¿Qué son y qué demuestran los ciclos de conducción? (Parte II)

Este artículo es la continuación del anterior, donde se explicaba brevemente cómo homologaban el consumo y las emisiones los fabricantes de automóviles.

¿Hay diferencia entre lo que prometen los fabricantes y el consumo real?

Según el estudio del ICCT previamente citado, laboratorios independientes han calculado un 12% de mayor consumo y emisiones que las prometidas por el fabricante, cuando el test se hace con coches sin manipular. Y con tests independientes diferentes al NEDC, han obtenido valores de entre un 19-28% superiores al fabricante. El informe ha comparado los consumos y emisiones declarados por los coches alemanes que suponen un 50% de las ventas de ese mercado, y los han comparado con los datos arrojados por la web Spritmonitor, y estos han sido sus resultados:

¿Se está aplicando el mejor ciclo posible?

Según este artículo científico The European type approval procedure, based on a fixed driving cycle for all vehicles, is not representative of their real on-road usage: the driving style and its influence on consumption and emissions cannot be neglected and their real-world environmental impact is not simple to measure.

Pero se está aplicando el mismo a todos, lo cual nos sirve para no creernos a pies juntillas las cifras oficiales de los fabricantes, pero sí para poder comparar. En América se usa otro ciclo distinto, y en Japón a su vez, otro, tal y como se indica en esta página. Sin embargo, si ensayamos el mismo coche en las mismas condiciones con los diferentes tests, no se obtienen el mismo resultado. De hecho, el Centro de Estudio de Transporte de Oak Ridge establece las siguientes diferencias entre los ciclos americanos, japonés y europeo (fuente, tabla 32):

A la relación de proporcionalidad entre ciclos, se le denomina factor de conversión, y están generalmente aceptados científicamente los factores de conversión que propuso Feng et Al en 2009, y que aparecen en esta presentación:

Por supuesto, para cada institución su sistema es el mejor y el más riguroso con las emisiones y consumo. De ahí que tanto Europa como Estados Unidos crean cada uno por su lado que con sus tests alcanzan las mejores cotas:

¿Cuál es la solución a esto? De lo que se trata es de diseñar un ciclo de conducción ideal, para después compararlo con los distintos tests internacionales. Hace unos años se llevó a cabo un proyecto muy importante de investigación, denominado ARTEMIS, y que arrojó algunos posibles ciclos ideales en base a miles datos estadísticos de comportamiento de conductores en ciudad:

Según estos ciclos de conducción, distintos artículos científicos dicen que según el ciclo ARTEMIS las emisiones de CO2 son superiores que según el ciclo NEDC. Por ejemplo, según este, the CO2 emissions of all vehicles tested under the ArtUrb cycles exceeded the EC target value. Y éste otro aporta las siguientes tablas de datos:

En este caso se han comparado diésel y gasolina, que son los combustibles clásicos. Sin embargo, debido a que ya se están incorporando nuevas tecnologías, se hace necesario nuevos tests que tengan en cuenta estos aspectos. Tal y como se cita en este artículo,

The regulation does not specify the technology by which the CO2-average level should be reached (technology-neutral approach) by manufacturer, i.e. whether small, gasoline, diesel, hybrid, plug-in hybrids, electric or alternative fuel vehicles will be introduced, as long as the average CO2 emission level is reached. It should also be made clear that the mean CO2 levels refer to the certification test procedure (i.e. the New European Driving Cycle – NEDC to be used for emission measurement). However, the CO2 emission rate for each technology to be introduced will depend on the actual driving pattern in real-world operation. It has to be expected that different vehicle technologies will perform differently over real-world operation, despite meeting the target of 95 g/km over the NEDC. 

