AHORRO DE COMBUSTIBLE EN CUESTAS

SAMUEL GARCÍA UTRILLA

2º Bachillerato de Investigación

IES Licenciado Francisco Cascales

RESUMEN

En este proyecto se analiza la utilidad que supone implementar un sistema que apague el motor en pendientes descendientes para ahorrar gasolina, de la misma forma que se ha implementado cuando el coche está en ralentí mediante el sistema "Start-stop". Para ello se han analizado tres factores: la velocidad, la seguridad y el ahorro.

Todo el proyecto se ha realizado de manera teórica y analítica, sin contrastar con pruebas reales debido a la complejidad de estas. La velocidad se ha estudiado mediante una serie de operaciones matemáticas siguiendo la Segunda Ley de Newton y realizadas por el programa Excel para extraer las diferentes gráficas. Además estas operaciones se han realizado por diferenciales de espacio de un metro y suponiendo un rozamiento constante. Las operaciones se han realizado sobre una pendiente real: la autovía A-30 desde el kilómetro 155 al 145; y con las características del Chevrolet Aveo Sedan. Para la seguridad se ha tenido en cuenta los sistemas de seguridad del vehículo que se ven afectados al apagar el motor y las normas de tráfico que rigen el tramo de pendiente seleccionado. Por otro lado se han supuesto unas condiciones atmosféricas favorables, una vía en perfectas condiciones y un estado mental y físico del conductor óptimo. Por último, para el ahorro se han estudiado los sistemas de inyección de gasolina actuales para ver si resultaba favorable la implantación del sistema propuesto, y se ha calculado el ahorro que supondría descender la pendiente sin encender el motor a partir de las características del vehículo. Finalmente, tras el análisis de todas las partes se ha obtenido que el sistema que se propone de apagar el motor para bajar una cuesta resulta moderadamente seguro y ahorrativo en cuanto combustible, pero ya existen otros sistemas recientemente implementados que cumplen la misma función.

1. INTRODUCCIÓN

En este trabajo se analizará y comprobará la siguiente hipótesis: ¿Se podrá aplicar el "Stop-start system" en pendientes negativas?

El "Stop-start system" es un sistema automático, que poseen muchos de los últimos coches que les permite apagar el motor cuando se encuentren más de diez segundos en reposo; esto les permite ahorrar combustible, y por consiguiente reducir la contaminación (Reyes, 2014). Este sistema es especialmente utilizado en la ciudad, ya que muchas veces se pasa bastante tiempo con el motor en ralentí pudiéndolo apagar para consumir menos combustible. La idea de este trabajo es comprobar si este sistema se podría aplicar de la misma forma en cuestas hacia abajo, de manera que en ese momento el coche avance únicamente gracias a la fuerza de la gravedad, y de esta manera ahorre combustible y reduzca la contaminación del mismo.

Para ello, en primer lugar se realizarán una serie de cálculos en los que se utilizarán diversos datos para la obtención de variables como la velocidad y la aceleración de un vehículo en una determinada cuesta, que para este proyecto se utilizará la carretera del Puerto de la cadena que baja a Murcia. Posteriormente se comprobará la seguridad de este sistema, de acuerdo con las normas de circulación, seguridad del propio vehículo y posibles accidentes, y se comparará con el gasto de combustible ahorrado para comprobar que es útil. En este último punto no se tendrá en cuenta la cantidad de combustible que consume un coche al arrancar, pero sí el tiempo que ha estado sin consumir combustible real, esto dependerá sobre todo la longitud de la cuesta.

2. OBJETIVOS

El objetivo de este proyecto es comprobar si un sistema homólogo al "Start-stop" que funcione en pendientes descendientes resultaría beneficioso para el ahorro de combustible y para la reducción de gases contaminantes sin perder toda la seguridad del vehículo.

3. METODOLOGÍA

En primer lugar, se han obtenido los diferentes datos sobre las características del vehículo y la pendiente que se ha utilizado para el sistema. El vehículo en concreto es el Chevrolet Aveo Sedan y la pendiente es la autovía A-30 desde el kilómetro 155 al 145. Estos datos se han obtenido gracias a búsquedas en internet y de trabajos del mismo ámbito de estudio. Una vez conseguidos todos los datos necesarios se ha procedido a introducirlos en el programa Excel. Más adelante se han obtenido las fórmulas necesarias a través de la inteligencia artificial "WolframAlpha" y de principios físicos y han sido ejecutadas por el propio programa Excel, obteniendo así los resultados que se buscaban tales como la velocidad, la aceleración o el tiempo en todos los tramos de la pendiente y se han elaborado gráficas para representarlos.

En segundo lugar, se ha realizado un estudio sobre los motores actuales y más concretamente sobre su sistema de inyección de combustible para comprobar si el sistema es útil. Tras esto, se han elaborado una serie de cálculos con los resultados obtenidos de velocidad y aceleración para medir el ahorro del combustible suponiendo un gasto normal del vehículo.

Por último, se ha comprobado la seguridad que supone bajar una pendiente con el motor apagado y con la velocidad calculada teniendo en cuenta la seguridad del vehículo y normas de tráfico, pero omitiendo las condiciones del conductor y posibles fallos del mismo.

4. DESARROLLO

4.1. VELOCIDAD

La pendiente escogida para el cálculo será la autovía A-30 desde el kilómetro 155 al 145 en dirección Cartagena. Esta autovía cruza un puerto de montaña conocido como el Puerto de la Cadena, de ahí que la autovía también reciba ese nombre, y para este trabajo se tomará en sentido descendente con la intención de observar el aumento de velocidad de un automóvil cuando circula con el motor apagado.

