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Técnica

Cuando la realidad supera a la ficción: del ciclo de homologación NEDC al WLTP

Los fraudes del NEDC no se verán en el WLTP

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Desde 1997, durante más de dos décadas, se ha venido utilizando el test de homologación de turismos y vehículos industriales ligeros denominado “Nuevo Ciclo de Conducción Europeo”, NEDC (New European Driving Cycle) en inglés. A partir de los resultados obtenidos en estos ensayos, las diferentes marcas proporcionaban al consumidor los consumos urbanos y extraurbanos de los vehículos, así como las emisiones de C02 de los mismos.

Estoy seguro de que, si has adquirido un coche entre el 2000 y el 2016, habrás notado que los consumos reales que has conseguido se alejan considerablemente de los datos que proporcionaba el fabricante. Es frecuente que se tenga que aumentar en 1,5 litros/100 km el consumo “ficticio” del fabricante para acercarse a la realidad.

El culpable de esta gran diferencia es el ciclo anteriormente mencionado. El ensayo de homologación NEDC, se realiza a una temperatura aproximada de 25 grados, sobre llano y en ausencia de viento para cubrir una distancia de 11 km aproximadamente.

La prueba consta de dos partes:

  • Cálculo del consumo urbano: con una duración de 780 segundos y una velocidad media de 18,35 km/h.
  • Cálculo de consumo extraurbano: con una duración de 400 segundos y una velocidad media de 62,6 km/h.

Gráfico Velocidad vs Tiempo del ciclo de homologación NEDC. Fuente: Seat.es

Como ya podéis observar, este ensayo presenta varios problemas que paso a enunciar:

  • Aunque la velocidad máxima alcanzada es razonable, 120 km/h, la velocidad media se queda corta, 33,6 km/h.
  • No se considera circulación por autopistas, autovías y otras posibles vías por las que se pueden circular a diferentes velocidades.
  • Los puntos de cambios de marcha son fijos por lo que no se ajusta a lo que sucede en la realidad, donde son variables dependiendo de si hay adelantamientos o, simplemente, el tacto que tengamos con el coche.
  • El tiempo de parada supone un 24% del total de la prueba, unos 5 minutos considerando que la duración total es de 20 minutos.
  • No se tiene en cuenta el equipamiento opcional de cada versión del coche, como neumáticos, llantas, spoilers opcionales, etc.

Todos estos aspectos contribuyen a esas grandes diferencias entre consumos que notamos diariamente, haciendo que los datos oficiales del fabricante se tomen como ideales.

Para solventar este problema, en 2018, la Unión Europea estableció un nuevo ciclo de homologación denominado “Ciclos de Prueba de Vehículos Ligeros Armonizados en Todo el Mundo”, WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Cycles) en inglés.

Este nuevo ensayo de homologación resulta ser más completo que el NEDC, ya no sólo porque se evalúan 4 condiciones distintas de circulación (baja, media, alta y muy alta velocidad), sino que hace uso de otro tipo de subpruebas para asegurar la veracidad de los datos obtenidos.

Emisiones en condiciones reales de circulación, RDE (Real Driving Emissions) en inglés: durante el ensayo RDE, se conduce el vehículo por carretera, en una amplia gama de condiciones diferentes. Éstas incluyen diferentes altitudes y temperaturas, carga útil adicional, conducción cuesta arriba y cuesta abajo, carreteras urbanas (baja velocidad), carreteras rurales (velocidad media), autopistas (alta y muy alta velocidad).

  • Velocidad baja: con una duración de 589 segundos y una velocidad media de 18,9 km/h.
  • Velocidad media: de 433 segundos de duración y una velocidad media de 39,4 km/h.
  • Velocidad alta: con una duración de 455 segundos y una velocidad media de 56,5 km/h.
  • Velocidad muy alta: de 323 segundos de duración y una velocidad media de 91,7 km/h.

Nótese que todas las velocidades presentadas incluyen un determinado tiempo de parada, siempre inferior al acaecido en el ciclo NEDC, como se puede observar en el gráfico que se adjunta.