For example, a hybrid gasoline vehicle is a very good performer (low CO2) in urban driving through the frequent involvement of the electric motor and the regeneration of braking energy back to the batteries. However, in highway driving where the electric motor has only a secondary role to play and braking is infrequent, a small diesel vehicle may actually be a better performer due to the higher efficiency of the diesel engine over the gasoline engine in the hybrid vehicle. Therefore, the NEDC value alone is not necessarily the only determinant of CO2 emissions of each technology in real-world driving. As a result, the mean CO2 emission of the stock in real-world conditions will depend on the penetration rates of different new technologies, and the difference in CO2 emissions of each technology between real-world and type-approval driving conditions.

¿Qué persiguen los fabricantes?
Cumplir la legalidad. En 1998 se firmó un acuerdo con la Asociación Europea de Fabricantes de Vehículos (ACEA) en la que la Comisión Europea estableció límites voluntarios de emisiones a conseguir para 2008. Concretamente, se fijó en 140 g CO2/km. Sin embargo, los fabricantes no cumplieron estos objetivos y en consecuencia, Europa fijó límites obligatorios en 2009. Estos consistían en que:

         - Para 2012, los vehículos nuevos matriculados en la UE no excedan de 130g CO2/km (fuente. Ojo, que el texto habla de 120 g, pero la norma especifica 130g, tal y como afirma @guillealfonsin en esta conversación de Twitter. Los 10g que faltan se conseguirán con tecnologías complementarias)
       - Para 2015, las emisiones medias de la flota de vehículos de un fabricante no exceda de 130 g CO2/km (o lo que es lo mismo, 5'6l/100km)
         - Para 2020, las emisiones medias de la flota de vehículos de un fabricante no excedan de 95 g CO2/km (4'1 l/100km)

La normativa se aplica a coches y furgonetas, y se puede ver aquí y la regulación aquí. La UE no establece las tecnologías a usar para conseguir estos objetivos. Ojo, que estamos hablando de las emisiones de la flota media. Si un vehículo de una marca emite más de 130 g, otros tendrán que emitir menos para compensar. Concretamente, las fórmulas que se tomarán son las siguientes:

Entre 2012 y 2015
Emisiones de CO2 = 130 + a × (M – M0)
               M = masa del vehículo (kg)
               M0 = 1372,0 (kg)
               a = 0,0457

Desde 2016:

Emisiones de CO2 = 130 + a × (M – M0)

Donde M0 está por calcular en función de la producción de los coches de los años precedentes, y a sigue siendo 0,0457.

A partir de 2012, los fabricantes que no respeten su objetivo deberán pagar una «prima por exceso de emisiones». Esta prima se calcula según lo siguiente:

       - el número de gramos por kilómetro en que un fabricante sobrepase su objetivo por las emisiones medias de este fabricante, 
           - el número de turismos nuevos fabricados por este fabricante y matriculados durante el año,
           -  y una prima que ascenderá según el año en cuestión (20 euros en 2012, 35 euros en 2013, 60 euros en 2014 y 95 euros en 2015 y cada uno de los años siguientes).

A partir del 31 de octubre de 2011, la Comisión publicará una lista indicando los resultados de los fabricantes.

Durante un máximo de 5 años, puede haber excepciones para los fabricantes que produzcan menos de 10 000 vehículos al año y que no estén vinculados a otro fabricante. El fabricante en cuestión debe solicitar un objetivo compatible con su potencial de reducción, en concreto con su potencial tecnológico de reducción, de emisiones de CO2. Esta solicitud será evaluada por la Comisión antes de conceder o no una excepción. (fuente)

Este artículo pronto quedará anticuado, ya que en 2016 entrará en vigor el nuevo World Light Duty Test Cycle (WLTP), el cual es mediación de Naciones Unidas. Se espera que su desarrollo esté finalizado durante 2014. Aquí se puede encontrar información sobre él.



