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EFICIENCIA ENERGETICA DEL TREN MOTRIZ DE VEHICULOS PESADOS CON REDUCCION DE CO 2 M. Rafael-Morales 1, J. Cervantes de Gortari 2, A. Lozano Guzmán 3 1 Instituto Mexicano del Transporte, Km Querétaro Galindo Pedro Escobedo Qro., 76700, México, x Departamento de Termofluidos, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México Tel (52) , México, D.F., 04510, México 3 CICATA-IPN Unidad Querétaro, Cerro Blanco 141 Colinas del Cimatario, Querétaro, Qro, México Tel: Resumen La operación de vehículos pesados en México está afectada por el bajo rendimiento del motor respecto al consumo de combustible. No obstante la avanzada tecnología de la que se va disponiendo, el costo por tonelada transportada no ha disminuido de manera importante. En este trabajo se presenta una metodología para el análisis de la influencia que tiene la selección de los componentes del tren motriz en el consumo de combustible, la capacidad de ascenso en pendiente del vehículo respecto al peso de la carga transportada y en la emisión de CO2 al medio ambiente. Como ejemplo de la influencia de la adecuada selección del tren motriz, se presenta el caso de un autobús B2. El ejemplo considera las pruebas reales de desempeño del autobús B2 comparadas con el desempeño que se obtendría al emplear el tren motriz adecuado. El resultando obtenido fue una reducción de CO 2 de 43 toneladas por año para este autobús. Abstract Operation of heavy vehicles in Mexico is affected by poor performance of their engine s fuel consumption. In spite of the advanced technology integrated in the new vehicles, the cost per transported ton has not decreased significantly. This paper presents a methodology for analyzing the influence that powertrain component s selection has on the fuel consumption, the gradeability of the vehicle relative to the cargo weight and the emission of CO 2 to the environment. An example for a B2 bus is shown. The example was developed based on real performance tests compared with the optimal fuel economy achieved with a proper powertrain selection. Following the methodology presented for selecting the best powertrain for the B2 example, resulted on a 43 ton per year CO reduction for this bus. 2 Nomenclatura. a Altitud sobre el nivel del mar [m] C ll Circunferencia de la llanta [m] d Diámetro de la llanta [m] fa Factor de altitud G Capacidad de ascenso en pendiente (gradeability) [%] h Altura del vehículo [m] LSZV Límite superior de la zona verde nm, nb Coeficientes de ajuste para la potencia P Potencia del motor [hp] PBV Peso bruto vehicular del vehículo [kg] Pd Paso del diferencial P d Relación del diferencial. P e Potencia estimada [kw]. P r Potencia de reserva del motor [hp] P ra Potencia para vencer la resistencia aerodinámica [hp] P ri Potencia para vencer la resistencia de inercia [hp]. P rr Potencia para vencer la resistencia al rodamiento [hp] Pt1 Paso de la transmisión en la primera velocidad P u Relación de paso del último engrane de la transmisión. R cm Régimen de consumo mínimo de combustible del motor [RPM]. R ll Velocidad de rotación de la llanta [revoluciones/km] RPM Revoluciones por minuto del motor R r R te S T V a V r Factor de resistencia al rodamiento Relación total del conjunto de engranes Capacidad de arranque en pendiente (startability) [ %] Par de arranque del 800 RPM. Velocidad aparente del vehículo [km/h] Velocidad de circulación [km/h]. VSP Vehículo de servicio pesado w Ancho del vehículo [m] Introducción La compra de camiones o autobuses destinados al servicio pesado en México, se realiza en la mayoría de los casos sin considerar el desempeño que estos vehículos tendrán durante su operación, solo se considera su apariencia física o su presencia en el mercado. La selección del vehículo esta basada en aspectos comerciales y en experiencias previas con vehículos similares, sin considerar el tipo de operación a la que esta destinada la unidad. Lo anterior ha provocado que los vehículos tengan un desempeño deficiente durante su operación, debido principalmente a que no se considera la relación que existe entre cada uno de los elementos del tren motriz y cómo éstos afectan el desempeño de la unidad respecto al consumo de combustible, su capacidad de carga, así como la cantidad de emisiones de CO 2 que arrojan al medio ambiente. En México, de acuerdo con datos de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes SCT- [1] del parque vehicular nacional, más del 60% de los vehículos supera los 10 años de antigüedad por lo que su eficiencia energética es limitada, lo que implica, mayor consumo de combustibles y con esto un aumento de emisiones contaminantes [2]. De las cifras del consumo de combustible de los diferentes modos de transporte de los últimos cinco años [3], se observa que los vehículos de servicio pesado (VSP) tanto de carga como de pasajeros, representa el 26,3 % del total de Diesel