Gráfico Velocidad vs Tiempo del ciclo de homologación WLTP. Fuente: Seat.es

Aunando las 4 pruebas realizadas a distintas velocidades, la distancia total recorrida es de 23,25 km con una duración de 30 minutos. La velocidad media resulta ser de 46,5 km/h con una punta de 131 km/h.

A diferencia de lo que ocurría con el ciclo NEDC, en la prueba WLTP sí se tiene en cuenta el equipamiento del vehículo, puntos de cambio de marchas, etc. No obstante, hay que seguir “dando un tirón de orejas” a la Comisión Europea pues el ensayo se suele realizar a temperaturas suaves que rondan los 23 grados. Lo ideal sería rodar por diferentes orografías que permitan comprender el comportamiento del coche en todo tipo de situaciones, tanto con frío extremo como con temperaturas cálidas.

Por otro lado, para medir las emisiones contaminantes mientras se conduce el vehículo por carretera, los vehículos de prueba están equipados con Sistemas Portátiles de Medición de Partículas, PEMS (Portable Emissions Measurement System) en inglés, que proporcionan una monitorización completa en tiempo real de los principales contaminantes emitidos por el vehículo (NOx y PM). En este artículo no se va a profundizar en estos dispositivos, pero para los curiosos y curiosas, podéis encontrar más información en la publicación “Real Driving Emissions” de la Comisión Europea.

Sistema Portátil de Medición de Partículas acoplado en un vehículo. Fuente: media.daimler.com

Antes de continuar analizando el ensayo WLTP, hago un impasse ya que, como habrás notado, en el ciclo NEDC no se ha mencionado nada sobre el cálculo de emisiones de contaminantes. La razón es que dicha medición se realiza en laboratorio, bajo condiciones ideales, dando como resultado emisiones totalmente erróneas. El problema es que como el ensayo se aleja tanto de la realidad, muchos fabricantes falsearon los datos obtenidos: recordemos el famoso Diesel Gate del caso Volkswagen en 2015 o el caso Hyundai- Kia en 2014.

Tras este inciso, continuemos ahora con la siguiente prueba dentro del ciclo WLTP, el Ensayo de evaporación, EVAP (Evaporative Emissions Testing). Se trata de un ensayo de pérdidas por respiración del depósito de combustible en cámaras de ensayo estancas que mide las emisiones del depósito y componentes cercanos al motor en un ensayo de 48 horas. A groso modo, se busca medir cuánto combustible se evapora del depósito (respiración) cuando el coche está parado durando el periodo de tiempo indicado.

Este subensayo del ciclo WLTP está dando muchos quebraderos de cabeza a los diferentes fabricantes porque están obteniendo resultados alejados de lo esperado, lo que implica que a la larga van a estar obligados a incluir más filtros antipartículas en sus modelos.

La tercera prueba dentro del ciclo WLTP es la Monitorización del consumo de combustible, FCM (Fuel Consumption Monitoring) en inglés. Con ello, la Comisión Europea pretende evitar nuevos fraudes a nivel de consumo del vehículo pues la desviación de los valores del ensayo WLTP entre el banco de pruebas y la lectura del vehículo (FCM) no debe exceder un máximo del 5%.

En un futuro, todos los coches deberán contar con un sistema de medición de combustible denominado On-Board Fuel Consumption Meter (OBFCM). Los datos recogidos por este sistema podrían ser solicitados por la Unión Europea para ratificar que los consumos especificados son correctos y, en caso de no serlos, las multas podrían ser millonarias. Se espera que se instaure en los años venideros.

Por último, la cuarta fase de la homologación se denomina Conformidad en Circulación, ISC (In-service Conformity) en inglés, la cual busca ampliar las condiciones de ensayo del WLTP probando vehículos usados con al menos 15.000 km y 6 meses (máx. 100.000 km y 5 años). Como es lógico, los diferentes desgastes que sufre un coche provocan que el consumo puede variar respecto a lo establecido. Exactamente esto es lo que se pretende cuantificar con esta prueba.

Inicialmente, el ciclo WLTP no se componía de estas 4 fases. Comenzó con la RDE únicamente, pero las exigencias han ido aumentado de forma progresiva con el paso de los años. A modo de resumen, se adjunta un pequeño esquema donde se recopila la implementación de las fases que está prevista realizar con el paso de los años.

