desarrollo de un ciclo de conduccion en sustitucion del nedc

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DESARROLLO DE UN CICLO DE
CONDUCCION EN SUSTITUCION DEL NEDC
Autor: Juan Martínez Samalea
Director: Juan de Norverto Moriñigo
Madrid
Mayo de 2014
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7e, Decloración de lo autorío y ocreditación de lo mismo.
El autor o. ¡ullu luAmíruez saualeR
coM LLAS (COM TLLAS), DECTARA
,
como ALUMNo de la UN|vERSIDAD PoNTlFlclA
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que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en
relación con la obra PROYECTO DE FIN DE CARRERA: DESARROLTO DE UN CTCLO DE
cotrloucclÓru eru susrtruclóru orl ueocl, que ésta es una obra original, y que ostenta la
condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad lntelectual como titular único
o cotitular de la obra.
En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el
consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa
cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna
autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la
facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2e. objeto y fines de la cesión,
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad y hacer posible su utilización de formo libre y grotuito ( con los limitaciones que
mds odelonte se detallonl por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor
CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo
legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de
distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,
tal y como se describen en la Ley de Propiedad lntelectual. El derecho de transformación se
cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
3e. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de
derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:
1
Especificar sí es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro
trabajo que deba ser objeto de evaluación académica
Proyecto realizado por el alumno/a:
Juan Martlnez Samalea
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Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Juan de Norverto Moriñigo
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ge dg{ coordinador de proyectos
José lgnacio Linares Hurtado
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DESARROLLO DE UN CICLO DE
CONDUCCION EN SUSTITUCION DEL NEDC
Autor: Juan Martínez Samalea
Director: Juan de Norverto Moriñigo
Madrid
Mayo de 2014
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.
VII
Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
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
VIII
Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
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.
IX
Juan Martínez Samalea
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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 caso 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
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Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
Tabla 2. Consumos de combustible obtenidos según el ciclo NEDC, la base de datos de
consumo y el ciclo alternativo propuesto.
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.
XI
Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
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.
XII
Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
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.
XIII
Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
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.
XIV
Juan Martínez Samalea
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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.
XV
Juan Martínez Samalea
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Ingeniero Industrial
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.
XVI
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Índice de la memoria
Parte 1. Memoria......................................................................................................... 9
Capítulo 1. Introducción ................................................................................... 11
1.2. Estudio de los trabajos y tecnologías existentes. ...................... 12
1.3. Motivación del proyecto. ..................................................................... 16
1.4. Objetivos del proyecto. ......................................................................... 18
1.5. Metodología de trabajo. ....................................................................... 18
1.6. Recursos a emplear. ............................................................................... 19
Capítulo 2. Comportamiento de un vehículo ........................................... 21
2.1 Esfuerzos sobre el vehículo ................................................................. 21
2.2. Ecuaciones fundamentales de los motores de combustión
interna alternativos ........................................................................................ 29
Capítulo 3. Construcción del simulador ..................................................... 35
3.1 Consideraciones previas y entorno de simulación .................... 35
3.2. Primer subsistema. Esfuerzos resistentes al avance. .............. 43
3.3. Segundo subsistema. Régimen de giro. ......................................... 45
3.4. Tercer subsistema. Potencia efectiva. ............................................ 46
3.5. Cuarto subsistema. Presión media efectiva. ................................ 48
3.6. Quinto subsistema. Consumo específico de combustible. ..... 49
3.7. Sexto subsistema. Consumo medio de combustible. ............... 51
1
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Capítulo 4. Desarrollo del ciclo de conducción. ...................................... 55
4.1. Medidas experimentales. ..................................................................... 55
4.2. Ciclo propuesto como alternativa al NEDC .................................. 57
4.3. Simulaciones realizadas con el ciclo propuesto. ....................... 58
4.4. Comprobación de los resultados obtenidos en las
simulaciones. ..................................................................................................... 61
Capítulo 5. Conclusiones................................................................................... 63
5.1. Conclusiones sobre la metodología................................................. 63
5.2. Conclusiones sobre los resultados .................................................. 64
Capítulo 6. Recomendaciones para futuros desarrollos ..................... 67
6.1. Ampliaciones sobre el simulador..................................................... 67
6.2. Ampliaciones sobre el ciclo de conducción. ................................ 69
6.3. Ampliaciones auxiliares ....................................................................... 70
Capítulo 7. Estudio económico ...................................................................... 73
7.1. Documentación y tareas previas al desarrollo del proyecto. 73
7.2. Construcción del simulador ............................................................... 74
7.3. Medidas experimentales ...................................................................... 74
7.4. Simulaciones, desarrollo del ciclo de conducción y análisis de
los resultados. ................................................................................................... 75
7.5. Resumen y presupuesto necesario.................................................. 75
Bibliografía ............................................................................................................. 77
2
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Parte 2. Anexos. ........................................................................................................ 79
Anexo 1. Manual de usuario ............................................................................ 81
1.1. Consideraciones previas e implantación de datos en el
entorno de simulación .................................................................................. 81
1.2. Utilización del simulador..................................................................... 85
3
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Índice de figuras
Figura 1. Ciclo de conducción FTP-75............................................................. 13
Figura 2. Ciclo EPA Highway. .............................................................................. 13
Figura 3. Ciclo EPA US06. ..................................................................................... 14
Figura 4. Ciclo EPA SC03....................................................................................... 14
Figura 5. Ciclo de conducción JC08. ................................................................. 15
Figura 6. Perfil de velocidades del ciclo NEDC. ........................................... 15
Figura 7. Diagrama de cuerpo libre de un vehículo en movimiento.
[GILL92] ....................................................................................................................... 21
Figura 8. Fuerzas y momentos que actúan sobre un cuerpo inmerso
en un fluido [WHIT98] .......................................................................................... 22
Figura 9. Desprendimiento de la capa límite en un objeto en
movimiento sumergido en un fluido. [GILL92] .......................................... 24
Figura 10. Formación de un punto de remanso y desprendimiento de
la capa límite en un vehículo en movimiento. [ARPEM] ......................... 24
Figura 11. Coeficiente de resistencia a la rodadura respecto de la
velocidad de desplazamiento del vehículo. [UPCO] .................................. 26
Figura 12. Coeficiente de fricción a la rodadura. [GILL92] .................... 27
Figura 13. Área representativa del trabajo indicado [ARIA04]. .......... 31
Figura 14. Presión media efectiva [GRAM]. .................................................. 32
4
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Figura 15. Curvas de isoconsumo del Volkswagen Golf 2.0 TDI.
Gráfica aportada por el director del proyecto. ............................................ 34
Figura 16. Datos técnicos del motor Volkswagen 2.0TDI 140 cv. ....... 36
Figura 17. Datos técnicos Volkswagen Golf con caja de cambios
Manual .......................................................................................................................... 37
Figura 18. Curvas de isoconsumo en forma de matriz en formato
Excel. Elaboración propia..................................................................................... 38
Figura 19. Subsistema 1. ....................................................................................... 43
Figura 20. Fuerza de tracción respecto del tiempo ................................... 44
Figura 21. Subsistema 2. ....................................................................................... 45
Figura 22. Régimen de giro del motor respecto del tiempo. ................. 46
Figura 23. Subsistema 3. ....................................................................................... 46
Figura 24. Potencia efectiva entregada frente a tiempo. ........................ 47
Figura 25. Subsistema 4. ....................................................................................... 48
Figura 26. Presión media efectiva respecto del tiempo. ......................... 48
Figura 27. Subsistema 5 ....................................................................................... 49
Figura 28. Consumo específico respecto del tiempo. ............................... 50
Figura 29. Subsistema 6. ....................................................................................... 51
Figura 30. Consumo expresado en l/h respecto del tiempo.
Aceleración respecto del tiempo. ...................................................................... 52
Figura 31. Consumo medio de combustible expresado en l/100 km
respecto del tiempo. ............................................................................................... 52
Figura 32. Perfil de velocidades en entorno urbano. ............................... 56
5
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Figura 33. Perfil de velocidades en circulación por la red de
carreteras secundarias. ......................................................................................... 56
Figura 34. Perfil de velocidades en circulación por la red de
autopistas y autovías.............................................................................................. 57
Figura 35. Ciclo de conducción propuesto alternativo al NEDC. ......... 58
Figura 36. Consumos de combustible reales medidos por usuarios
anónimos. .................................................................................................................... 61
Figura 37. Comparación de consumos medidos según los distintos
métodos en vehículos diferentes. ..................................................................... 65
Figura 38. Herramienta "Import Data"........................................................... 82
Figura 39. Workspace. ........................................................................................... 84
Figura 40. Aspecto del entorno Simulink. ..................................................... 85
Figura 41. Selección del tiempo máximo de simulación. ........................ 85
Figura 42. Botón Run. ............................................................................................ 86
Figura 43. Inspección de una variable mediante un bloque "Scope". 86
Figura 44. Menú de inspección de datos........................................................ 87
Figura 45. Inspección de resultados mediante etiquetas. ...................... 87
6
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Índice de tablas
Tabla 1. Poder calorífico de los combustibles utilizados en la
industria automovilística. [UPCO] .................................................................... 30
Tabla 2. Resultados de los ensayos realizados con el ciclo NEDC....... 53
Tabla 3. Resultados de simulaciones en circulación urbana. ................ 59
Tabla 4. Resultados de simulaciones en circulación por carreteras
secundarias ................................................................................................................ 59
Tabla 5. Resultados de simulaciones en circulación por autopista. ... 60
Tabla 6. Resultados de simulaciones del ciclo de conducción
completo. ..................................................................................................................... 60
Tabla 7. Comparación de consumos medidos según los distintos
métodos en vehículos diferentes. ..................................................................... 62
Tabla 8. Reparto de horas de trabajo relativas a tareas previas y
documentación sobre el proyecto. ................................................................... 73
Tabla 9. Reparto de horas de trabajo relativas a la construcción del
simulador. ................................................................................................................... 74
Tabla 10. Reparto de horas de trabajo relativas a la obtención de
medidas experimentales. ..................................................................................... 74
Tabla 11. Reparto de horas de trabajo relativas a la elaboración de las
simulaciones, el desarrollo del ciclo de conducción y el análisis de los
resultados. .................................................................................................................. 75
7
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Ingeniero Industrial
Tabla 12. Resumen y presupuesto necesario para la elaboración del
proyecto. ...................................................................................................................... 76
8
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Ingeniero Industrial
Parte 1. Memoria
9
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10
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Ingeniero Industrial
Capítulo 1. Introducción
Con más de 800 millones de vehículos en circulación en todo el mundo a
finales de la última década, la industria automovilística constituye uno de los
sectores más importantes para la economía mundial. El automóvil es el principal
medio de transporte en la mayoría de los países desarrollados y emergentes.
En los últimos años, la escalada de precios que ha sufrido el petróleo en los
mercados internacionales ha provocado que los precios de los dos principales
combustibles utilizados por esta industria, el diesel y la gasolina, se hayan visto
incrementados significativamente. Este hecho, unido a la creciente demanda de
productos más respetuosos con el medio ambiente en los países desarrollados, ha
provocado que los fabricantes se interesen cada vez más en producir vehículos más
eficientes.
Debido a esto ha surgido la necesidad de cuantificar esa eficiencia, con el
objetivo de poder comparar esta medida entre diferentes vehículos. Los dos
parámetros más extendidos para cuantificar la eficiencia de un vehículo son los litros
de combustible consumidos para recorrer una determinada distancia (o, en el
ámbito anglosajón, la distancia recorrida utilizando una cantidad determinada de
combustible), y la cantidad de gases emitidos a la atmósfera al recorrer dicha
distancia. Para calcular estos dos parámetros el método más extendido es el de la
realización de ensayos con ciclos de conducción.
Un ciclo de conducción consiste en la secuencia de la velocidad de un
vehículo en un determinado intervalo de tiempo. Para que sea efectivo, el ciclo de
conducción debe mostrar un comportamiento cercano a la realidad y representar un
estilo de conducción que se adapte a los hábitos de la población sobre la que se
quiere aplicar.
Una vez determinado un ciclo de conducción, se debe establecer la
metodología en la que se llevan a cabo los ensayos, de forma que en cada uno de los
vehículos realice el ensayo bajo las mismas condiciones. Como la circulación de un
vehículo por una carretera se ve muy afectada por circunstancias aleatorias y
difíciles de controlar, este tipo de ensayos se realizan situando el vehículo en un
banco de rodillos en un laboratorio cerrado, en el que se pueden controlar las
distintas variables que puedan afectar a la eficiencia del vehículo. A pesar de no
llevarse a cabo el ensayo en circulación por carretera abierta, el hecho de que el
ciclo de conducción sea una representación de las características reales de la
circulación permite medir el consumo de combustible en condiciones cercanas a la
realidad.
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Una vez aplicado el ciclo de conducción al vehículo, es posible medir tanto la
cantidad de combustible utilizado por éste como la cantidad de gases emitidos a la
atmósfera. De hecho, estas dos medidas están directamente relacionadas, por lo que
el conocimiento de una de ellas favorecerá el cálculo de la otra.
En los ensayos de homologación se miden las emisiones de gases por el
escape mediante una sonda, y a partir de esta medida se calcula el consumo de
combustible. Sin embargo, ya que no se van a llevar a cabo ensayos en bancos de
rodillos, este proyecto se va a centrar en el cálculo del consumo de combustible en
lugar de las emisiones de gases contaminantes.
1.2. Estudio de los trabajos y tecnologías
existentes.
En la actualidad existen diversos organismos encargados de medir las
emisiones de gases contaminantes y consumos de combustible de los vehículos
antes de su comercialización. Estos organismos determinan y llevan a cabo los ciclos
de conducción que consideran más adecuados para realizar las mediciones. De esta
forma, encontramos que cada uno realiza un ciclo de conducción diferente, y como
consecuencia los resultados obtenidos también son distintos.
A continuación se muestran los ciclos de conducción más utilizados en el
mundo hoy en día, centrándose en el ciclo de conducción utilizado en la Unión
Europea, que es sobre el que se basará este proyecto.
1.2.1. Ciclo EPA.
Se trata del conjunto de ciclos de conducción definidos por la Agencia de
Protección Medioambiental (EPA) estadounidense. Por tanto, su empleo está
enfocado a aquellos vehículos comercializados en Estados Unidos, aunque se ha
expandido también a otros países. Se introdujo por primera vez en 1978 con el ciclo
urbano conocido como FTP-75, y en el año 2008 se añadieron tres ciclos más para
complementar los resultados ofrecidos por el primero. La figura 1 muestra el ciclo de
conducción urbana.
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Figura 1. Ciclo de conducción FTP-75.
La figura 2 muestra el ciclo de conducción EPA Highway, representativo
de la conducción por autopista.
Figura 2. Ciclo EPA Highway.
La figura 3 muestra el perfil de velocidades del ciclo de conducción EPA
US06, que trata de simular una conducción agresiva.
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Figura 3. Ciclo EPA US06.
La figura 4 representa el ciclo de conducción EPA SC03, que añade el
empleo de aire acondicionado, lo que supondrá un consumo auxiliar adicional al
necesario para desplazar el vehículo.
Figura 4. Ciclo EPA SC03.
1.2.2. Ciclo JC08.
El ciclo JC08 es el utilizado para la homologación de consumos y emisiones en
Japón. Se trata de un ciclo de conducción bastante moderno, pues su entrada en
vigor se produjo en el año 2008, cuando sustituyó al ciclo 10-15 que se venía
utilizando desde 1983. En él se trata de replicar la circulación en tráfico urbano
congestionado, con frecuentes períodos de aceleración y deceleración, y un gran
número de instantes en el que el vehículo se encuentra parado.
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Figura 5. Ciclo de conducción JC08.
1.2.3. Ciclo NEDC.
Se trata del ciclo de conducción empleado para llevar a cabo las
homologaciones de consumos de combustible y emisiones de gases contaminantes
en vehículos comercializados en el ámbito de la Unión Europea. El perfil de
velocidades utilizado en este ciclo de conducción es el siguiente:
Figura 6. Perfil de velocidades del ciclo NEDC.
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En la figura 6 pueden observarse las dos fases en las que se desarrolla este
ciclo de conducción. En primer lugar consta de una fase que simula la circulación en
zona urbana. Al inicio de esta fase se arranca el coche y se mantiene 40 segundos al
ralentí. Se mete primera, se alcanzan 15 km/h, y se vuelve a detener. Después de 50
segundos al ralentí se acelera hasta 35 km/h, y se vuelve a detener el vehículo. Tras
esto, se acelera de nuevo hasta 50 km/h, se reduce hasta 27 km/h y se detiene el
vehículo una vez más. Este proceso se repite tres veces más para completar el
recorrido urbano. Cabe destacar la gran presencia de tiempos en los que el vehículo
se encuentra parado.
A continuación se lleva a cabo la fase extra-urbana. Se acelera desde parado
hasta 70 km/h. Tras más de un minuto a esta velocidad se disminuye a 50 km/h y se
mantiene durante un minuto. Se vuelve a acelerar hasta 70 km/h, tras un minuto se
incrementa la velocidad hasta los 100 km/h y durante unos instantes se alcanzan 120
km/h para luego decelerar y dar por concluido el ciclo de conducción.
El ensayo se hace siempre en un espacio cerrado con la temperatura
controlada y a presión atmosférica. Antes de la prueba, el coche permanece entre 20
y 24 ºC durante seis horas y media. El vehículo deberá haber recorrido previamente
entre 3.000 y 15.000 km. Se tiene en cuenta únicamente la presencia de un
ocupante en el interior del vehículo, y los sistemas eléctricos auxiliares deberán
permanecer desconectados. El proceso completo dura 1220 segundos, algo más de
20 minutos, y corresponde a un recorrido de 11 kilómetros y 7 metros. Eso supone
una velocidad media de la prueba cercana a 35 km/h.
1.2.4. Futuros desarrollos.
Por otra parte, bajo las directrices del Foro para la Coordinación de las
Regulaciones de Vehículos de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para
Europa se está trabajando en el desarrollo de un ciclo de conducción estándar y
global para la medición de consumos y emisiones, cuya primera implantación se
espera que se lleve a cabo en octubre de 2015.
1.3. Motivación del proyecto.
A menudo puede observarse cómo los resultados de estos ciclos de
conducción difieren ampliamente de los valores de consumo de combustible
registrados por los consumidores finales en circulación por carretera abierta. Esto
quiere decir que el ciclo de conducción utilizado no consigue reflejar fielmente la
realidad y, por tanto, su empleo no resulta adecuado.
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Además, en el marco medioambiental de la sociedad moderna, en el que la
contaminación supone un tema de gran importancia, en las últimas décadas se han
desarrollado fuertes políticas de regulación de las emisiones de gases contaminantes
en vehículos ligeros, especialmente en el ámbito de la Unión Europea. Para poder
comercializar sus vehículos un una zona geográfica determinada, los fabricantes
deben de cumplir con las regulaciones existentes en materia de contaminación, que
suelen establecer el límite máximo admisible de emisiones de gases de los vehículos
nuevos y cuya comprobación se lleva a cabo mediante este tipo de ensayos
utilizando un ciclo de conducción. Este hecho incrementa el interés por que el
ensayo resulte representativo de la realidad, con el fin de que las reducciones de
emisiones llevadas a cabo por el fabricante tengan una repercusión favorable en el
medio ambiente y no únicamente en el ensayo realizado.
Tanto la influencia de la normativa regulatoria en las actuaciones de los
fabricantes del sector de la automoción como el interés cada vez mayor por
productos más respetuosos con el medio ambiente y cuya utilización resulte lo más
económica posible producen una evidente repercusión en las ventas de vehículos, lo
que unido al considerable tamaño de la industria automovilística provoca que los
resultados aportados por los ciclos de conducción tengan una notable influencia en
las cifras totales de combustible consumido y las toneladas de gases contaminantes
emitidas a la atmósfera.
Centrándonos en el ciclo NEDC, utilizado en la homologación de emisiones
contaminantes y consumos de combustible en Europa, analizando el perfil de
velocidades que lo componen representado en la figura 6, es posible apreciar
algunas de las deficiencias que hacen que este ciclo difiera del comportamiento real
de un vehículo y, por tanto, sus resultados no puedan considerarse absolutamente
válidos. En primer lugar puede observarse cómo en la fase extraurbana el tiempo en
el que el vehículo se encuentra a altas velocidades, por encima de 100 km/h
representa una fracción muy pequeña respecto al ciclo de conducción completo. Es
necesario aportar una mayor ponderación a esta fase del ensayo, pues una gran
parte de la circulación por carretera abierta se realiza por la red de autopistas y
autovías, en la que se circula a velocidades superiores a los 100 km/h. Otro defecto
de este ciclo de conducción es la repetición de cuatro perfiles de velocidades con la
misma forma en la fase urbana. Este hecho facilita la optimización de los motores
por parte de los fabricantes para conseguir unos resultados ventajosos en el test sin
que éstos sean representativos del comportamiento real del vehículo, por lo que se
debe considerar reducir el número de repeticiones. Por último, puesto que este ciclo
de conducción es de aplicación a la totalidad de vehículos comercializados en la
Unión Europea, la velocidad máxima alcanzada debe establecerse en el límite de
velocidad establecido por un gran número de países de la Unión de 130 km/h, para
no perjudicar a los usuarios de dichos países anunciando un consumo inferior al que
sus vehículos van a presentar.
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Por tanto, se aprecia necesaria la realización de una serie de modificaciones
en este ciclo de conducción con el fin de solucionar estas deficiencias y conseguir
unos resultados representativos del comportamiento real de un vehículo que hagan
válido el uso del ciclo de conducción en la homologación de consumos y emisiones
en el ámbito europeo.
1.4. Objetivos del proyecto.
1. Realizar un modelo de simulación del comportamiento de un vehículo, y
comprobar su correcto funcionamiento mediante la simulación de un ciclo
NEDC, del cual se conocen previamente los resultados.
2. Diseñar un ciclo de conducción alternativo. Para ello, será necesario realizar
medidas experimentales en circulación por carretera abierta para poder
obtener información sobre hábitos de conducción.
3. Simular el ciclo de conducción establecido.
4. Realizar comparaciones entre los resultados de la simulación, medidas reales
obtenidas y resultados ofrecidos por el ciclo de conducción NEDC y
anunciados por los fabricantes.
1.5. Metodología de trabajo.
La metodología de trabajo utilizada para la consecución de los objetivos
propuestos será la siguiente:






En los primeros pasos del desarrollo del proyecto se llevará a cabo una
recopilación de datos sobre los ciclos de conducción y las condiciones
estándar bajo las que se llevan a cabo.
Se estudiarán los conceptos teóricos que rigen el comportamiento dinámico
de un automóvil así como las ecuaciones de funcionamiento de los motores
de combustión interna.
Se elaborará un simulador que incluya estos conceptos y cuyos resultados se
ajusten con precisión a los obtenidos empíricamente.
Se tomarán medidas empíricas sobre datos de circulación para conseguir una
serie de perfiles de velocidades reales que tratarán de implementarse
posteriormente en el ciclo de conducción propuesto.
Se elaborará un nuevo ciclo de conducción a partir del ciclo NEDC y las
medidas experimentales tomadas.
Se simulará el ciclo de conducción propuesto y se procederá al análisis de los
resultados.
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1.6. Recursos a emplear.
La principal herramienta que se va a utilizar para el desarrollo de las
simulaciones es el programa informático Matlab, y en concreto su aplicación
Simulink. Ésta es una aplicación conocida puesto que se ha utilizado previamente en
diversas asignaturas de la titulación de Ingeniería Industrial, por lo que su utilización
en el proyecto no supondrá un inconveniente.
Para el almacenamiento de datos necesarios para la simulación y su posterior
introducción en ella se utilizará Microsoft Excel.
Para la elaboración de la memoria del proyecto, así como los diversos
documentos y anexos necesarios se utilizará Microsoft Word.
También será necesario conocer los datos técnicos de los vehículos que se
van a ensayar, así como las curvas de isoconsumo de sus motores. Estos datos se
obtendrán de catálogos de fabricantes de la industria del automóvil, páginas web
especializadas o serán aportados por el director del proyecto.
Además de los datos técnicos de los vehículos, será necesario conocer sus
consumos reales. Estos datos se obtendrán de pruebas realizadas en carretera
abierta, y bases de datos online de consumos de vehículos aportados por usuarios
reales de los mismos.
Por último, para poder establecer las comparaciones finales y conclusiones
del proyecto, se requerirá realizar medidas de consumos en vehículos en carretera
abierta, para lo que será necesario un vehículo, aportado por el autor del proyecto, y
un software de seguimiento mediante GPS implementado en un dispositivo móvil
situado en el interior del vehículo.
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Capítulo 2. Comportamiento de un
vehículo.
En este capítulo se realiza un análisis de los distintos conceptos teóricos que
rigen el comportamiento dinámico de un vehículo cuando se encuentra en
circulación. Se va a analizar tanto la acción del entorno exterior sobre el vehículo en
forma de fuerzas ejercidas como la acción interna del motor, encargado de producir
el movimiento.
2.1 Esfuerzos sobre el vehículo.
Para la determinación del comportamiento de un vehículo al realizar un
recorrido es necesario conocer las fuerzas que aparecen entre éste y el entorno, y
que provocan su desplazamiento. Una forma simplificada pero muy representativa
para analizar estas interacciones entre el vehículo y el entorno es plantear el
diagrama de cuerpo libre del vehículo analizando los esfuerzos únicamente en la
dirección de la marcha.
Figura 7. Diagrama de cuerpo libre de un vehículo en movimiento. [GILL92]




Donde:
DA: Fuerza aerodinámica.
W: Peso. Se descompone en una fuerza paralela al desplazamiento y otra
perpendicular según el ángulo de la pendiente.
Θ: Ángulo de la pendiente de ascensión.
Wf, Wr: Fuerza normal delantera y trasera, respectivamente.
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

Rxf, Rxr: Fuerza de resistencia a la rodadura delantera y trasera,
respectivamente.
Fxf, Fxr: Fuerza de tracción delantera y trasera, respectivamente.
De esta forma se obtiene que, para llevar a cabo el avance del vehículo, la
fuerza de tracción ejercida por el motor debe ser capaz de vencer los esfuerzos
resistentes al avance que aparecen, y que son resumidos a continuación:
a. Fuerza aerodinámica.
Cuando un cuerpo se desplaza a través de un fluido, como en este
caso es el aire, se producen seis acciones aerodinámicas sobre él: tres
fuerzas y tres momentos:






Fuerza de resistencia aerodinámica al avance o “Drag force”.
Fuerza de empuje lateral aerodinámico o “Side forcé”.
Fuerza de sustentación aerodinámica o “Lift force”.
Momento aerodinámico de vuelco o “Rolling moment”.
Momento aerodinámico de cabeceo o “Pitching moment”.
Momento aerodinámico de guiñada o “Yawing momento”.
Figura 8. Fuerzas y momentos que actúan sobre un cuerpo inmerso en un fluido [WHIT98]
Todas estas interacciones influyen en el comportamiento del vehículo,
especialmente a altas velocidades pero, a la hora de analizar su efecto
en el consumo del vehículo, la influencia de la fuerza de resistencia
aerodinámica al avance es mucho mayor que la del resto de efectos.
Por tanto, en la construcción del simulador ésta será la única fuerza
aerodinámica tenida en cuenta.
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Esta fuerza de resistencia al avance se rige según la siguiente
expresión:
(Ecuación 1)
Donde las variables utilizadas toman el siguiente significado:

. Define la densidad del aire a presión
atmosférica. Se indica en kg/m3.