Driving cycles vs driving patterns
Es habitual en este tipo de informes encontrarnos la terminología driving cycles y driving patterns. Sin embargo, estrictamente no representan lo mismo. Driving cycle hace referencia al tipo de ensayo que se realiza para homologar un vehículo. Por esa razón, también se dan los términos test cycle y por lo general están estandarizados. Sin embargo, driving patterns hace alusión a un estudio del comportamiento de los conductores al volante, de manera que también se pueda analizar distintas actitudes frente a géneros, edad, tipo de vehículo, tipo de tramo. Driving cycle es una generalización de unos driving pattern muy concretos.

En este informe hay una completísima colección de ciclos de conducción. Por contra, este es un buen artículo de patrones de conducción, los cuales ayudan a entender cómo conduce la gente, qué aspectos mejorar, y otras ideas relativas al comportamiento humano sobre todo.




Referencias: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

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¿Qué son y qué demuestran los ciclos de conducción? (Parte I)

Esta entrada podría haberse titulado "Cómo nos engañan los fabricantes de coches". Espero que este título alternativo se entienda al final del artículo.

¿Habíais pensado alguna vez cómo calculaban los fabricantes de automoción sus consumos de combustible y emisiones? ¿Cuál es la manera de que el criterio que se aplica a un Renault sea el mismo criterio que se le aplica a un Peugeot, por ejemplo? Una posible forma es mediante una fórmula química o termodinámica que nos calculase en función de la cilindrada y potencia de motor un consumo. Pero no es el caso, no existe. Y sin embargo, la comparación de consumos y emisiones entre fabricantes es perfectamente válida. ¿Cómo lo hacen?

La manera es mediante ciclos de conducción que las administraciones imponen de cara a homologar los vehículos. En Europa se usa el ciclo NEDC (New European Driving Cycle), el cual es el criterio a seguir para homologar vehículos para su comercialización en Europa. Los ciclos de conducción intentan emular el comportamiento al volante de los usuarios, tanto en tramos urbanos como en interurbanos a través de una combinación de distintas velocidades en una escala temporal. Entró en vigor en el año 2000 a través de una directiva 98/96/EC, que viene a modificar la 70/220/EEC.

El ciclo europeo consiste en llevar estas velocidad en la escala temporal que se muestra:

El ciclo se tiene que llevar a cabo entre 20 y 30ºC (normalmente a 25 ºC), y en ausencia de viento. De hecho, se realiza en una nave cerrada, y sobre unos rodillos (ver foto). Este tipo de equipos cuenta con sistemas para simular la resistencia aerodinámica y la inercia del vehículo. Además, se lleva a cabo con los extras apagados (aire acondicionado, luces, radio, etc) y sin pendiente. Se elige un modelo que haya recorrido entre 3.000 y 15.000 km.

El ciclo NEDC es una repetición de 4 tramos urbanos del ciclo ECE-15 y la añadidura de un tramo interurbano llamado EUDC.  ¿Esto cómo se plasma en la gráfica del ciclo?

Tramo urbano

Se mete primera y se cogen 15 km/h, luego se detiene. Está 50 segundos al ralentí y luego coge 35 km/h en segunda, para luego detenerse. Tras el segundo semáforo imaginario, llega a 50 km/h en tercera, luego reduce a 37 km/h en segunda (fuente). Simula un trayecto de 4.052 metros de trazado urbano a una velocidad media de 18,7 km/h a una velocidad máxima de 50 km/h. Data de 1970 (introducido a través de la directiva 70/220/EWG y finalizado por  la 90/C81/01 en 1999). El hecho de que haya varios tramos al ralentí intenta imitar a los semáforos y tráfico interrumpido de las ciudades.