Fases de implementación del ciclo WLTP. Fuente: Seat.es

A modo de conclusiones, resulta evidente que era necesario dejar atrás el “ficticio” ciclo NEDC por otro que se acercase mucho más a lo que sucede en la realidad, como es el WLTP. La Comisión Europea se ha puesto a trabajar en el tema y parece que las presiones que han recaído sobre los fabricantes están surgiendo efecto.

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Técnica | ¿Cómo se diseña la cámara de combustión de un Fórmula 1?

En una parte tan importante del monoplaza, son muchos los aspectos a considerar.

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Desde luego, es bien sabido que la Fórmula 1 ha sido durante mucho tiempo la cuna del desarrollo tecnológico en el ámbito automovilístico, en todos los aspectos del monoplaza: Aerodinámica, chasis, seguridad… Pero si hubiera que elegir el componente que más inversión en desarrollo ha requerido, este sería el motor de combustión, donde se produce la energía necesaria para impulsar el monoplaza. El núcleo de dicho motor está formado por 6 cilindros en V donde se aprovecha la energía química del combustible mediante su explosión para transformarla en energía mecánica: Movimiento de giro. ¿Cómo se diseña la cámara de combustión?

Esta cámara, como ya hemos dicho, tiene forma de cilindro, y en su interior aloja un pistón móvil que realiza un movimiento alternativo de subida/bajada. La cámara de combustión se caracteriza por dos parámetros geométricos: Bore y Stroke. El primero de ellos, el Bore, indica sencillamente el diámetro del cilindro, mientras que el Stroke especifica la longitud de la carrera del pistón, desde el punto muerto inferior, hasta el punto muerto superior. Cada vez que el pistón realiza una carrera de subida + bajada, el eje al que está unido (denominado cigüeñal, ‘crank’) realiza un giro completo de 360º.

Definición de BORE y STROKE. Fuente: howmechanismworks.com

Un Fórmula 1 cuenta con un cubicaje total de 1,6 litros, que corresponde con 0,27 litros por cilindro, aproximadamente (un volumen menor al de una lata de refresco estándar). En este momento, surge la pregunta: ¿Cuánto mide el Bore, y cuánto el Stroke? Para deducirlo debemos tener en cuenta varias cuestiones técnicas con respecto al rendimiento de un motor de combustión interna.

El principio básico de generación de potencia en este tipo de motor es que Potencia = Par x Velocidad de giro, y suponiendo una curva de par relativamente constante en el rango de revoluciones de uso, tenemos que la potencia es directamente proporcional a la velocidad de giro que puede tener el motor. Dispondremos de más potencia cuanto mayor sea la velocidad de giro, algo que equivale a tener una menor carrera del pistón (Stroke). Tenemos por tanto una de la condiciones para el diseño del cilindro, ¿pero hasta qué punto podemos reducir este parámetro geométrico?

Una de las limitaciones es la velocidad a la que puede llegar a moverse el pistón, cuyo valor máximo para un vehículo estándar ronda los 25 metros/segundo. Con esta restricción, y sabiendo que los Fórmula 1 en la actualidad giran a un máximo de 15.000rpm, extraemos un valor de Stroke de 5 centímetros, y con él, un valor de Bore de unos 8 centímetros (conociendo el volumen del cilindro de 0,27 litros). Nota: El reglamento actual establece en su Artículo 5.3.1 que la dimensión del Bore ha de ser de 80 +-1 mm.

Imagen del Ferrari SF1000 sin la cubierta motor. Fuente: motosportmagazine.com

Es importante considerar las consecuencias de tener un diámetro de cilindro de este tamaño. En primer lugar, hay que recordar que el intercambio de gases en la cámara de combustión se realiza a través de las válvulas de admisión, para la entrada de aire, y de escape, para la salida de los gases producto de la combustión. Contar con una mayor superficie de cabeza de cilindro, que es el lugar donde se encuentran situadas éstas (ver última imagen), permite instalar válvulas de más diámetro, aumentando con ello la cantidad de gases intercambiables en un mismo intervalo de tiempo, útil sobre todo cuando nos encontramos en un régimen alto de giro del motor.