. Define la superficie ocupada al proyectar el
volumen del vehículo sobre un plano perpendicular a
su eje longitudinal. Se expresa en m2.

. Es el coeficiente de penetración aerodinámica. Se
trata de un término adimensional. En la mecánica de
fluidos es el coeficiente correspondiente a la fuerza
denominada “Drag”, y por tanto se denomina . En
un automóvil suelen definirse tres ejes: se denomina
eje x al eje longitudinal del vehículo, en el que se
efectúa la marcha, eje y al eje vertical y eje z al eje
horizontal transversal a la dirección de la marcha. Por
tanto, en la industria automovilística se utiliza el
término
para definir el coeficiente de penetración
aerodinámica en el sentido de la marcha. Este
coeficiente hace referencia a la resistencia ofrecida por
el fluido al avance de un cuerpo a través de él debida a
dos fenómenos:
o La diferencia de presiones generada entre la
parte delantera y la parte trasera del vehículo.
En la parte delantera se genera un punto de
remanso en el que la velocidad relativa del aire
respecto del vehículo se convierte en cero, lo
que provoca un gran aumento de la presión del
aire. Por otra parte, en la parte trasera del
vehículo se produce un desprendimiento de la
capa límite en el flujo del aire, lo que provoca
una transición a flujo turbulento y, por
consiguiente, una reducción de la presión del
fluido. Al tener un gradiente de presiones
decreciente a lo largo del vehículo, se produce
una fuerza resultante en sentido contrario al de
avance del vehículo a través del fluido.
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Figura 9. Desprendimiento de la capa límite en un objeto en movimiento sumergido en un
fluido. [GILL92]
Figura 10. Formación de un punto de remanso y desprendimiento de la capa límite en un
vehículo en movimiento. [ARPEM]
o El rozamiento del fluido con la superficie
exterior del vehículo. Se trata del rozamiento
debido a la viscosidad del fluido, y supone
también una fuerza de oposición al movimiento
del vehículo dentro de éste. Conforme
aumentan las dimensiones del cuerpo que se
desplaza, especialmente el área frontal,
disminuye la importancia de este rozamiento
respecto al debido a la diferencia de presiones.
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Teniendo en cuenta las dimensiones de un vehículo
tradicional, puede suponerse que la mayor parte de la
resistencia aerodinámica al avance es debida a la
diferencia de presiones entre la parte delantera y la
parte trasera del vehículo.

VVEH. Representa la velocidad lineal del vehículo expresada
en m/s.

VAIRE. Define la velocidad del aire en la dirección de avance
del vehículo, expresada también en m/s. El término (VVEHVAIRE) hace referencia a la velocidad relativa existente entre
el aire y el vehículo.
b. Fuerza de resistencia a la rodadura.
La fuerza de resistencia a la rodadura es la causada en el contacto
entre las ruedas del vehículo y la superficie sobre la que se circula. Es
causada, principalmente, por la energía invertida en la deformación
lateral del neumático cerca del área de contacto, la deformación de
los materiales que componen la banda de rodadura, la abrasión en la
zona de contacto con el pavimento y desplazamientos del aire en el
interior y exterior del neumático
La carcasa exterior del neumático envuelve la cámara de aire interior
y es el elemento que entra en contacto con el pavimento. Está
compuesta por una serie de capas de acero, material con un alto
módulo de elasticidad, entremezcladas en una matriz de goma,
material de bajo módulo de elasticidad.
Existen fundamentalmente dos métodos de construcción de la
carcasa:

Diagonales: Las capas de acero van dispuestas en un ángulo
próximo a 40º respecto del eje meridional del neumático.

Radiales: Las capas de acero van dispuestas perpendiculares al
eje meridional del neumático (90º).
La mayor rigidez de los neumáticos radiales y su consecuente menor
deformación ha provocado que este tipo se haya impuesto frente a
los neumáticos diagonales.
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Esta fuerza de resistencia a la rodadura debido a la deformación de la
carcasa del neumático puede expresarse de la siguiente forma:
(Ecuación 2)
Donde
son dos coeficientes que dependen de las
características de la rodadura, como el tipo de asfalto o el material del
neumático, y representa el ángulo de la pendiente de ascensión del
terreno. Si se representa el término
en función de la velocidad
para un vehículo circulando sobre asfalto convencional con
neumáticos de goma se obtiene la siguiente figura.
Figura 11. Coeficiente de resistencia a la rodadura respecto de la velocidad de
desplazamiento del vehículo. [UPCO]
Como puede observarse, para los neumáticos radiales el término
varía muy poco con la velocidad, por lo que puede
aproximarse por un término constante que se denomina . De esta
forma, la fuerza de resistencia a la rodadura resulta:
(Ecuación 3)
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Siendo un coeficiente de fricción inversamente proporcional a la
presión del neumático y su diámetro y que también depende del tipo
de pavimento sobre el que se produzca la rodadura. La siguiente
figura muestra los valores aproximados que puede tomar este
coeficiente en función del tipo de vehículo utilizado y la superficie
sobre la que se circula.
Figura 12. Coeficiente de fricción a la rodadura. [GILL92]
Existe también un coeficiente de fricción al deslizamiento del
neumático, cuyo valor en el caso de suelo seco de asfalto y
neumáticos de goma es próximo a 1. Este coeficiente de fricción es el
que permite al vehículo agarrarse al asfalto y, por tanto, acelerar,
frenar o girar en las curvas.
c. Fuerza de gravedad.
Es la fuerza que se opone al desplazamiento del vehículo al subir una
pendiente, o lo favorece al bajarla. Viene dada por la siguiente
expresión:
(Ecuación 4)
Siendo:
: Masa del vehículo, expresada en kg.
: Aceleración debida a la gravedad, expresada en m/s2.
: Seno del ángulo de la pendiente a la que asciende el vehículo.
Una vez que se han determinado los esfuerzos que debe vencer el vehículo
para poder desplazarse, se puede calcular la fuerza de tracción que debe ejercer el
motor y que, para mantener una velocidad constante, será igual a la suma de los
esfuerzos resistentes.
(Ecuación 5)
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Si se quiere aumentar la velocidad del vehículo, una parte de la fuerza de
tracción se invertirá en vencer los esfuerzos resistentes antes mencionados, otra
parte provocará la aceleración lineal del vehículo respecto del suelo, y otra parte se
invertirá en el aumento de la velocidad angular de los distintos elementos rotativos
del tren de transmisión, siendo necesaria una fracción de la potencia del motor para
acelerarse a sí mismo, a la transmisión y a las ruedas.
(Ecuación 6)




Donde:
aceleración lineal del vehículo
momento de inercia total de todas las partes rotativas reducidas a la
rueda.
aceleración angular de las ruedas.
radio de las ruedas.
El término
que el término
hace referencia a la aceleración lineal del vehículo, mientras
tiene en cuenta la aceleración angular de los distintos
elementos rotativos presentes en el tren de transmisión.
Para simplificar los cálculos que deberá realizar el simulador y dado que el
cálculo de los momentos de inercia de todos los elementos rotativos afectados por
esta aceleración angular puede resultar muy complejo al ser a menudo desconocidos
los datos necesarios para su determinación, se han transformado todos los términos
inerciales en uno equivalente que depende de la aceleración lineal del vehículo,
obteniendo la siguiente expresión.
(Ecuación 7)
Donde es la masa del vehículo en orden de marcha, y
un coeficiente de
inercia rotacional que tiene en cuenta las inercias de los distintos elementos
rotativos.
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2.2. Ecuaciones fundamentales de los motores de
combustión interna alternativos.
Un motor de combustión interna es una máquina capaz de transformar la
energía química almacenada en un combustible en energía mecánica aprovechable
para producir movimiento. Si además el trabajo mecánico se efectúa de forma cíclica
el motor se denomina alternativo.
Este tipo de motores se comenzó a utilizar a mediados del siglo XIX como una
alternativa a la máquina de vapor. A finales de dicho siglo, comenzaron a aparecer
los primeros automóviles accionados con motores de combustión interna
alternativos, y la rápida expansión de este medio de transporte alternativo a los
vehículos de tracción trajo consigo un gran desarrollo de estos motores, llegando a
ser prácticamente el único tipo de motor utilizado en la industria automovilística
durante todo el siglo XX. En la actualidad se está comenzando a apostar por el motor
eléctrico como una alternativa a los motores de combustión interna y, por tanto, al
empleo de combustibles fósiles, pero el gran desarrollo alcanzado en este tipo de
máquinas térmicas favorece que todavía a día de hoy más del 99,5% de las ventas de
vehículos a nivel mundial sean representadas por vehículos equipados con motores
de combustión interna alternativos.
Según su construcción, estos motores pueden funcionar con diferentes ciclos
de trabajo, siendo los más comunes en la industria automovilística hoy en día los
motores de cuatro tiempos, y entre los combustibles utilizados en su
funcionamiento se debe destacar la gasolina en los motores de ciclo Otto y el
gasóleo en los motores de ciclo Diesel. En este proyecto, a la hora de realizar las
simulaciones se ha escogido un motor convencional de ciclo Diesel, por representar
una cuota de mercado superior al 50% de las ventas de vehículos en los mercados
europeos, mientras que los motores convencionales de gasolina suponen
aproximadamente un 40% de las ventas y la cuota de mercado restante se reparte
entre vehículos híbridos, eléctricos o propulsados por otro tipo de combustible
[ICCT13].
Cada combustible tiene un Poder Calorífico determinado, que indica la
cantidad de energía que se puede desprender al producirse la reacción de
combustión en un kilogramo de combustible. La tabla 1 muestra una comparación
entre los distintos combustibles según su poder calorífico.
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Combustible
Densidad [kg/m3]
Poder Calorífico
Superior [kJ/kg]
Poder Calorífico
Inferior [kJ/kg]
Gasolina
760
47300
44400
Gasóleo
800
43115
42275
570
63960
39080
500
49960
46260
Gas Natural
Comprimido
Gas Licuado de
Petróleo
Tabla 1. Poder calorífico de los combustibles utilizados en la industria automovilística.
[CACH09]
Al realizarse la combustión en el interior del cilindro a gran presión, los gases
resultantes empujan el pistón al expansionarse, convirtiendo parte de esa energía
calorífica en energía mecánica. El pistón, a través de un mecanismo biela-manivela
transforma su movimiento lineal en un movimiento rotativo y, de esta forma, se
obtiene un par motor en el cigüeñal a partir de la energía interna del combustible.
Esta fracción de la energía interna del combustible que se transforma en
energía mecánica viene definida por el rendimiento indicado del motor, cuya
ecuación se muestra a continuación.
(Ecuación 8)



Donde:
: Gasto másico de combustible, medido en kg/s.
: Poder Calorífico del combustible, en kJ/kg.
: Potencia indicada, en kW.
En los motores de combustión interna alternativos este rendimiento suele
tomar valores muy bajos, pues la mayor parte de la energía interna del combustible
se disipa en forma de calor al exterior y únicamente puede ser aprovechada
parcialmente en aplicaciones de climatización del habitáculo del vehículo.
La presión en el interior de la cámara de combustión influye
significativamente en el trabajo realizado por el motor. Si se considera el diagrama pv de un ciclo completo de un motor de cuatro tiempos, se obtiene que el trabajo
realizado por el motor en dicho ciclo es el área encerrada bajo la curva de presión en
el interior del cilindro. Este trabajo se denomina trabajo indicado.
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Figura 13.Ciclo de trabajo del motor. [ARIA04].
La potencia indicada es el producto del trabajo indicado por la frecuencia a la
que se realiza cada ciclo.
(Ecuación 9)