consumido en el país. La importancia de esta cifra resalta, ya que esto representa el 12,5 % del total de la energía que se consume en México. De aquí se desprende, que las variaciones en el consumo de combustible que registren los VSP, pueden incidir de manera fundamental en la eficiencia energética del país. Por lo que para reducir el consumo de combustible en los VSP y por lo tanto disminuir la emisión de CO 2 al medio ambiente, es importante lograr una combinación adecuada de los componentes del tren motriz: motor, caja de velocidades, diferencial y tamaño de las llantas, que permitan el uso eficiente del combustible en el motor. La configuración del tren motriz es una tarea compleja, por lo que es necesario contar con un método de simulación que permita reducir el número de pruebas reales de operación de los vehículos ya que estas implican grandes costos en su realización. Los vehículos de servicio pesado (VSP) constituyen una fuente importante de ahorro de combustible y por lo tanto en la reducción de emisiones de CO 2, al lograr un uso eficiente del combustible. Estudios realizados en los Estados Unidos de Norteamérica [4], han reportado que los tractocamiones que utilizan Diesel contribuyen con aproximadamente el 7% de las emisiones de gases de efecto invernadero (GHG), con un 20% del ozono y aproximadamente el 50% del material particulado en las áreas urbanas. Así, en la última década se ha identificado una correlación clara entre el aumento de emisiones y el consumo de energía en el autotransporte. Por lo anterior, se diseñó y desarrolló un algoritmo de cómputo, que permite realizar la selección y evaluación del tren motriz, tanto para un vehículo nuevo como para un vehículo usado. Este programa esta constituido por bases de datos de los componentes del tren motriz que se comercializan en México. El algoritmo se concibió considerando la prueba real de desempeño a la que son sometidos los vehículos, esto es, cumplir con la capacidad de arranque y de ascenso en pendiente a una velocidad establecida y lograr la operación del motor dentro del régimen de uso eficiente de combustible [5]. Se presenta a manera de ejemplo el caso de un autobús B2 que fue utilizado en pruebas de campo para determinar su desempeño real. Con los datos obtenidos y analizados, se realizo la selección de los componentes del tren motriz del autobús B2, que permitan logar un uso eficiente del combustible en el motor y por lo tanto que se disminuyan las emisiones de CO 2 arrojadas al medio ambiente. Emisiones de los motores diesel Los principales contaminantes que surgen de la operación de un motor diesel, son dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO), material particulado (PM), óxidos de nitrógeno(nox), hidrocarburos no quemados (HC), dióxido de azufre (SO 2 ) y compuestos volátiles orgánicos (VOC). Los vehículos automotores son la fuente principal de algunos de estos contaminantes en las emisiones totales de los países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), con un 89% para el CO, 52% para los NOx y 44% para los VOC [6]. En particular los VSP son los principales emisores de los NOx, a pesar de su poca participación en la población total de vehículos (alrededor de 5%). Constituyen además la fuente principal de emisión de partículas provenientes de los motores Diesel. Una medida que permite mejorar la operación de los motores Diesel, es analizar el comportamiento de los elementos del tren motriz de los VSP, para utilizar el motor en su régimen de mínimo consumo especifico de combustible (MCEC) y lograr un impacto directo en la reducción de las emisiones de contaminantes. Por lo que la selección correcta de cada uno de los elementos del tren motriz de los VSP constituye un elemento clave para el desempeño adecuado de los mismos durante sus operaciones. Tren Motriz El tren motriz, es el conjunto de elementos mecánicos que proporcionan y transmiten la energía del combustible para convertirla en desplazamiento del vehículo. Los elementos que integran el tren motriz y que modifican en forma mecánica lo que el motor entrega, son [7]: el motor, el embrague, la caja de velocidades, el diferencial y las llantas. Aunque existen otros elementos que lo constituyen, como son la flecha Cardan y los ejes de las llantas, estos elementos no realizan ninguna modificación a la energía entregada por el motor. La configuración de los componentes del tren motriz se establece a partir de un modelo básico, en el que se consideran los parámetros de operación de cada uno de sus componentes. Por lo que el método de análisis para la selección del tren motriz considera disponer de información respecto a: - Tipo de actividad: Define la naturaleza del transporte si es de carga o pasajeros y por lo tanto, permite establecer el peso bruto vehicular máximo (PBV) que puede transportar la unidad. - La ruta de operación crítica: Permite establecer los porcentajes