 1 shows the speed profile that
defines the NEDC cycle.
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Figure 1. NEDC cycle speed profile.
The main objective of this project is to suggest and develop a driving cycle in
replacement for the NEDC so that the results obtained in the test on fuel consumption
and emission levels are closer to reality
Methodology
The first step is to develop a software application capable of simulating the
dynamics of a vehicle when carrying out a driving cycle, so that an estimation of the
fuel consumption may be calculated without the need of performing empirical tests. The
simulator has been developed using the software Matlab and its application Simulink.
Once the simulator has been built, its accuracy has been tested by simulating an
NEDC driving cycle. The results for this test are known, as they are the ones provided
by the car manufacturer. In this simulation, using as the vehicle a manual Volkswagen
Golf 2.0 TDI, the results offered by the simulator showed a deviation of less than 3%
with the ones offered by the NEDC cycle, which certifies its precision.
In order to develop the driving cycle so that it represents accurately the real
consumption there has been carried out empiric measurements on open road in which
there has been registered speed data while driving a vehicle on different scenarios.
These measurements can be put into three categories: urban driving, secondary roads
driving and highway driving. The analysis of the data gathered in these measurements
will provide the main guidelines for the establishment of the alternative driving cycle.
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The next step consists of processing the data measured and implementing it into
the simulation environment. Then, a simulation of this data is performed, which returns
the fuel consumption simulated on real driving conditions instead of on a driving cycle.
After carrying out these simulations and analyzing their results there has been
developed the driving cycle which intends to be a substitute to the NEDC cycle. Figure
2 shows the speed profile for this proposed driving cycle.
Figure 2. Proposed driving cycle as an alternative to the NEDC.
Results
Table 1 shows the results obtained in the simulations of the empirical measures
and the proposed driving cycle, compared to the values of the fuel consumption given
by the NEDC test.
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Road
NEDC
consumption
Empirical measures
consumption
simulation
Urban
7,1 l/100km
7,02 l/100km
7,18 l/100 km
Secondary
roads
4,5 l/100km
6,48 l/100km
6,67 l/100 km
Highway
4,5 l/100km
5,64 l/100km
5,87 l/100 km
Combination
5,3 l/100km
6,21 l/100km
6,12 l/100 km
Proposed driving
cycle simulation
Table 1. Simulations results compared to the NEDC test results.
As it may be observed, the results offered by the simulation of the proposed
driving cycle suppose a good representation of the ones offered by the empirical
measures, with a margin of error lower than 5%. However, the fuel consumption values
offered by the NEDC test, especially in extra-urban driving, are considerably lower than
the empirical ones, presenting a margin of error of up to 30% of the value.
These results can also be compared to an existing database that stores the real,
open road measured fuel consumption records of its users, with similar outcome than in
the previous comparison. Table 2 shows a comparison of the NEDC tests, the mean fuel
consumption of the users in the database and the simulation of the proposed cycle for
six different vehicles.
NEDC fuel
consumption
[l/100km]
Real fuel consumption
recorded in the database
[l/100 km]
Simulation of the
proposed driving
cycle [l/100 km]
5,3
6,03
6,12
5,8
6,57
6,67
6
6,98
7,17
Audi A3
5,5
6,32
6,55
Audi A4
5,8
6,65
6,77
Audi A6
6,1
7,76
7,25
Vehicle
Volkswagen
Golf
Volkswagen
Passat
Volkswagen
Touran
Table 2. Fuel consumption results for the NEDC cycle, consumption database
information and simulation of the proposed driving cycle.
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8
7,5
7
Consumo declarado por el
ciclo NEDC [l/100km]
6,5
6
5,5
Consumo real registrado
[l/100 km]
5
4,5
Consumo simulado
mediante el ciclo
propuesto [l/100 km]
4
Figure 3. Fuel consumption results for the NEDC cycle, consumption database
information and simulation of the proposed driving cycle.
As it may be observed in figure 3, the proposed driving cycle results provide a
high accuracy to the real values obtained from the database, whereas the consumption
declared by the NEDC cycle remains in all cases in values about 15% to 25% lower
than the real fuel consumption ones.
Conclusions
Based on the results of the simulations carried out it may be confirmed that the
NEDC cycle is not representative of the real behavior of a vehicle, and therefore its use
is not appropriate for the execution of official approval tests for the measurement of fuel
consumption and emission levels.
Also, it has been proved how the proposed cycle actually adapts with high
precision to the real behavior of a vehicle, with margins of error much lower than the
ones present in the NEDC tests. Thus, the proposed cycle may be considered as an
alternative to the NEDC cycle for the development of these tests.
Finally, it needs to be noted the accuracy of the simulator developed, making it
an ideal tool for estimating fuel consumption of a vehicle, and whose future
development may favor its use in other applications concerning the dynamic behavior of
a car.
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