Donde:
: Potencia indicada, medida en kW.
: Representa el trabajo indicado, expresado en kJ.
: Representa el régimen de giro del motor en revoluciones por segundo.
: Se trata de un término adimensional que representa el índice de tipo de
ciclo. Este índice refleja cuántos ciclos de trabajo se realizan en cada
revolución del motor. En motores de dos tiempos en los que se realiza un
ciclo de trabajo en cada vuelta del cigüeñal este índice toma valor 1, y en
motores de cuatro tiempos, en los que se realiza un ciclo de trabajo por cada
dos vueltas del cigüeñal este índice toma valor 0.5.
La presión media indicada de un motor se define como la presión que habría
que hacer de forma constante sobre la cara superior del pistón a lo largo de toda la
carrera para conseguir el mismo valor de potencia indicada que se obtiene como
resultado del ciclo completo de trabajo. Podría expresarse según la siguiente
ecuación:
(Ecuación 10)
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Figura 14. Presión media efectiva [GRAM].
La mayor parte de la presión indicada que actúa sobre el cilindro se
transforma en energía cinética provocando el giro del cigüeñal, pero una pequeña
fracción se disipa en rozamientos internos del motor y, por tanto, en pérdidas por
fricción de los distintos componentes. En concreto se disipa en la fricción en partes
móviles del motor como los pistones o el cigüeñal, la fricción debida al bombeo de
los gases y, en el caso de motores sobrealimentados, la fricción debida al arrastre del
compresor que introduce el aire a presión en el motor. Esta presión se denomina
presión media de pérdidas mecánicas.
Al restar esta presión de pérdidas a la presión media indicada obtenemos lo
que se conoce como presión media efectiva. Esta presión no tiene un sentido físico
concreto. Se trata de una variable matemática para poder definir la potencia efectiva
entregada por el motor en el cigüeñal según la siguiente ecuación.
(Ecuación 11)