máximos de pendiente ascendente [8], por lo que se requerirá potencia adicional para arrancar y superar las pendientes críticas; así como para vencer la resistencia al rodamiento en una carretera en malas condiciones, lo que permite poner particular atención al desgaste de las llantas. - El desempeño del vehículo (performance) [9]: El desempeño del vehículo se ve afectado principalmente por dos parámetros cuantitativos: el peso de la carga máxima que puede transportar y la pendiente crítica por la que transitará, definida por la ruta de operación. Conociendo estos parámetros se pueden determinar, de manera preliminar la potencia máxima del motor y establecer los elementos que integrarán su tren motriz. Es importante considerar en la selección del tren motriz, el uso eficiente del combustible, siendo éste el factor mandatario en la selección de un vehículo para quien debe tomar la decisión en una empresa de transporte. - Potencia máxima de un motor: En la selección del tren motriz para mover una carga, la potencia máxima que proporciona un motor, es un criterio insuficiente, ya que no corresponde al mejor desempeño de la unidad particularmente en la capacidad de arranque en pendientes (startability) o en la habilidad de ascenso en pendientes (gradeability) [10,11]. - Cumplimiento de la normatividad para la circulación o construcción de los vehículos en México: Este es un factor importante para la selección del vehículo ya que se deben de observar las normas vigentes en materia de pesos y dimensiones [12], de protección ecológica [13], y el acuerdo de velocidad máxima permitida [14]; estas normas pueden imponer algunas restricciones de uso. Con el tipo de actividad se determina la clase de vehículo, así como las dimensiones máximas del vehículo alto y ancho-, máximo PVB a transportar. Con esta información y todos los factores señalados se determina, la capacidad de arranque en pendiente (startability), la capacidad de ascenso del vehículo en pendiente (gradeability), la velocidad máxima de operación que se debe lograr en el régimen de mínimo consumo de combustible, por lo que el tren motriz deberá garantizar lo siguiente: - Startability. Es la máxima pendiente sobre la que el vehículo puede arrancar y se satisface si la relación de los primeros cambios de la transmisión tiene un valor numéricamente bajo. Este aspecto es importante para el desempeño de la unidad en terreno montañoso y se calcula mediante la ecuación (1). S = [(T x Rte x Rll)/ (10.7 x PBV)] Rr (1) Para poder iniciar la marcha en una pendiente el valor mínimo de Startability que se considera es de 15%. Gradeability). Define la capacidad de un vehículo para subir una pendiente. Una transmisión mal seleccionada, cuando la unidad transporta su máximo PBV, ocasiona que el régimen del motor disminuya al grado de no permitir el avance del vehículo. La gradeability se calcula utilizando la ecuación (2) y el criterio de capacidad de ascenso se fija en 20%. G = (37.5 P r )/ (PBV 10-3 V a ) (2) La potencia de reserva Pr esta definida por la ecuación (3): Pr =P- (Prr+Pra+Pri) (3) El método considera la relación lineal que existe entre el PVB y la potencia P del motor, y se calcula mediante la ecuación (4). P = PBV (4) Los demás parámetros están definidos por las siguientes ecuaciones: Prr = Va ( Va) (PBV 10-3 /375) (5) Pra = [ Va 3 (h-0.75)(w)](fa/375) (6) El factor de altitud fa se calcula para la corrección de la potencia neta del motor, mediante la ecuación (7). fa = ( a) (7) Pri = (nm PBV)+nB (8) Va = (d RPM)/ (Pd Pt1 336) (9) Velocidad máxima de operación: La velocidad máxima de operación del vehículo, permitida por la reglamentación, debe alcanzarse dentro del rango de MCEC zona verde- del motor. El límite de velocidad para un autobús es de 95 km/h y para un vehículo de transporte de carga es de 80 km/h; en ambos casos existe una tolerancia de, más 15 km/h para maniobras de rebase. Con el fin de observar el comportamiento de la transmisión desde el punto de vista de eficiencia energética del motor, se diseña el diagrama de velocidades con todos los elementos del tren motriz, en donde se realiza el análisis de patrón de cambios de velocidades (shift pattern). En este diagrama todos los cambios de velocidad de la transmisión se deben realizar dentro del rango de MCEC del motor. Las diferentes combinaciones de transmisiones y diferenciales permitirán que el vehículo desarrolle un buen desempeño sobre pendientes y en e terrenos planos, esto hace necesario determinar el paso del diferencial mediante la ecuación (10). P d = 60 C ll (Rcm+200)/1000 P u V r (10) Buscando cumplir el criterio de velocidad máxima legal, dentro del rango de MCEC del motor seleccionado, se procede a verificar su valor, despejando V r de la ecuación (10). Para realizar los cálculos indicados con la secuencia necesaria, se desarrolló un programa de cómputo para analizar el comportamiento del tren motriz de VSP. Los