Sin embargo, no todo son ventajas, en el proceso de transformación de energía en un motor existen pérdidas por muy diversas razones, y una de las más relevantes es la transferencia de calor a través de las paredes. Un mayor diámetro de Bore implica un incremento de esta superficie de transferencia, considerada cuando el pistón se encuentra en el punto más alto de su carrera, cuando se inicia la combustión. En conclusión, mayor Bore implica mayores pérdidas por transferencia de calor, por lo que es importante encontrar un equilibrio para maximizar la eficiencia del sistema. 

Además, y ya para finalizar, hay que considerar la dinámica de la combustión de la mezcla en el interior de la cámara. El encendido tiene lugar mediante bujía (‘Spark plug‘), posicionada normalmente en el centro de la cabeza del cilindro, donde comienza la propagación de la llama. Si tenemos un gran diámetro de Bore, la combustión será más lenta, ya que la llama ha de recorrer una mayor distancia hasta los laterales de la cámara, y por tanto, tardará más en qumar la mezcla. En este aspecto, también podemos destacar el concepto de turbulencia, que facilita la mezcla de aire con combustible, y con ello su combustión. Sin embargo, la existencia de este fenómeno no depende tanto del diseño del cilindro, sino de la forma de los colectores, principalmente en admisión.

Propagación de la llama en un motor de encendido provocado. Se puede observar como el frente de llama tardará más tiempo en alcanzar las paredes laterales del cilindro si este tiene un Bore grande. Fuente: General Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, 2011

La complejidad en el diseño de partes del motor como esta es considerable, aunque actualmente su desarrollo esté bastante limitado por el reglamento. Como hemos podido observar, la eficacia del componente reside en encontrar el equilibrio adecuado entre todas las condiciones/restricciones existentes, algo que no es nada fácil en absoluto.

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Técnica

Motores de F1 ¿De qué están hechos?

Entramado de materiales de una unidad de pontencia en la F1 moderna

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Muchos al pensar en un coche de F1 y sus materiales se enfocan en la fibra de carbono y el kevlar de los cuales están construidos muchos de los componentes estructurales. Sin embargo, muy poco se habla de los materiales que componen una unidad de potencia de F1.

Unidad de potencia moderna – Renault Sport

Las actuales regulaciones técnicas de F1 limitan considerablemente la selección de materiales con los cuales los diseñadores pueden trabajar en el desarrollo de las unidades de potencia. Sin embargo, las zonas grises en ediciones anteriores del reglamento han permitido a lo largo de los años que algunos equipos saquen ventaja con materiales novedosos. A continuación explicamos cada uno de los materiales permitidos y su aplicación dentro de la unidad de potencia.

Pistón de F1 de la era atmosférica – Pankl/Ferrari

El reglamento técnico permite el uso de los siguientes materiales:

Aleaciones de aluminio: Éstas pueden usarse en componentes fabricados a partir de procesos de fundición o forja, como el caso de pistones, bloques de motor, culatas y cárter del motor. En pistones muchos fabricantes emplean Aleaciones de aluminio con berilio como aleante hasta un 0.25% del mismo, o también aleaciones menos exóticas como las empleadas en aviación (ej: 2618A). En bloques de motor y otros componentes estacionarios son comunes las aleaciones de la serie 300 (Al-Si-Cu or Al-Si-Mg).

Bloque de cilindros Ferrari F2001 – Catawiki

Aleaciones de Titanio: Estas pueden usarse en Bielas y elementos del turbo. Algunos fabricantes de motores o elementos de motores utilizan aleaciones similares al Titanio grado 6AL-4V (o TC4, como se le conoce en algunos lugares)

Conjunto pistón/biela de un F1 moderno – italiazakka.co.jp

 

Montaje de válvula de motor de F1 – Brian Garvey/ www.F1technical.net

Aleaciones basadas en hierro: La normativa exige que los pasadores de pistón, cigüeñal, engranes de las bombas, ejes de levas y otros elementos rotativos deben fabricarse en aceros (aleación de hierro y carbono inferior al 2% con otros elementos como aluminio, cobalto, zinc, etc.).