Donde:
: Potencia efectiva.
: Cilindrada del motor.
: Presión media efectiva.
: Régimen de giro del motor en.
: Índice de tipo de ciclo.
32
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Estas pérdidas mecánicas determinan el denominado rendimiento mecánico
del motor, que se define mediante la siguiente ecuación.
(Ecuación 12)
Y por tanto se puede definir un nuevo rendimiento, el rendimiento efectivo,
como el producto del rendimiento mecánico y el rendimiento indicado definido
anteriormente
(Ecuación 13)
Por otra parte, el par motor en el cigüeñal será función de la potencia
efectiva y del régimen de giro.
(Ecuación 14)
Como puede observarse, el par motor es directamente proporcional a la
presión media efectiva y solamente depende del valor de esta variable, al tener la
cilindrada y el índice de tipo de ciclo valores constantes en todo momento.
Las condiciones básicas de funcionamiento de un motor de combustión
interna alternativo se pueden definir mediante las denominadas curvas de carga
parcial. Se trata de una gráfica en la que se representa el par efectivo entregado en
el cigüeñal frente al régimen de giro del motor. El límite superior de esta gráfica lo
representa la curva de plena carga, en la que el motor entrega el par máximo.
En esta misma gráfica se pueden representar las denominadas curvas de
isoconsumo o curvas de Willans en las que, a modo de mapa, se indican distintos
puntos de trabajo en los que el consumo específico de combustible toma valores
similares. El consumo específico de un motor representa la cantidad de combustible
necesaria para desarrollar la potencia requerida a un determinado régimen, y suele
medirse en g/kWh. Como la presión media efectiva es función únicamente del par
efectivo, podrá representarse indistintamente cualquiera de estas dos variables en el
eje de ordenadas de la gráfica.
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Figura 15. Curvas de isoconsumo del motor Volkswagen 2.0 TDI. Gráfica aportada por el
director del proyecto.
Una vez conocido el consumo específico en un punto determinado, sabiendo
la potencia desarrollada y la velocidad del vehículo, se puede obtener el consumo de
combustible necesario para que el vehículo cubra una determinada distancia.
Este consumo, expresado normalmente en litros por cada 100 kilómetros, se
calcula mediante un ensayo con un ciclo de conducción, y es el dato que cada
fabricante ofrece al público sobre cada uno de sus vehículos. Éste es el dato que se
tratará de obtener en las simulaciones llevadas a cabo en el desarrollo de este
proyecto.
En el ámbito anglosajón se sigue un proceso similar, con la diferencia de que
la variable utilizada para expresar el consumo de combustible mide la distancia
recorrida en millas cuando se emplea un galón de combustible.
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Capítulo 3. Construcción del
simulador
Este capítulo analiza los pasos seguidos en la construcción del simulador
empleado, y explica cómo se han implementado en el entorno de simulación los
conceptos teóricos presentados en el capítulo anterior. Puesto que no se trata del
objetivo de este proyecto, en este capítulo no se profundiza en el funcionamiento y
la utilización del software empleado, en este caso Matlab y Simulink. Sin embargo, a
la conclusión de este documento se incluirá un manual de usuario en el que se
detalla el uso de la herramienta desarrollada.
3.1 Consideraciones previas y entorno de
simulación
El propósito de la construcción de un simulador es el de poder evaluar el
consumo del vehículo frente a distintos ciclos de conducción sin tener que llevar a
cabo ensayos empíricos en un banco de pruebas. Sin embargo, esto no es una
impedimenta para que el mismo simulador pueda utilizarse en futuras aplicaciones
para evaluar el consumo frente a variaciones de otros parámetros distintos de las
velocidades y aceleraciones.
El simulador se ha construido siguiendo un proceso de simulación inversa, en
el cual se conoce el resultado de un proceso y se trata de llegar a las causas que lo
originan. En nuestro caso, el resultado de un ensayo de conducción de un vehículo es
el movimiento del propio vehículo, y la principal causa de dicho movimiento es el
combustible quemado en la cámara de combustión que origina el movimiento del
motor.
Ciclo de
conducción
•Velocidad
•Aceleración
•Tiempo
Vehículo
•Esfuerzos
resistentes
•Potencia
efectiva
Caja de
cambios
•Régimen
•Desarrollo
Motor
•Presión media
efectiva
•Consumo
específico
Consumo de
combustible
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Debido a la dificultad de calcular el consumo específico del motor mediante
fórmulas matemáticas, éste se obtendrá de las curvas de Willans introducidas en el
capítulo anterior. Las curvas de Willans de un motor aportan una gran cantidad de
datos sobre su funcionamiento, y los fabricantes no suelen revelarlas para no ofrecer
esta información a sus competidores. Por esta razón, el criterio principal en la
elección del vehículo ha sido que las curvas de isoconsumo del motor sean conocidas
conocidas. En concreto, el motor seleccionado pertenece al fabricante Volkswagen,
y sus características técnicas se presentan a continuación.
Figura 16. Datos técnicos del motor Volkswagen 2.0TDI 140 cv.
Las primeras versiones de este motor comenzaron a comercializarse en el
año 2004, por lo que puede considerarse un motor veterano en el mercado. A día de
hoy existen numerosos motores más avanzados tecnológicamente y en términos de
eficiencia. Sin embargo, al ser sus curvas de isconosumo desconocidas, no resultan
válidos para su utilización en el simulador. Las curvas de isoconsumo delmotor
seleccionador han sido aportadas por el director de este proyecto, D. Juan de
Norverto Moriñigo, gracias a su amplia experiencia en el sector de la automoción.
Estas curvas muestran únicamente una aproximación a los valores reales de
consumo específico en cada punto de funcionamiento. Para su implementación en el
entorno de simulación ha sido necesario introducir las curvas en forma de matriz,
por lo que se ha realizado una estimación de los valores exactos de cada punto a
partir de los valores aproximados conocidos, pues estos valores reales de consumo
específico se mantienen protegidos por cada fabricante. Un mayor desarrollo del
simulador que introdujese estos valores para aumentar su precisión implicaría el
involucramiento de los distintos fabricantes de la industria automovilística.
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El motor seleccionado presenta una ventaja adicional. Al igual que ocurre en
numerosos motores modernos, y fruto de las economías de escala, este motor se
puede encontrar incorporado en una gran variedad de turismos comercializados en
la Unión Europea bajo distintas marcas del grupo Volkswagen: Audi, Volkswagen,
Seat y Skoda. Esto permite que, con una serie de cambios mínimos en el simulador,
se puedan simular vehículos de diferentes características como pueden ser berlinas,
vehículos todocamino con tracción a las cuatro ruedas (SUV), monovolúmenes o
vehículos deportivos.
Para simplificar el número de simulaciones se ha escogido el segmento de los
vehículos compactos, por representar el segmento más vendido en un gran número
de países de la Eurozona en los últimos años [ICCT13] y, dentro de este segmento,
entre los vehículos que montan el motor seleccionado se ha escogido el Volkswagen
Golf, por ser el vehículo más vendido en la Unión Europea con un 3,5% de la cuota
de mercado [ICCT13]. Se ha tomado la versión con el motor seleccionado
previamente y caja de cambios manual, cuyos datos técnicos necesarios adicionales
a los del motor se encuentran recogidos en la siguiente figura.
Figura 17. Datos técnicos Volkswagen Golf con caja de cambios Manual
Otros datos necesarios para la simulación que no se encuentran reflejados en
los datos técnicos del vehículo, como el régimen y el consumo de combustible al
ralentí, se han obtenido de foros especializados en el modelo concreto ensayado,
aportados por usuarios reales del mismo.
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El simulador se ha elaborado mediante el programa informático Matlab y,
concretamente, con su aplicación Simulink. Además de resultar idónea para este tipo
de simulaciones en entornos dinámicos presenta una interfaz muy intuitiva, un
sistema de construcción del simulador muy sencillo, y la posibilidad de implementar
funciones escritas en lenguaje de programación Matlab así como datos extraídos de
ficheros Excel.
Precisamente por esta última razón, tanto los datos relativos al vehículo - la
masa, el coeficiente de penetración aerodinámica o las relaciones de cambio - como
los datos relativos a las condiciones de los ensayos - la densidad del aire o el régimen
en torno al cual se van a efectuar los cambios de marcha- se han almacenado en un
archivo Excel con el fin de poder efectuar cualquier cambio en el vehículo ensayado
o en las condiciones del ensayo de la forma más sencilla posible.
De igual manera, se han transformado las curvas de isoconsumo en un
archivo Excel, de forma que puedan ser introducidas en el entorno de Matlab en
forma de matriz y así sean accesibles por el simulador.
Figura 18. Curvas de isoconsumo en forma de matriz en formato Excel. Elaboración propia.
La construcción del simulador en la aplicación Simulink se realiza mediante
diagramas de bloques. Cada bloque representa una función matemática que puede
iniciar una señal nueva o modificar una señal existente para provocar una diferente a
la salida del mismo.
A su vez, el simulador se ha dividido en seis subsistemas. El primer
subsistema calcula los esfuerzos resistentes a los que se ve sometido el vehículo
durante el ciclo de conducción. El segundo subsistema calcula el régimen de giro del
motor basándose en la velocidad lineal que lleva el vehículo en cada momento y en
el “punto de cambio” establecido en las condiciones de simulación. El régimen es el
primer dato que se necesita introducir en la matriz de isoconsumo para conseguir el
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consumo específico. Debido a la naturaleza de los motores Diesel y al incremento de
su eficiencia a bajos regímenes y altos grados de carga, en el simulador se ha
estimado el régimen de cambio de marcha en torno a las 2100 revoluciones por
minuto, valor recomendado por los fabricantes para conseguir una mayor eficiencia
en el consumo de combustible. Por otra parte, el tercer subsistema se encarga de
calcular la potencia necesaria que debe ser proporcionada por el motor para vencer
esos esfuerzos resistentes y conseguir las velocidades y aceleraciones necesarias
para completar el ciclo de conducción. El cuarto subsistema, utilizando los valores
calculados de potencia efectiva y régimen de giro, calcula la presión media efectiva
del motor, segundo dato necesario para acceder a la matriz de isoconsumo. El quinto
subsistema se encarga de acceder a la matriz en la que se encuentran almacenadas
las curvas de isoconsumo para calcular el consumo específico en cada momento. Por
último, el sexto subsistema calcula la distancia recorrida y transforma el consumo
específico de combustible para conseguir el consumo medio de combustible en las
unidades deseadas de litros por cada 100 kilómetros recorridos.
El entorno de Simulink proporciona una cómoda inspección tanto de los
resultados de la simulación como de todos los procesos intermedios que se
desarrollan.
A continuación se muestra el funcionamiento del simulador así como los
pasos realizados en una simulación completa utilizando a modo de ejemplo la
simulación del ciclo NEDC. En el resto de simulaciones realizadas se han omitido los
pasos intermedios para mostrar únicamente el resultado final de la simulación.
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3.2. Primer subsistema. Esfuerzos resistentes al
avance.
Figura 19. Subsistema 1.
En esta fase de la simulación se introducen la velocidad y la aceleración que
debe llevar el vehículo en cada momento a partir del ciclo de conducción establecido
para el ensayo. Esto se hace mediante sendos bloques “Interpreted Matlab
Function” que, en función del tiempo, acceden a un valor determinado de los
vectores que contienen los datos de estas dos variables. Estos vectores se
encuentran almacenados en el espacio de trabajo de Matlab, llamado “Workspace”,
y en este caso han sido creados en un fichero Excel e introducidos en el entorno
Matlab mediante la función Import Data, aunque este paso puede ahorrarse creando
el vector de velocidades directamente en Matlab y, posteriormente, creando otro
vector con los valores de aceleración, que se corresponderían con la primera
derivada del vector velocidad.
El valor de la velocidad determina la fuerza aerodinámica de resistencia al
avance, cuya ecuación se almacena en el bloque “Faero”, a esta fuerza se le suma la
fuerza de resistencia a la rodadura en el bloque “Fr” que, como se explicó
anteriormente, puede aproximarse mediante una fuerza constante. A continuación,
en el bloque “Matlab Function” se evalúa el valor de la aceleración para estimar si a
estos esfuerzos resistentes hace falta sumar el término que tiene en cuenta la
aceleración del vehículo y de los elementos rotativos en su interior. Una vez
calculados todos los esfuerzos resistentes es posible determinar el valor de la fuerza
de tracción que debe desarrollar el vehículo para cumplir con las condiciones del
ciclo de conducción.
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Debido a la aleatoriedad de su influencia sobre el consumo de un vehículo, y
teniendo en cuenta la naturaleza de la orografía general de un gran número de
países europeos, no se ha tenido en cuenta la presencia de pendientes en los ciclos
de conducción.
En los instantes en los que el vehículo se encuentra decelerando se ha
supuesto que la fuerza de tracción necesaria es nula y, por tanto, se supone que el
consumo de combustible es cero mientras el motor se encuentre a regímenes de
giro superiores al de ralentí. Lo que ocurre en realidad es que esa fuerza de tracción
sería negativa, pero esto no influye en el consumo de combustible ya que
independientemente de que fuese negativa o nula el consumo sería el mismo e igual
a cero. Esta suposición sí que influye en instantes en los que la aceleración del
vehículo es negativa pero con un valor absoluto muy bajo, próximo a cero. En estos
casos, a pesar de que el vehículo se encuentra perdiendo velocidad, para limitar el
valor de esa deceleración la fuerza de tracción sería positiva y, por tanto, se estaría
produciendo un ligero consumo de combustible. Sin embargo, este consumo resulta
mucho menor que el necesario para acelerar el vehículo o mantener constante su
velocidad, por lo que se ha considerado despreciable en las simulaciones.
Figura 20. Fuerza de tracción respecto del tiempo
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Al comparar esta gráfica con el perfil de velocidades del ciclo NEDC puede
observarse que los valores de la fuerza de tracción necesarios en fases de
aceleración del vehículo son significativamente mayores que los valores de fuerza de
tracción en fases de velocidad constante, y en algunos casos la fuerza debida a la
aceleración supone aproximadamente el 90% de la fuerza total necesaria para
vencer los esfuerzos resistentes.
3.3. Segundo subsistema. Régimen de giro.
Figura 21. Subsistema 2.
Esta fase trabaja en paralelo con el subsistema anterior. Conociendo la
velocidad lineal como dato del ciclo de conducción, se introducen los desarrollos de
la caja de cambios del vehículo y el modo de conducción utilizado mediante bloques
de funciones constantes que almacenan cada uno una variable declarada en el
Workspace. Estas variables a su vez se han importado de una serie de ficheros Excel
en los que se almacenan las características técnicas del vehículo así como las
variables relativas a las condiciones del ensayo. El bloque “Matlab Function1” evalúa
la marcha necesaria en función de la velocidad lineal, teniendo en cuenta que
siempre hay que cambiar de marcha en un entorno próximo al determinado por la
variable “modo_conduccion”. En este proyecto se han estimado los cambios de
marcha en unos regímenes próximos a las 2100 rpm y se ha añadido una
característica aleatoria que adelanta o retrasa ligeramente los cambios de marcha
para tratar de replicar un comportamiento cercano a la realidad.
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Una vez determinada la marcha en la que se encuentra el vehículo,
dividiendo la velocidad lineal entre su desarrollo se procede al cálculo del régimen.
Adicionalmente es necesario asegurar que el régimen nunca disminuye por debajo
del ralentí, valor que también se obtiene de las características del vehículo.
Figura 22. Régimen de giro del motor respecto del tiempo.
En la figura 22 se observa cómo el motor se encuentra la mayor parte del
tiempo en los regímenes en los que aporta su mayor rendimiento, entre 1400 y 2100
revoluciones por minuto. También puede observarse el punto de cambio de marcha,
siempre en torno a las 2100 rpm excepto en los últimos instantes del ciclo, que se
identifican con las mayores velocidades y en los que el vehículo se encuentra en su
marcha más larga y no puede efectuar un cambio. Por último, se observa que el
límite inferior del régimen se sitúa en el valor del ralentí, que para el Volkswagen
Golf 2.0TDI se encuentra en unas 810 rpm.
3.4. Tercer subsistema. Potencia efectiva.
Figura 23. Subsistema 3.
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En esta fase se recoge el resultado del subsistema 1 que, combinado con la
velocidad lineal del vehículo, realizando los cambios de unidades necesarios y
teniendo en cuenta las pérdidas de potencia en el tren de transmisión, da como
resultado la potencia efectiva que debe entregar el motor en cada momento en el
cigüeñal para efectuar correctamente el ciclo de conducción.
Figura 24. Potencia efectiva entregada frente a tiempo.
La figura 24 muestra el resultado del subsistema 3, la potencia efectiva
entregada en el cigüeñal. Puede observarse que la potencia demandada al motor
toma valores muy inferiores a los de potencia máxima del motor, que en el caso del
vehículo ensayado se sitúa en 103 kW. Es normal que en un ciclo de conducción no
se alcance la potencia máxima de un vehículo, pues ésta suele darse a velocidades a
las que no está permitido circular legalmente por la vía pública.
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3.5. Cuarto subsistema. Presión media efectiva.
Figura 25. Subsistema 4.
En esta fase se toman los resultados de los subsistemas 2 y 3. También se
introduce desde el Workspace la cilindrada del vehículo, y se tiene en cuenta el
índice de tipo de ciclo que, al ser el motor de cuatro tiempos, toma un valor de 0,5.
Tras aplicar la Ecuación 11 se obtiene el valor de la presión media efectiva. Para
poder introducirse correctamente en la matriz de consumo específico del motor, la
presión media efectiva se debe expresar en unidades de Bar.
Figura 26. Presión media efectiva respecto del tiempo.
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Como puede observarse en la figura 26, al igual que la potencia efectiva la
presión media efectiva se encuentra siempre en valores inferiores a los de presión
máxima en el ensayo con el ciclo NEDC. Este valor de presión máxima equivaldría al
par máximo del motor. En las curvas de isoconsumo del motor utilizado en la
simulación puede comprobarse que la presión media efectiva máxima admisible se
sitúa en torno a los 20 bar.
3.6. Quinto subsistema. Consumo específico de
combustible.
Figura 27. Subsistema 5
En este subsistema se introducen las dos variables necesarias para acceder a
la matriz en la que se encuentran almacenados los valores de consumo específico y
que han sido calculadas en los subsistemas 2 y 4. Antes de acceder a la matriz es
necesario transformar los valores de régimen y presión media efectiva de forma que
indiquen los números de fila y columna a los que se quiere acceder.
Cabe destacar la presencia de bloques “round” y “saturation”, necesarios
para que el valor introducido como índice de la dimensión de la matriz a la que se
quiere acceder tenga forma de entero y se encuentren entre los valores que puede
ofrecer el motor. Por ello, en cada simulación es necesario comprobar que las
variables de presión media efectiva y régimen se encuentran entre los valores
admisibles por el motor.
Analizando la figura 27 se observa que la presión media efectiva se encuentra
en todo momento entre 0 y 12 bar y, como el rango admisible del motor comprende
desde 0 hasta 20 bar la simulación puede llevarse a cabo correctamente.
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Figura 28. Consumo específico respecto del tiempo.
La figura 28 muestra cómo el consumo específico del combustible se sitúa la
mayor parte del tiempo en sus valores más altos entre 270 g/kWh y 300 g/kWh. La
principal causa de esto es el bajo grado de carga de trabajo del motor, pues ya se ha
observado que el régimen suele encontrarse entre los valores más favorables para la
eficiencia. La aplicación de bajos grados de carga produce un efecto muy
desfavorable en el consumo específico en motores diesel.
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3.7. Sexto subsistema. Consumo medio de
combustible.
Figura 29. Subsistema 6.
Los resultados obtenidos en el subsistema 5 muestran el consumo del
vehículo en cada instante de tiempo aunque, como ya se ha indicado previamente,
en las fases de deceleración el consumo del vehículo se ha estimado como nulo.
Además, en las fases en las que el vehículo se encuentra parado y la potencia
necesaria en las ruedas es nula, como el vehículo utilizado no incorpora un sistema
de Start&Stop que detendría el motor automáticamente, hay que tener en cuenta el
consumo necesario para mantenerlo a régimen de ralentí. Por estas razones, es
necesario especificar en qué momentos hay que tener en cuenta el consumo de
combustible indicado por las ecuaciones y en cuáles no.
Para ello, el primer paso que se toma en el subsistema 6 es transformar el
consumo de combustible para expresarlo en unidades de litros consumidos por hora.
Hecho esto, mediante dos bloques “Switch” se regula el valor que se debe tomar de
consumo entre cero en instantes de aceleración negativa, el consumo al ralentí en
instantes de velocidad nula y el consumo proporcionado por las ecuaciones.
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Figura 30. Consumo expresado en l/h respecto del tiempo. Aceleración respecto del tiempo.
La figura 30 representa los distintos valores de consumo de combustible en
función del tiempo. Nótese cómo el consumo - representado por la gráfica verde toma valor nulo cuando la aceleración - representada por la gráfica rosa- toma
valores negativos.
Una vez determinado el consumo en litros por hora en cada instante de
tiempo, integrando esta señal y dividiendo por el tiempo invertido para realizar el
ciclo de conducción y la distancia recorrida es posible calcular el consumo de
combustible en litros por cada 100 km recorridos, unidad utilizada en la industria
automovilística para determinar el consumo de combustible.
Figura 31. Consumo medio de combustible expresado en l/100 km respecto del tiempo.
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La figura 31 muestra la evolución del consumo medio a lo largo del ciclo de
conducción. El resultado final de esta variable será el utilizado para evaluar el
correcto funcionamiento del simulador y determinar la validez del ciclo de
conducción propuesto.
Para poder evaluar el funcionamiento del simulador bajo condiciones
diferentes a las de los ensayos NEDC es necesario comprobar previamente que los
resultados ofrecidos van a ser veraces. Para ello, la primera simulación que hay que
realizar es la del propio ciclo NEDC. Los resultados teóricos de esta simulación son
conocidos, pues son los anunciados por el fabricante en la documentación de sus
vehículos. El ciclo NEDC consta de dos fases. La primera trata de representar la
circulación en un entorno urbano y la segunda en un entorno extraurbano. La tabla 2
muestra los resultados de la simulación combinada de ambas fases del ciclo NEDC
realizada en el capítulo anterior en comparación con los resultados oficiales del test
NEDC.
Vehículo
Resultado del test NEDC
Resultado de la
simulación del ciclo NEDC
Volkswagen Golf 2.0 TDI
140 cv 6V (manual)
5,3 l/100km
5,39 l/100km
Tabla 2. Resultados de los ensayos realizados con el ciclo NEDC.
Por lo tanto, se puede afirmar que los resultados de las simulaciones son
representativos de la realidad, al tener éstos un error inferior al 3%. Hay que tener
en cuenta que en la elaboración del simulador se han tomado numerosas
aproximaciones para simplificar los cálculos o por ser variables dependientes de
parámetros desconocidos del vehículo que se deban estimar, como el momento de
inercia de los elementos rotativos del motor. Concretamente, las aproximaciones
tomadas provocan en general un ligero descenso del consumo del vehículo, por lo
que la desviación real del consumo respecto de los resultados ofrecidos por el ciclo
NEDC será ligeramente superior.
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Capítulo 4. Desarrollo del ciclo de
conducción.
En este capítulo se procede a la construcción del ciclo de conducción
alternativo al NEDC, para lo cual es necesario tener en cuenta una serie de
características de la conducción que se pretende representar así como la solución a
las deficiencias mostradas por el ciclo NEDC, presentadas en el Capítulo 1.
4.1. Medidas experimentales.
Para la determinación de un nuevo ciclo de conducción más representativo
de la realidad que el NEDC se han llevado a cabo mediciones experimentales de
velocidades y aceleraciones en un vehículo en diferentes escenarios. Para ello, se ha
utilizado un software de rastreo por GPS y se ha circulado en carretera abierta por
distintas zonas geográficas. Estas mediciones se han separado en tres categorías.