resultados del programa permiten graficar las curvas de capacidad de ascenso y el diagrama de velocidades que desarrolla el vehículo. Autobús B2 Como ejemplo de la aplicación del programa de cómputo desarrollado, se presenta la información de los elementos del tren motriz de un autobús B2 utilizado en pruebas de campo, para determinar si su tren motriz permitía que se manejara con uso eficiente de combustible. El tren motriz del autobús B2 analizado estaba integrado por: motor Diesel modelo V6-155 de 116 kw [15], caja de velocidades manual de 5 velocidades [16], paso de diferencial dual con relaciones 6.50/8.86 y medidas de las llantas El PBV transportado fue de 24 toneladas, la distancia recorrida fue de 395 km. El recorrido presentó 60 % en terreno montañoso y 40 % en terreno plano. Como resultado del análisis de los datos de campo, en la Figura 1 se presenta, el patrón de cambio de velocidades. De esta manera, se observa que la mayoría de los cambios caen fuera de la zona verde de este motor, lo que indica que la transmisión y el diferencial, no son los adecuados. La transmisión utilizada no permite un escalonamiento regular de los cambios y el diferencial no permite alcanzar una velocidad aceptable en el límite superior de la zona verde (LSZV). A su vez, esto ocasiona que un uso ineficiente del combustible. En el diagrama de ascenso, Figura 2, se observa que para esta configuración del autobús B2, se obtiene una startability del 21 % y una gradeability del 36 %. Considerando lo anterior, se seleccionó una nueva configuración del tren motriz para el autobús B2 bajo estudio. Así se seleccionó un motor modelo C En la Tabla 1 se presentan las especificaciones del motor inicial y del seleccionado. Otros elementos seleccionados fueron: transmisión modelo A de 10 velocidades, diferencial RS sencillo con relación 3.91 y llantas modelo G114 tamaño de 11R24.5. Con la información anterior se evaluó el nuevo tren motriz. En la Figura 3 se presenta el diagrama de velocidades con el motor C seleccionado. En este diagrama se observa que al realizar los cambios de velocidades, todos se pueden realizar dentro de la zona verde del motor sugerido. En la Figura 4 se presentan la capacidad de ascenso del autobús B2 con el nuevo tren motriz, con un valor de startability de 38% y un valor máximo de gradeability del 47%. Tabla 1 Especificaciones motores V6-115 y C Especificaciones Número de cilindros Diámetro cilindro [mm] Carrera cilindro [mm] Desplazamiento del motor [L] Potencia máxima [hp] Torque (par motor) máximo [Nm] Motor V6-155 Motor C RPM RPM RPM RPM Para realizar el análisis respecto al consumo de combustible por cada motor, se obtuvieron las curvas de consumo de combustible de los motores V6-155 y C considerando la zona verde de cada uno de ellos. Estas curvas se presentan en la Figura 5. En el caso del motor V6-155 el consumo mínimo de combustible es de 237 g/kw-h a 2500 RPM y para el C es de 193 g/kw-h en el régimen del motor a 1400 RPM. En la Tabla 2 se presentan los parámetros considerados para efectos de comparación entre los motores V6-155 y C Se observa en dicha tabla que para proporcionar la potencia de 104 kw el motor V6-155 requiere un consumo de combustible de 241 g/kw-h, mientras que el motor C requiere 140 g/kw-h. Esto representa un consumo de litros al año para el V6-155 y de litro al año por el C Desde el punto de vista de la generación de emisiones de CO 2 arrojadas al medio ambiente, se efectuó el cálculo considerando el factor de emisiones de CO 2 del Diesel de 2.63 kg/l [17], encontrando como resultado que para el motor V6-155 es de kg/año de CO 2 y de kg/año de CO 2 para el C Esto significa una reducción de kg/año al utilizar el C , tal como se observa en la Figura 6. Conclusiones Se muestra que un tren motriz mal configurado, provoca un desempeño deficiente del vehículo, ocasionando un desgaste prematuro de sus componentes los cuales requieren mantenimiento o reparaciones más frecuentes, provocando mayores gastos de operación de la unidad. Al hacer una selección adecuada de los elementos del tren motriz en un vehículo de servicio pesado, se obtiene un desempeño más eficiente. Al sustituir el motor V6-155 por el motor C , en un autobús B2, se muestra teóricamente que se mejora el desempeño del vehículo y se reduce el consumo de combustible. Esta reducción de consumo, logra que se dejen de arrojar al medio ambiente 43 toneladas de CO 2. Se estima que el método planteado, tiene gran potencial de aplicación en las empresas de autotransporte que emplean VSP, para la selección adecuada de los elementos del tren motriz de sus unidades, así como para predecir la cantidad de CO 2 que se emiten a la atmósfera. Referencias [1] SCT, Estadística Básica del Autotransporte Federal. Secretaria de Comunicaciones y Transporte, México, D.F. [2] CICC, Estrategia Nacional de Acción Climática: La respuesta de México ante el cambio climático g