Cigüeñal Ferrari F2003GA – Ferrari

Fuera de estos materiales principales, hay otra serie de aleaciones metálicas y materiales no metálicos que pueden usarse bajo serias restricciones.

Las aleaciones basadas en tungsteno sólo pueden emplearse en los contrapesos del cigüenal siempre y cuando su densidad no supere los 18400kg/m3.

Contrapesos de tungsteno en cigüeñal de F1 – Ferrari

Para el caso del magnesio, sólo componentes menores que no estén sujetos a movimiento (carcasas de bombas, tapas y similares) y sólo podrán usarse aleaciones cubiertas por las normas ISO16220 e ISO3116.

Otros materiales, como cerámicas pueden emplearse en rodamientos únicamente, mientras que los materiales compuestos como la fibra de carbono sólo podrán usarse en elementos menores como tapas, y los compuestos de matriz metálica (metales reforzados con fibras) están terminantemente prohibidos bajo la normativa actual.

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Los motores con turbo eléctrico de Audi

El Audi SQ7 lleva un motor diesel V8 de 4 litros “biturbo”, y los alemanes se han sacado un truco de la manga para eliminar el lag de este motor con un tercer turbo que funciona gracias a un motor eléctrico.

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Los motores llevan años usando turbos, que aprovechan los gases del escape del motor para hacer funcionar una turbina, que comprime el aire que entra en el motor y da un empujón a la combustión, aumentando la potencia. El problema de esto es que, debido a que a bajas velocidades el volumen de gases es demasiado bajo, al pisar el acelerador el turbo tarda un tiempo en ponerse en su régimen de rendimiento óptimo y entonces se experimenta lo que llamamos “lag” y no recibimos este aumento de potencia hasta pasado un tiempo.

Los fabricantes han desarrollado varias técnicas para intentar mitigar este efecto y ahora Audi ha inventado un sistema que lo elimina por completo. El primer turbo del motor del SQ7 no funcionará mediante los gases del escape, sino que el motor hará funcionar un generador de 3Kw, conectado a una batería de 48V, que a su vez opera un motor eléctrico de 7Kw encargado de hacer que gire la turbina del turbo.

Detalle del turbo eléctrico de Audi (Imagen: Audi)

 

Gracias a esto, cuando el conductor demande una entrega de potencia inmediata, en vez de tener que esperar a que el turbo se ponga a funcionar con los gases de la combustión, el motor eléctrico empujará el turbo a 70000rpm en menos de un cuarto de segundo para poder disfrutar de toda la potencia del sistema desde el primer momento.

Una vez el motor esté a pleno rendimiento y con los gases haciendo funcionar un segundo turbo convencional, un sistema de válvulas redirige el flujo de aire a este segundo turbo, desconectando el primero.

Pero además, han programado el sistema de válvulas de escape para que a bajas rpm, los escapes sólo salgan por una de las dos válvulas en cada cilindro y a altas rpm se active una segunda válvula que envía los gases a un segundo turbo.

Esquema del sistema de turbo eléctrico (Imagen: Audi)

Es decir, al arrancar el coche el turbo eléctrico da potencia extra instantáneamente al motor, cuando subimos un poco de revoluciones y el primer turbo convencional ya está funcionando, el eléctrico se desconecta y si a altas revoluciones seguimos demandando la máxima potencia, las válvulas redirigen los gases a un tercer turbo.

Ahora podríamos pensar que, en teoría, deberíamos ser capaces de instalar este tipo de turbo a cualquier coche. Se compra un turbo con motor eléctrico, se conecta a la batería de 12V del coche y ya tendríamos un extra de potencia sin sufrir lag en la aceleración ¿No?

El complejo sistema eléctrico que hace funcionar el turbo de Audi (Imagen: Audi)

Bueno, no es tan fácil, en internet podemos encontrar estos kits pero la verdad es que no hacen absolutamente nada ya que estos turbos no tienen la fuerza suficiente. Por eso Audi se ha tomado la molestia de implementar el generador y la batería que comentaba anteriormente. Es un sistema tremendamente complejo por lo que no es algo que se pueda instalar en cualquier motor como sí que se podría hacer con un turbo convencional, sin entrar en lo tremendamente caro que resultaría.

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