Urbano: Circulación por ciudad. Las velocidades han sido inferiores a 50
km/h. Se ha prestado especial atención a los tiempos de parada del
vehículo debidos fundamentalmente a congestiones de tráfico y a cruces
de vías regulados por semáforos u otros elementos de gestión de la
prioridad.

Interurbano: Circulación por carreteras secundarias de la red de
carreteras. En este caso la velocidad se ha mantenido entre los 60 km/h y
los 100 km/h. Se trata de una circulación con grandes cambios de
velocidad en cortos períodos de tiempo, que representan la realización
de adelantamientos o la adecuación de la velocidad del vehículo a las
características de las carreteras y de la circulación, especialmente debidos
a la reducción de la velocidad en curvas pronunciadas o a la presencia de
vehículos más lentos en el trazado.

Autopista: Circulación por la red de autopistas y autovías. Se ha circulado
a velocidades comprendidas entre 100 km/h y 130 km/h. A pesar de que
el límite de velocidad establecido en autopistas y autovías españolas es
de 120 km/h, debido a que este ciclo de conducción debe ser válido en el
ámbito de la Unión Europea en su totalidad, se ha establecido el límite de
velocidad en 130 km/h para representar la circulación en parte de la red
de autopistas y autovías europea que aplica este límite.
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Se han realizado cinco medidas en cada una de las categorías en distintos
puntos de la geografía española y variando el conductor para evitar que las
características de la conducción de cada individuo supongan una variación
significativa de los datos tomados.
A continuación se muestran los registros de una de las medidas tomadas en
cada una de las categorías mencionadas.
Figura 32. Perfil de velocidades en entorno urbano.
Figura 33. Perfil de velocidades en circulación por la red de carreteras secundarias.
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Figura 34. Perfil de velocidades en circulación por la red de autopistas y autovías.
4.2. Ciclo propuesto como alternativa al NEDC
Debido a la dificultad de replicar estos datos de circulación en los ensayos es
necesario convertir estos ciclos de conducción a otros más adecuados para su
programación en un banco de pruebas. Para ello, se ha llevado a cabo un análisis
estadístico sobre los tiempos en los que el vehículo circula a las distintas
velocidades, así como las aceleraciones medias y el tiempo que el vehículo
permanece parado.
De igual forma, se ha llevado a cabo una ponderación de la importancia de
cada una de las fases en el ciclo de conducción completo para poder calcular el
consumo medio del vehículo adicionalmente a los consumos de cada una de las
fases. Este consumo medio ofrece una buena aproximación del rendimiento del
vehículo en términos de consumo de combustible y emisiones de gases.
Una vez procesada la información de las medidas de conducción y
establecida la ponderación de cada fase se obtiene el ciclo de conducción propuesto
como alternativa al ciclo NEDC.
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Figura 35. Ciclo de conducción propuesto alternativo al NEDC.
En la elaboración de este ciclo de conducción se ha prestado especial interés
a la solución de las deficiencias identificadas en el ciclo NEDC en el capítulo 1. Por
ello, se ha reducido el número de repeticiones del mismo ciclo en la fase urbana, se
ha aumentado la importancia del ciclo interurbano en la combinación de las tres
fases y se ha aumentado la velocidad máxima de circulación hasta los 130 km/h,
pero aportando una mayor repercusión a la circulación a 120 km/h.
4.3. Simulaciones realizadas con el ciclo
propuesto.
Se han realizado por separado las simulaciones correspondientes a cada una
de las tres fases del ciclo de conducción propuesto, así como una simulación del ciclo
completo. Cada una de las fases del ciclo propuesto se ha realizado de forma que los
resultados ofrecidos por el simulador se acerquen, en la medida de lo posible, a los
de las simulaciones basadas en las medidas experimentales.
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A continuación se muestran los resultados de las simulaciones realizadas:
4.3.1. Circulación urbana
Consumo medido en
el test NEDC
7,1 l/100km
Consumo simulado en las
medidas experimentales
Consumo simulado en el ciclo
de conducción propuesto
7,02 l/100km
7,18 l/100 km
Tabla 3. Resultados de simulaciones en circulación urbana.
En circulación urbana se observa que los resultados de las simulaciones se
asemejan al resultado homologado del ciclo NEDC, por lo que puede considerarse
que en esta fase el ciclo NEDC supondría una buena aproximación al
comportamiento real del vehículo.
4.3.2 Circulación por carreteras secundarias.
Consumo medido en
el test NEDC
4,5 l/100km
Consumo simulado en las
medidas experimentales
6,48 l/100km
Consumo simulado en el ciclo
de conducción propuesto
6,67 l/100 km
Tabla 4. Resultados de simulaciones en circulación por carreteras secundarias
En circulación por carretera secundaria se ha tomado como resultado del
ciclo NEDC el correspondiente a la parte extra-urbana. En comparación con las
simulaciones realizadas sobre las medidas reales, el consumo declarado por el ciclo
NEDC es un 30% más bajo. Debido a esto, se puede afirmar el ciclo NEDC no se ajusta
correctamente a la realidad en esta fase de la circulación. Por otra parte, el ciclo
propuesto devuelve una medida de consumo mucho más semejante a la declarada
por la simulación de las medidas experimentales, con un valor aproximadamente un
3% superior.
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4.3.3. Circulación por autopista
Consumo medido en
el test NEDC
4,5 l/100km
Consumo simulado en las
medidas experimentales
Consumo simulado en el ciclo
de conducción propuesto
5,64 l/100km
5,87 l/100 km
Tabla 5. Resultados de simulaciones en circulación por autopista.
En circulación por autopista las velocidades, a pesar de ser superiores en
general, son más estables y las aceleraciones más bajas que en el caso anterior, por
lo que es razonable que el consumo sea ligeramente inferior. Sin embargo, al igual
que ocurría en circulación por carreteras secundarias, el consumo declarado por el
ciclo NEDC es bastante menor que el conseguido en la simulación en condiciones
reales, con un valor un 20% inferior. En cambio, el ciclo propuesto aporta unos datos
de consumos más ajustados a los reales, ligeramente superiores pero con un margen
inferior al 5%.
4.3.4. Ciclo de conducción completo
Consumo medido en
el test NEDC
5,3 l/100km
Consumo simulado en las
medidas experimentales
6,21 l/100km
Consumo simulado en el ciclo
de conducción propuesto
6,12 l/100 km
Tabla 6. Resultados de simulaciones del ciclo de conducción completo.
Por tanto, según el ciclo de conducción propuesto, para el Volkswagen Golf
2.0 TDI se debería declarar un consumo de 6,12 l/100km, valor un 16% superior al
consumo de 5,3 l/100km anunciado por el fabricante y medido según el ciclo NEDC.
A pesar de que en las anteriores simulaciones del ciclo de conducción
propuesto se obtenían unos consumos siempre ligeramente superiores a los
simulados con las medidas experimentales, en esta última simulación se ha obtenido
un consumo ligeramente inferior, aunque muy próximo de igual manera. Esto es
debido a que en última instancia se ha optado por incrementar ligeramente la
ponderación de la fase de circulación por autopista, lo que evidentemente provoca
un leve descenso del consumo medio.
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4.4. Comprobación de los resultados obtenidos
en las simulaciones.
A pesar de que ya se ha comprobado que el simulador consta de la precisión
necesaria, es necesario comprobar que el ciclo de conducción propuesto finalmente
aporta unos resultados que, además de ser precisos, se corresponden con la
realidad. Para ello se ha recurrido a la base de datos on-line Spritmonitor en la que
usuarios de distintos países, fundamentalmente de la Unión Europea, publican los
consumos que registran sus vehículos. A continuación se muestran los datos
aportados por los usuarios del vehículo utilizado en las simulaciones:
Figura 36. Consumos de combustible reales medidos por usuarios anónimos.
Los usuarios que aportan estas cifras de consumo presentan características
muy diferentes, ya sea por pertenecer a zonas geográficas distintas, tener hábitos de
conducción propios o utilizar sus vehículos con propósitos distintos, lo que afecta
fundamentalmente a la ponderación entre circulación urbana/interurbana. Como
consecuencia, el valor medio de estos datos, que como puede observarse se agrupan
siguiendo la forma de una distribución normal, puede considerarse un valor
representativo del consumo medio real del vehículo ensayado.
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Hay que tener en cuenta que estas medidas también pueden desviarse
ligeramente de la realidad. A pesar de existir un alto número de usuarios del
vehículo utilizado a lo largo de todo este proyecto, lo que aporta precisión al dato de
consumo medio, es necesario considerar que el consumo se ve afectado en gran
medida por el modo de conducción de cada individuo y los usuarios de este tipo de
bases de datos suelen caracterizarse por practicar una conducción económica, lo que
provocaría que el consumo medio real de la totalidad de usuarios del modelo
ensayado se situase ligeramente por encima del declarado en la base de datos,
aunque este siga suponiendo una buena aproximación.
Por tanto, la similitud entre los datos ofrecidos por el ciclo de conducción
propuesto y los datos obtenidos de conducción real permiten afirmar que el ciclo de
conducción propuesto resulta adecuado para indicar el consumo medio de un
vehículo con un error muy inferior al consumo ofrecido por el ciclo NEDC.
A su vez se han llevado a cabo simulaciones utilizando diferentes vehículos,
teniendo en cuenta que debe de tratarse de vehículos que utilicen el mismo motor
Volkswagen utilizado debido a la necesidad de conocer las curvas de isoconsumo. La
tabla 7 muestra un resumen de los resultados de estas simulaciones en comparación
con los datos ofrecidos por el test NEDC y los valores registrados en la base de datos
de consumos.
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 7. Comparación de consumos medidos según los distintos métodos en vehículos
diferentes.
Como puede observarse en los resultados ofrecidos por el simulador, los
ensayos realizados con el ciclo de conducción propuesto consiguen unos consumos
mucho más cercanos a los determinados mediante los ensayos con el ciclo NEDC.
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Capítulo 5. Conclusiones
En este capítulo se van a analizar las distintas conclusiones que surgen de los
trabajos realizados, separándolas en dos grupos: conclusiones sobre la metodología
utilizada y conclusiones sobre los resultados obtenidos.
5.1. Conclusiones sobre la metodología
La evaluación de la eficiencia es un procedimiento fundamental en el diseño
y desarrollo de un vehículo. En la actualidad, esta evaluación suele llevarse a cabo
mediante modelos matemáticos y simulaciones. Desde los primeros pasos en el
desarrollo de un vehículo moderno uno de los principales objetivos que se imponen
es la minimización del consumo de combustible y la reducción de emisiones, por lo
que la determinación de modelos analíticos que permitan una predicción precisa del
consumo de combustible es un procedimiento de gran importancia en este tipo de
proyectos.
La principal razón de escoger la elaboración de un modelo matemático del
comportamiento del vehículo y su implementación en un simulador frente a la
determinación empírica de los resultados en un banco de ensayos de vehículos es la
flexibilidad y la eficiencia que se consiguen en los ensayos al tener bajo control cada
una de las variables que interfieren en la determinación de los resultados. Además,
la utilización del material necesario para realizar ensayos empíricos, como el banco
de rodillos o el vehículo o vehículos utilizados, supondría un gran aumento en el
presupuesto necesario para la elaboración del proyecto y en el número de horas
dedicadas al mismo.
Una vez determinado y simulado el ciclo de conducción propuesto como
alternativa al NEDC, el siguiente paso sería aplicar ese ciclo de conducción a ensayos
reales, midiendo el consumo de combustible y las emisiones exactas de un vehículo.
Esta fase se deja para futuros desarrollos del proyecto.
Sin embargo, durante la determinación del ciclo de conducción sí que ha sido
necesaria la realización de ensayos empíricos en circulación por la red de carreteras
abierta al tráfico. En el funcionamiento de un vehículo intervienen una serie de
variables que, como ya se ha demostrado, son fácilmente identificables y
controlables. Por otra parte, la evaluación de las condiciones de circulación resulta
mucho más compleja al intervenir un gran número de factores que, debido a su
aleatoriedad, dificultan en gran medida la elaboración de un modelo matemático
válido para su implementación en un simulador, como pueden ser las características
de otros vehículos y conductores, las condiciones climatológicas o el estado y
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características de las carreteras. Por esta razón ha sido necesario llevar a cabo una
serie de medidas experimentales, teniendo en cuenta que sus resultados se deben
de poder introducir en el modelo matemático para incluirlos en las simulaciones.
El método utilizado, que ha consistido en el empleo de un software de
rastreo por GPS aplicado a un vehículo en circulación por la red de carreteras
española resulta adecuado para obtener los datos de circulación necesarios y,
además, ofrece la posibilidad de exportar estos datos de forma que sean
eficazmente implementados en el entorno de simulación.
Por tanto, puede establecerse que la metodología utilizada para el desarrollo
del proyecto ha resultado adecuada, no solamente por la precisión aportada en los
datos sino también por la flexibilidad y el ahorro tanto en tiempo como en
presupuesto que supone su uso.
5.2. Conclusiones sobre los resultados
Además de representar una versión adecuada para la realización de ensayos
de las medidas realizadas en circulación abierta al tráfico, el ciclo de conducción
propuesto trata de cubrir las deficiencias identificadas en el ciclo NEDC, que son las
principales responsables del error existente entre los resultados de dicho ciclo de
conducción y la conducción real.
El primer cambio tomado sobre el ciclo NEDC es el de separar la fase
denominada como “extra-urbana” en dos fases independientes, una representativa
de la circulación en autopistas y autovías y otra representativa de la circulación en
carreteras secundarias. Si bien no existe una gran diferencia en las velocidades a las
que se suele circular en estos dos tipos de vías, sí se percibe una gran variación en
las características de la circulación, que suelen ser más estables en conducción por
autopista y autovía y mucho más variables en circulación por carreteras secundarias,
en las que se depende en mayor medida de las condiciones de tráfico, las
características de la vía y las actuaciones de otros conductores.
La segunda medida tomada ha sido el aumento de la velocidad máxima y del
tiempo permanecido a esa velocidad en la fase de conducción por autopista y
autovía del ciclo de conducción propuesto. Gran parte de la circulación en los
distintos países de la Unión Europea se realiza por la red de autopistas y autovías,
suponiendo una fracción importante del consumo de combustible en vehículos
ligeros. Por ello, se ha considerado aumentar la importancia de esta fase en el ciclo
de conducción propuesto frente a la que tiene actualmente en el ciclo NEDC.
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Por último, para evitar la optimización del rendimiento de los motores a las
velocidades y aceleraciones a las que se realiza el ciclo por parte de los fabricantes
para obtener unas cifras homologadas que les resulten ventajosas, se ha cambiado la
fase urbana del ciclo de conducción para que, en lugar de realizar cuatro
repeticiones del mismo perfil de velocidades, se realicen solo dos. Este cambio no
supone un gran efecto en el consumo medio porque, tal y como se ha mostrado en
el capítulo anterior, la fase urbana del ciclo NEDC sí que suponía una buena
aproximación de la circulación real en dicho entorno.
La figura 37 muestra una representación de las simulaciones realizadas sobre
distintos vehículos en el capítulo anterior.
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
Consumo declarado por el
ciclo NEDC [l/100km]
Consumo real registrado
[l/100 km]
Consumo simulado
mediante el ciclo propuesto
[l/100 km]
Figura 37. Comparación de consumos medidos según los distintos métodos en vehículos
diferentes.
El ciclo NEDC aporta una buena indicación del consumo relativo entre
distintos vehículos, pues sigue la misma tendencia que los valores de consumo real
con márgenes de error inferiores al 5% del valor del consumo medio. Sin embargo,
los valores de consumo del ciclo NEDC son, para cada uno de los vehículos tenidos
en cuenta, entre un 15% y un 25% inferiores a los de consumo real.
Por otra parte, existe un gran número de factores externos al vehículo que
influyen en gran medida en el consumo de combustible y sin embargo no se están
teniendo en cuenta en las simulaciones, por lo que los resultados obtenidos no
coincidirán necesariamente con el consumo de combustible real de cada usuario
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individual de un vehículo. Entre estos factores se pueden considerar la climatología,
la altitud respecto al nivel del mar a la que se realiza la conducción, el consumo
eléctrico del vehículo debido a equipamientos auxiliares o el estilo de conducción de
cada usuario individual. Además, es necesario recordar que los valores aportados
por el simulador son algo inferiores a los teóricos, por lo que cabría suponer que la
gráfica indicadora del consumo mediante el ciclo propuesto debería situarse en una
posición ligeramente superior.
Sin embargo, el ciclo de conducción propuesto sí que aporta una información
mucho más precisa y cercana a la realidad sobre el consumo de un vehículo que el
ciclo NEDC, lo que certifica el cumplimiento del objetivo principal propuesto en este
proyecto.
Con lo expuesto anteriormente, se da por concluido este proyecto
habiéndose cumplido los objetivos fijados al inicio del mismo. Se ha realizado el
modelo de simulación del comportamiento de un vehículo y se ha comprobado
satisfactoriamente su funcionamiento mediante la simulación del ciclo NEDC, se ha
diseñado un ciclo de conducción alternativo basándose en mediciones empíricas de
características de circulación realizadas en carretera abierta y se ha simulado una
serie de ensayos utilizando dicho ciclo de conducción alternativo, en los que se ha
obtenido un conjunto de resultados que garantizan el correcto funcionamiento del
ciclo de conducción propuesto y lo sitúan como una alternativa válida al ciclo NEDC.
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Capítulo 6. Recomendaciones para
futuros desarrollos
En este capítulo se recogen los posibles desarrollos que se podrían llevar a
cabo para la mejora de este proyecto, tanto mediante la imposición de nuevos
objetivos como mediante la ampliación de los ya existentes. Los futuros desarrollos
de este proyecto pueden seguir dos vertientes diferentes. Por una parte, puede
desarrollarse el simulador construido para mejorar su rendimiento o para su
utilización en otras aplicaciones distintas del ensayo de ciclos de conducción. Por
otra parte, puede continuarse el desarrollo del ciclo de conducción propuesto para
perfeccionar su funcionamiento y aplicarlo en ensayos reales.
6.1. Ampliaciones sobre el simulador.
La principal mejora que se puede realizar en el simulador para incrementar
su precisión es la sustitución de las aproximaciones realizadas por cálculos exactos
de los parámetros necesarios en cada subsistema. Para ello, sería necesario el
conocimiento de datos adicionales del vehículo que no suelen estar disponibles para
uso público, y a menudo únicamente los conoce el fabricante. Por tanto, para
mejorar la precisión de los resultados sería necesaria la colaboración del fabricante
del motor utilizado en los ensayos.
Por otra parte, como ya se introdujo en el apartado de desarrollo del
simulador, el vehículo utilizado podría considerarse obsoleto a día de hoy, pues se
trata de un modelo introducido en el mercado en el año 2004. En la última década se
ha producido un notable incremento de la eficiencia de los vehículos, fruto de una
gran inversión en investigación y desarrollo por parte de los fabricantes y una
normativa cada vez más exigente por parte de las administraciones en términos de
emisiones contaminantes en los países desarrollados.
Para poder utilizar el simulador en un considerable número de vehículos
comercializados en la actualidad sería necesario implantar estas innovaciones en el
entorno de simulación. Ejemplos de las medidas tomadas en los últimos años para
reducir el consumo de combustible y/o mejorar las prestaciones en un vehículo son:





Neumáticos de baja resistencia a la rodadura
Sistemas de recuperación de energía en la frenada
Sistemas de hibridación en los que el motor térmico es asistido por un motor
eléctrico.
Sistemas de gestión inteligente de la entrega de potencia en función del
modo de conducción seleccionado.
Aerodinámica activa.
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Estos cambios realizados sobre vehículos cuyo principal medio de propulsión
sea un motor de combustión interna alternativo podrían implementarse en el
simulador sin necesidad de realizar grandes modificaciones en su estructura. Sin
embargo, para poder realizar ensayos en la totalidad de vehículos comercializados
habría que tener en cuenta los cada vez más expandidos vehículos híbridos en serie y
los vehículos eléctricos puros. Para realizar ensayos en estos dos tipos de vehículos sí
que habría que llevar a cabo mayores cambios en el simulador, pues en estos casos
la potencia necesaria para mover las ruedas y, por tanto, el vehículo, no viene
directamente del cigüeñal de un motor de combustión interna, sino que proviene de
un motor eléctrico.
En los vehículos híbridos en paralelo existe un motor de combustión interna y
un motor eléctrico que trabajan conjuntamente. El motor de combustión funciona
de la misma forma que se ha analizado en este proyecto, y el motor eléctrico se
ocupa de aportar parte de la potencia de forma que el motor térmico tenga menos
trabajo. Estos vehículos suelen estar equipados con sistemas de recuperación de
energía en frenadas, encargados de cargar las baterías que alimentan al motor
eléctrico.
En los vehículos híbridos en serie existe de igual forma un motor de
combustión interna pero, en lugar de encargarse de accionar la transmisión y las
ruedas, se encarga de hacer girar un generador eléctrico que carga una serie de
baterías. Estas baterías alimentan a uno o varios motores eléctricos que son los que
provocan el giro de las ruedas. Estos vehículos además suelen ir acompañados de
sistemas de carga de las baterías mediante conexión a la red eléctrica.
En el caso de vehículos eléctricos puros el funcionamiento es similar, aunque
en este caso se carece de motor de combustión interna y la energía únicamente
proviene de la almacenada en las baterías.
El desarrollo del simulador para permitir la realización de ensayos en este
tipo de vehículos necesitaría la implantación de un nuevo subsistema que controlase
una nueva variable: la energía almacenada por las baterías. Además, puesto que no
tiene tanto sentido hablar de consumo de combustible en vehículos que pueden
circular sin necesidad de un motor térmico, sería más apropiado analizar la
autonomía que consigue el vehículo con las baterías completamente cargadas, así
como la energía almacenada en las baterías y la capacidad de recuperación de
energía en frenadas. Además, por ser uno de los grandes inconvenientes de los
vehículos eléctricos respecto a los convencionales, sería conveniente analizar el
tiempo necesario para la carga completa de las baterías.
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6.2. Ampliaciones sobre el ciclo de conducción.
De la misma forma que el desarrollo del simulador va encaminado a la
implantación de nuevas tecnologías de ahorro de combustible y alternativas a los
motores de combustión, un ciclo de conducción utilizado hoy en día deberá tener en
cuenta la realización de ensayos en vehículos no convencionales.
Si una vez realizado el ensayo se pretende comparar los resultados obtenidos
por un vehículo convencional con los obtenidos por un vehículo con métodos de
propulsión alternativos, habría que establecer las condiciones en las que se llevan a
cabo los ensayos en estos últimos de forma que la comparación resulte lo más
imparcial posible, como las condiciones de carga de las baterías en vehículos
híbridos al iniciarse el ciclo de conducción.
Por otra parte, puesto que el ciclo de conducción propuesto ha sido
elaborado únicamente con los datos de un solo motor, sería conveniente la
realización de ensayos similares con vehículos provenientes de distintos fabricantes
para comprobar el correcto funcionamiento del ciclo de conducción
independientemente del motor utilizado o efectuar las correcciones precisas.
A su vez, para poder comprobar la exactitud de los resultados con datos
empíricos es necesaria una de las siguientes estrategias:

Ampliación de la base de datos de consumos medidos en la realidad. Esto
hace posible la obtención de datos de un gran número de vehículos en
diversas zonas geográficas y bajo multitud de circunstancias diferentes, lo
que conlleva una gran precisión en la medida del consumo real de los
vehículos. Sin embargo, esta medida impide el control sobre las variables que
influyen en el consumo o el método utilizado para medir el consumo de
combustible, que dependen de cada usuario individual.

Monitorización del consumo de combustible en vehículos circulando por
carretera abierta. Consiste en realizar una serie de ensayos en distintos
puntos de la geografía europea en los que se mide el consumo de
combustible de los vehículos bajo condiciones normales de circulación
realizando pruebas de larga duración. Este método presenta la ventaja de
poder controlar cómo se mide el combustible y conocer las circunstancias
que rodean a cada test. Sin embargo, para conseguir unos resultados
representativos de la realidad y extrapolables al comportamiento del resto
de vehículos haría falta realizar un gran número de ensayos con distintos
vehículos y en diferentes condiciones, lo que conllevaría un considerable
incremento del presupuesto necesario para la elaboración del proyecto y del
tiempo invertido.
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Una vez terminada la fase virtual de los ensayos y la toma de medidas se
procede a la realización de los ensayos en un banco de rodillos. Para ello lo primero
es establecer las condiciones del ensayo, que deben cumplir con las dictaminadas
por la Directiva Europea de Regulación de Emisiones en Vehículos Ligeros. A
continuación se sitúa el vehículo en el banco de rodillos y se lleva a cabo el ciclo de
conducción establecido. El banco de ensayo debe ser capaz de replicar el
comportamiento en carretera abierta, ofreciendo un par resistente igual a los
esfuerzos de oposición al avance del vehículo y supliendo al vehículo del aire
necesario para circular a las velocidades del ciclo de conducción. Esto último suele
realizarse mediante la aplicación de una corriente de aire en el frontal del vehículo
con una velocidad igual a la velocidad lineal del mismo mediante un ventilador. El
método más adecuado para determinar el consumo de combustible exacto de un
automóvil es el análisis de los gases de escape, por lo que se deberán colocar sondas
de detección de gases en las salidas del escape del motor, así como los sensores
necesarios para controlar cada una de las variables que interfieren en el ensayo.
6.3. Ampliaciones auxiliares
En este apartado se recogen las ampliaciones sobre el proyecto que no están
relacionadas con el funcionamiento del simulador o con el desarrollo de los ciclos de
conducción. En concreto, se pretende construir una interfaz gráfica de forma que se
puedan realizar las principales funciones del simulador sin tener que intervenir en el
entorno de Simulink. La aplicación constaría de las siguientes unidades:

Vehículo: En esta etapa se accede a una base de datos que incluye los
vehículos comercializados en la Unión Europea con sus respectivos datos
necesarios para el desempeño de la simulación, como masa, coeficiente
aerodinámico, desarrollos etc. También existe la posibilidad de introducir
variaciones en estos datos de forma manual para analizar su influencia en el
consumo del vehículo.