Tramo interurbano

La máxima velocidad de este ciclo es de 120 km/h, aunque los vehículos de poca potencia están limitados a 90 km/h. Tras una parada de 20'', se embraga primera marcha y se sube hasta 70 km/h en 41 segundos de la siguiente manera (5'', 9'', 8'' y 13'' para 1ª, 2ª, 3ª y 4ª marcha respectivamente, con 3·2 segundos extra para cambios entre marchas). Circula durante 50 segundos en 5ª. Decelera hasta 50 km/h, transcurren 69 segundos, y luego acelera hasta 70 km/h de nuevo, en la que se mantiene 50''. Luego acelera hasta los 100 km/h, y se mantiene 30''. Finalmente, en el segundo 316 del ciclo, se acelera hasta 120 km/h y está a esa velocidad 10 segundos, hasta que reduce a 0 finalmente en 34 segundos (fuente). La duración total es de 400 segundos, y su distancia teórica es de 9.956 metros con una velocidad media de 62,6 km/h. Este ciclo fue introducido en 1990 a través de ECE R101.



Tal y como se comenta aquí, una de las primeras conclusiones es que los coches con sistema Stop & Start salen mejor beneficiados que los que no lo tienen, y que además un fabricante puede adaptar su modelo para que arroje un consumo y unas emisiones difícilmente alcanzables por los usuarios, tal y como lo denunció una organización ambiental en su informe. A continuación, qué hacen los fabricantes para obtener buenos resultados.

Sin embargo, tampoco se tiene en cuenta el efecto de estilo de conducción, que puede alterar el consumo en el orden de un 15-20%, ni de humedad, ni otro tipo de muchos factores que altera a la conducción. Pero si todos los fabricantes usan el mismo criterio, bajo este test sí que se puede hacer comparaciones entre modelos.

Está claro que hay organismos que son capaces de hacer tests más fiables y rigurosos, como el TÜV aleman o el RACC, pero cada estudio saldría muy caro. Una página web interesante es la de Spritmonitor, en la que los propios usuarios indican cuál ha sido el consumo real de su vehículo en su experiencia.



Fuente 1, 2, 3, 4

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Fallo en columna de hormigón: ¿grave o no?

Esta semana, según paseaba por mi ciudad encontré por casualidad algo que puede que haya llamado la atención a una comunidad de vecinos:

Este es un detalle de una columna más grande que ayuda a sostener la estructura de un bloque de viviendas de 5 pisos. Que sobresalga ese hierro del hormigón no es bueno, e implica que no trabaja. Además, el acero se ha oxidado. Podéis creerme que ese trozo de metal ahora mismo está perfectamente fijo y no se puede sacar de la columna de hormigón, pero voy a aprovechar este avistamiento para intentar explicar qué es esto:

Los edificios en la mayoría de los países se construyen según distintos códigos técnicos. En España, por ejemplo, tenemos el Código Técnico de Edificación(CTE) (última versión de 2006) o la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE), en este caso de 2008. Estas normativas fijan distintos valores o normativas que hay que cumplir en los edificios por ley, salvo que lo que se construya sea un gallinero u otra estructura de escasa entidad y utilidad. Están basados en cálculos técnicos en base a que los edificios no se caigan, hablando claro. Si un bloque de casas se cae, pero en las investigaciones se descubre que los ingenieros y arquitectos siguieron al pie de la letra la normativa, no se les podrá achacar que hayan construido mal el edificio.

Por lo tanto, es seguro que en estos códigos y normativas aparezca cómo han de construirse la columna de la que estamos hablando: en prácticamente la totalidad de estructuras que vemos en las ciudades, se emplea hormigón armado, lo cual significa que dentro del hormigón hay barras de acero. El hormigón es un material que funciona muy bien a compresión; en cambio, el acero ayuda a soportar mucho mejor esfuerzos de tracción. Al acero se le denomina armadura.

Una de las columnas principales del edificio básicamente aguanta peso, es decir, está sometida a compresión. Básicamente este elemento estará formado por hormigón. Sin embargo, también llevará acero. Y esta es la dificultad de los ingenieros civiles: hay que construir una columna en un sitio X y que sostenga Y toneladas de peso. ¿A qué tipo de esfuerzo está sometido esa columna? Tal y como hemos citado, básicamente está a compresión simple, por lo tanto, lo que habría que hacer es ir a la norma EHE-2008, y buscar qué mínimos hay que cumplir con este tipo de elementos. Concretamente, vamos al Título 5 - Cálculo. Y encontramos que el Artículo 42 responde al tipo de esfuerzo al que estará sometido nuestra columna: Estado límite de agotamiento frente a solicitaciones normales. Normales es sinónimo de axiales, o que actúan en la dirección principal del eje.