Ensayo: En esta unidad se pueden seleccionar las condiciones en las que se
efectúa el ensayo. Se podrán seleccionar las condiciones estándar para este
tipo de ensayos u otras diferentes. Entre estas condiciones se encuentran:
o Carga del vehículo.
o Presión y temperatura del aire atmosférico, que determinan la
densidad.
o Modo de conducción. Determina el régimen en torno al cual se
efectúan los cambios de marcha.
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
Ciclo de conducción: En esta etapa el usuario puede crear un ciclo de
conducción según su criterio mediante la selección de los tiempos,
velocidades y aceleraciones en cada tramo. También es posible seleccionar
los ciclos de conducción almacenados, entre los que se encuentra el ciclo
propuesto en este proyecto, el ciclo NEDC y los principales ciclos de
conducción utilizados en otros países.
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Capítulo 7. Estudio económico
En este capítulo se va a abordar el presupuesto necesario para la consecución
de este proyecto. Se presenta un resumen de las tareas realizadas así como el
número de horas de dedicación a cada una de ellas. El presupuesto se conformará
principalmente por la retribución por hora de trabajo y la necesidad de cubrir los
gastos auxiliares que se derivan del desarrollo de este proyecto.
7.1. Documentación y tareas previas al desarrollo
del proyecto.
Tareas
Documentación relativa al funcionamiento de los
motores de combustión interna alternativos
Documentación relativa a la utilización del
software Matlab y Simulink
Número de horas
3
4
Documentación relativa a los ciclos de conducción
8
Realización de prácticas de Simulink
10
Adquisición del software de simulación necesario
2
Elaboración de la planificación del proyecto
2
Total Horas
29
Tabla 8. Reparto de horas de trabajo relativas a tareas previas y documentación sobre el
proyecto.
Como puede observarse la mayor parte de la carga de trabajo en los
instantes iniciales del desarrollo del proyecto es debida a la documentación sobre los
ciclos de conducción y el estado actual de la técnica y la familiarización con el
entorno de simulación.
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7.2. Construcción del simulador
Tarea
Número de horas
Selección del vehículo a utilizar
4
Recopilación de datos relativos al vehículo
2
Recopilación de datos relativos a las condiciones de los
ensayos
3
Elaboración del simulador
180
Calibración del simulador. Corrección de errores
20
Calibración del simulador. Comprobaciones de
funcionamiento
15
Total horas
224
Tabla 9. Reparto de horas de trabajo relativas a la construcción del simulador.
Como puede observarse, la construcción del simulador ha supuesto una de
las cargas de trabajo más importantes durante la realización del proyecto. El elevado
número de horas dedicadas a la elaboración del simulador es fruto del trabajo a
menudo realizado mediante prueba y error, que obliga frecuentemente a deshacer
parte del trabajo realizado, con el consiguiente aumento del tiempo invertido.
7.3. Medidas experimentales
Tarea
Número de
horas
Obtención de datos necesarios para la realización de las
medidas
3
Familiarización con el software de rastreo por GPS utilizado
2
Medidas efectuadas en circulación urbana
3
Medidas efectuadas en circulación por vías secundarias
4
Medidas efectuadas en circulación por autopistas y autovías
5
Procesamiento de datos experimentales. Obtención de los
perfiles de velocidades
Procesamiento de datos experimentales. Conversión a
formato admisible por el simulador
Total horas
3
5
25
Tabla 10. Reparto de horas de trabajo relativas a la obtención de medidas experimentales.
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En esta fase del desarrollo del proyecto, además de tener en cuenta las horas
invertidas en cada tarea al calcular posteriormente el presupuesto, es necesario
considerar los gastos derivados de la realización de las medidas en carretera abierta.
7.4. Simulaciones, desarrollo del ciclo
conducción y análisis de los resultados.
Tarea
Obtención de datos necesarios para la realización de las
simulaciones
Simulaciones basadas en las medidas tomadas
empíricamente
de
Número de
horas
2
5
Circulación urbana
3
Circulación por vías secundarias
3
Circulación por autopistas
3
Simulación del ciclo propuesto
5
Elaboración y análisis de los resultados
7
Elaboración de la memoria
60
Total horas
88
Tabla 11. Reparto de horas de trabajo relativas a la elaboración de las simulaciones, el
desarrollo del ciclo de conducción y el análisis de los resultados.
7.5. Resumen y presupuesto necesario
Esta última tabla muestra un resumen de los datos de los apartados
anteriores calculando el número total de horas invertidas en la elaboración de este
proyecto. Para calcular el presupuesto total del proyecto se han sumado los gastos
generales acometidos durante la realización del mismo y se han tenido en cuenta los
impuestos necesarios.
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Tarea
Número de horas
Documentación y tareas iniciales
29
Construcción del simulador
224
Medidas experimentales
25
Simulaciones, desarrollo del ciclo de
conducción y análisis de los resultados
88
Horas totales
366
Importe
20 €/h
Coste elaboración
7320€
Gastos acometidos en la toma de
medidas experimentales
40€
Coste antes de impuestos
7360€
IVA (21%)
1537,20€
Coste total
8897,20€
Tabla 12. Resumen y presupuesto necesario para la elaboración del proyecto.
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Bibliografía
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Parte 2. Anexos.
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Anexo 1. Manual de usuario
En este anexo se van a elaborar una serie de indicaciones para la debida
introducción de los datos necesarios en el entorno de simulación así como las pautas
necesarias para llevar a cabo correctamente las simulaciones de ciclos de
conducción.
1.1. Consideraciones previas e implantación de
datos en el entorno de simulación
El entorno de simulación se encuentra dividido en dos interfaces diferentes
pero conectadas entre sí: Matlab y Simulink. Para comenzar a utilizar el simulador lo
que hay que hacer es abrir el programa Matlab. En su interfaz principal se muestran
cuatro ventanas:

Current Folder: Muestra el fichero desde el que se están cargando los
distintos archivos que intervienen en los procesos que se lleven a cabo.
También es la carpeta en la que se guardan por defecto las funciones y
programas creados en Matlab. Es necesario seleccionar como Current Folder
la carpeta en la que se encuentre el archivo de Simulink que almacena el
simulador.

Workspace: En esta ventana se muestran todas las variables declaradas en
Matlab, sus valores y sus dimensiones.

Command Window: Es la ventana en la que se introducen las órdenes, se
llama a las funciones y se visualizan los resultados de Matlab.

Command history: Muestra una lista de los comandos utilizados en la
ventana Command Window según su orden de utilización.
En una simulación intervienen una serie de datos externos al entorno de
simulación que provienen de tres naturalezas diferentes:

Datos relativos al entorno del vehículo: Estos datos suelen tener forma de
constantes a lo largo del tiempo. Para que sean accesibles durante la
simulación pero pueda variarse su valor de forma sencilla, se ha construido el
simulador de forma que estos datos deban ser declarados en el entorno
Matlab y, por tanto, deberán aparecer en la ventana Workspace. Existen
muchas formas válidas de introducción de variables en el entorno Matlab.
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Para facilitar este proceso, se ha preparado una hoja Excel en la que se
almacenan todos estos datos relativos al vehículo y, mediante la función de
Matlab “Import Data”, situada en el menú home de la barra superior en la
interfaz principal, es posible importar todas estas variables simultáneamente
y almacenarlas en el Workspace. Para poder hacer esto correctamente es
necesario que el archivo Excel en el que se almacenan las variables se
encuentre guardado en la carpeta que esté designada como “Current
Folder”. Una vez abierto el archivo Excel hay que seleccionar las variables que
se quieren introducir en el entorno de Matlab y accionar el botón “Import
Selection”. Los datos del vehículo necesarios para llevar a cabo la simulación
son los siguientes:
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Masa.
Coeficiente de penetración aerodinámica.
Área frontal.
Desarrollos de todas las marchas excepto la marcha atrás.
Coeficiente inercial “km”.
Coeficiente de fricción en la rodadura.
Cilindrada.
Régimen de giro al ralentí.
Consumo de combustible al ralentí en litros por hora.
Rendimiento de la transmisión.
Curvas de isoconsumo. Este dato se importará de forma diferente,
puesto que se trata de una matriz en lugar de un valor constante.
Figura 38. Herramienta "Import Data".
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
Datos relativos a las condiciones de simulación. De la misma forma que en el
caso anterior, estos datos tienen forma de constante y su introducción en el
entorno de simulación se realiza de la misma manera que los anteriores,
mediante la función “Import Data” y un fichero Excel almacenado en el
Current Folder. Los datos necesarios son:
o
o
o
o
o
Aceleración de la gravedad.
Densidad del combustible.
Densidad del aire atmosférico.
Velocidad del viento en la dirección del eje longitudinal del vehículo.
Índice de tipo de ciclo (1 para motores de dos tiempos, 0.5 para
motores de cuatro tiempos).
o Modo de conducción. Régimen en torno al cual se realiza el cambio a
una marcha más larga en fases de aceleración.

Datos relativos al ciclo de conducción. Se trata de los perfiles de velocidades
y aceleraciones del ciclo de conducción en función del tiempo. Para un
manejo más sencillo de estos datos, también se han almacenado en un
archivo Excel en el que la primera fila representa la velocidad del vehículo y la
segunda la aceleración en cada momento. Para incorporarlos al entorno
Matlab se hace uso de la función “xlsread”, que lee e importa un rango de
datos concreto de un documento Excel determinado. Dicho documento Excel
también debe estar almacenado en el “Current Folder”. Existe otra forma de
implementar estos datos que ha sido la utilizada con el ciclo de conducción
propuesto. Como al fin y al cabo la velocidad y la aceleración del vehículo se
almacenan en el Workspace en forma de vector, se ha creado una función en
Matlab llamada “cyclecreator.m” que al recibir como argumentos las
velocidades y aceleraciones de distintos intervalos de tiempo devuelve un
vector con los valores de las velocidades y otro con los valores de las
aceleraciones.

Mención especial merecen las curvas de isoconsumo del motor ensayado.
También deben ser almacenadas en un fichero Excel e introducidas en el
Workspace en forma de matriz mediante la función “xlsread”, pero hay que
tener en cuenta las dimensiones de esta matriz para que posteriormente el
simulador pueda acceder correctamente a sus valores.
Una vez introducidos correctamente todos los datos necesarios para el
desarrollo de la simulación solamente hay que tener en cuenta el tiempo que dura el
ciclo de conducción seleccionado, pues será necesario indicar el momento en el que
se debe parar la simulación.
La siguiente figura muestra el aspecto que debería tener la ventana
“Workspace” antes de realizar la simulación.
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Figura 39. Workspace.
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1.2. Utilización del simulador.
Para abrir el simulador hay que seleccionar el archivo de Simulink en la
ventana “Current Folder” y presionar enter. En este momento se abre el entorno
Simulink, en el que se puede visualizar el simulador por completo.
Figura 40. Aspecto del entorno Simulink.
Antes de iniciar la simulación se debe especificar el tiempo límite en el que se
debe interrumpir, que deberá coincidir con el tiempo que dure el ciclo de
conducción. Esto se puede efectuar en la ventana “Simulation Stop Time”, situada en
la barra superior de la interfaz. También puede especificarse abriendo el menú
“Model Configuration Parameters”, también en la barra superior. Este menú permite
además modificar otros parámetros de la simulación, como el tiempo inicial.
Figura 41. Selección del tiempo máximo de simulación.
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Una vez establecido el tiempo se procede al inicio de la simulación. Para ello
hay que presionar el botón “Run” en la barra superior, tras lo cual el programa
procederá a la compilación del modelo y efectuará la simulación.
Figura 42. Botón Run.
Para la inspección de los resultados se ha dotado al modelo de numerosos
bloques “Scope” que, una vez terminada correctamente la simulación, haciendo
doble click sobre ellos muestran en forma de gráfica el valor que ha tomado la señal
de entrada en cada instante de tiempo. En la figura 43 se muestra una gráfica de
inspección de la variable que controla la fuerza de tracción necesaria.
Figura 43. Inspección de una variable mediante un bloque "Scope".
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También puede activarse la visualización de resultados sobre el mismo
modelo. Esto se hace seleccionando en el menú Simulation > Data Display > Toggle
Value Labels When Clicked. Hecho esto, al seleccionar cualquier bloque del modelo
aparecerá a su lado una etiqueta de color amarillo que mostrará el valor de la señal
de salida de dicho bloque en cada instante de tiempo, y el último valor tomado por
la señal permanecerá al término de la simulación.
Figura 44. Menú de inspección de datos.
Figura 45. Inspección de resultados mediante etiquetas.
En la figura 45 se muestra la inspección del resultado de consumo medio
mediante una etiqueta situada en el bloque cuya señal de salida se corresponda con
dicha variable.
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