Para este artículo del blog, no quiero saber nada del hormigón, sino de la armadura, es decir, del acero. Por esa razón, voy directamente al subapartado 42.3.

Tal y como se puede ver, en este apartado indican, entre otras medidas:

- Rango de diámetros que tienen que tener las barras de la armadura (son redondas)

- Separación entre ellas en dirección longitudinal.

Para el caso que nos ocupa, la imagen que más nos importa es la siguiente:

En ella podemos ver distintas secciones transversales de las columnas, y cómo han de estar los redondos de armadura. Concretamente, fijémonos en la frase para que los cercos arriostren eficazmente la armadura longitudinal, es preciso que sujeten realmente las barras longitudinales en compresión, evitando su pandeo.

Para explicarnos: las barras longitudinales son los que en la imagen vemos como puntos, y se trata de barras que recorren toda la columna. En cambio, cada ciertos centímetros hay unas barras que recorren todo el perímetro de la sección de la columna y que sirve para abrazar los puntos. Si nos fijamos, la fotografía con la que hace referencia este artículo es uno de esos cercos, el cual no tiene una función de aguantar esfuerzos muy importantes.

Probablemente ocurra que el hormigón haya ido perdiendo un poco de espesor en esa zona, y que alguien no haya calculado bien la distancia mínima de recubrimiento entre acero y hormigón. En todo caso, no es un fallo fatal.

La casa de la imagen puede tener unos 30 años, lo cual quiere decir que se construyó según la normativa vigente en esa época. ¿Significa que unas normativas son más seguras que otras? No. Lo único que ocurre es que algunos valores pueden haberse calculado con algún coeficiente de seguridad distinto, o se ha demostrado que el valor empírico de unos ensayos es mejor que el anterior, o ha cambiado la normativa general que han de cumplir los edificios. 

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Arena y pies

Los que tengan ocasión de ir a la playa en verano, seguro que han sentido la sensación de que el mar les quita la arena bajo los pies. Normalmente, la arena se va retirando desde afuera hacia adentro de los pies. Es una de las razones más visuales para comprobar que en plena orilla del mar es imposible construir nada. A esa característica del terreno se le denomina dilatancia, y en el caso descrito es negativa, y es una propiedad de la ciencia de Mecánica del Suelo.

La definición de dilatancia es la variación del volumen cuando se aplican tensiones tangenciales, y tiene una influencia significativa en la cómo se comportan los suelos granulares. Se entiende muy bien con el siguiente gráfico, extraído de aquí:

Tenemos un terreno granular sobre el que actúa una presión sometido a un esfuerzo tangencial S. Por la morfología del terreno, la capa superior tiende a desplazarse hacia, provocando un cambio de volumen  ∆V, y esto provoca un deslizamiento dentro del terreno. Al ángulo de este deslizamiento se le llama w o ángulo de dilatación, y esto es lo que provoca que la arena se vaya bajo nuestros pies: la presión que ejercemos reorganiza el material, de manera que surgen nuevos huecos, y estos son ocupados por el agua. En este sistema, nosotros creamos la presión sobre el terreno, y el mar provoca la tensión tangencial. 

De esta manera, el esfuerzo tangencial máximo que puede aguantar el terreno sigue la siguiente fórmula:

S = tan(φ+ω)P

Donde φ es el ángulo de rozamiento del terreno (a obtener mediante análisis experimentales). El fenómeno se conoce desde 1885, y otra manera de comprobarlo fuera de la playa lo muestran los investigadores de la universidad de Cornwell en este vídeo, cuya explicación la dan en la Wikipedia.

Fuente: 1, 2

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