Los datos se han obtenido gracias a la aplicación de Wikiloc, utilizada por senderistas y mediante ella se puede obtener la pendiente de cualquier ruta que se seleccione o se elabore sobre el mapa. Así se han obtenido las diferentes altitudes sobre el nivel del mar de todo el tramo de la pendiente. De esta manera se conoce que la pendiente comienza con una altitud de 356 metros y al finalizar el tramo seleccionado tiene una altitud de 42 metros.

La pendiente no es completamente regular, por lo que no se tomará como una única, sino que se dividirá en tres tramos en función de los cambios de pendiente. Durante estos tres tramos, la autovía realiza diferentes curvas para adaptarse al perfil de la montaña. Dichas curvas no se tendrán en cuenta a la hora de realizar los cálculos, por lo que se tomará la carretera como una pendiente simple en línea recta. Esta decisión tiene como objetivo simplificar los cálculos, ya que no se tiene el nivel necesario para realizarlos y al ser una pendiente de ejemplo no se tiene por qué representar fielmente.

El primer tramo irá del kilómetro 155 al 150.4, donde se desciende una altitud de 207.2 metros. El segundo tramo recorrerá del kilómetro 150.4 al 148 y descenderá unos 77 metros. Y por último, el tercer tramo ocupará los 3 kilómetros restantes, del 148 al 145, y descenderá unos 29.8 metros. A partir de estos datos se calcula el ángulo (?) que forma cada tramo de pendiente: para el primer tramo ? = 0.0452 radianes, para el segundo ? = 0.032 radianes y para el tercero ? = 0.01 radianes, aproximadamente.

Estos tramos también se pueden representar en porcentajes de manera que el primer tramo tendrá una pendiente del 4.5 %, el segundo de 3.2 % y el tercero de 1%, aproximadamente. Estos porcentajes son los correspondientes a las medias de los tramos escogidos exclusivamente, es por eso que pueden no coincidir con las señales de precaución que se encuentran dispuestas en ciertos puntos de la carretera donde la pendiente es mayor.

El vehículo que se tomará como ejemplo para esta prueba será el Chevrolet Aveo Sedan. Esta elección está condicionada por el estudio sobre la aerodinámica de este mismo modelo realizado por Santamaría y Calero en 2012, del cual se obtendrán algunos de los datos esenciales para este proyecto.

El Chevrolet Aveo Sedan es un turismo de 5 plazas y 4 puertas con una masa de 1178 kg y unas dimensiones de 4399 x 1735 x 1517 mm (ancho sin retrovisor). Tiene un motor de gasolina y un gasto de 5.1 l/100km en circulación mixta (urbana y extraurbana). Además su potencia es de 86 CV y su emisión de CO2 es de 119g/km.

Por otro lado, gracias al estudio de Santamaría y Calero (2012) se ha podido obtener el coeficiente de arrastre del coche que es de 0.35 redondeado. Este resultado se ha obtenido con la ayuda de programas electrónicos: uno de diseño gráfico llamado Autodesk 3ds Max, para crear una figura digital del vehículo; y otro de análisis de elementos finitos llamado SolidWorks, donde se ha introducido el modelo digital del vehículo y se han obtenido los resultados.

Además se han usado algunos parámetros específicos que simulaban las condiciones físicas del entorno donde se realizó la investigación: una temperatura de 15ºC, es la temperatura media del sector Brigada Patria de Latacunga, Ecuador; una presión atmosférica de 0.76 atm, correspondiente a una altitud de 2800 metros; una densidad del aire (?) de 0.931 kg/m3 y una velocidad promedio de 100 km/h, que es equivalente a 27.8 m/s.

Con todos estos datos, más los obtenidos de los programas, se ha podido obtener el coeficiente de arrastre con la siguiente fórmula:

Dónde: (Fuerza de arrastre) se ha obtenido con el programa y es equivalente a 253.3602462; es el coeficiente de arrastre que se pretende hallar, es la densidad del aire, es la velocidad del vehículo y es el área frontal del vehículo.

Por otro lado para este proyecto no se ha tenido en cuenta el rozamiento de las piezas del propio vehículo ya que no se dispone el nivel ni los materiales necesarios para realizarlo. En cambio si se ha tenido en cuenta el coeficiente de rozamiento de las ruedas con el asfalto que es de 0.01 de acuerdo con los datos proporcionados por EngineeringToolbox, omitiendo el peso extra del vehículo y considerando tanto las ruedas como el asfalto nuevos o en buen estado.

Una vez obtenidos todos los datos necesarios, se procede a realizar el cálculo de la velocidad del vehículo al finalizar la pendiente. Para ello se utilizará en primer lugar la Segunda Ley de Newton: , donde F son las distintas fuerzas que intervienen, m es la masa del vehículo y a es la aceleración que queremos hallar.

Para hallar las fuerzas que intervienen realizamos el siguiente esquema:

Fig. 1. Representación de las Fuerzas. Fuente: Elaboración propia.

De este esquema se puede obtener que tenemos una fuerza que favorece al movimiento del vehículo (representado con el cuadrado marrón), que tenderá a descender; y otra fuerza que contrarresta este movimiento. La primera es el peso en el eje X que es representado como Px y se obtiene a partir del peso () y el ángulo de la pendiente (?) siguiendo la fórmula; y la segunda es la Fuerza de rozamiento (Fr) que, a su vez, se dividen en dos fuerzas independientes: la fuerza de resistencia del aire que viene dada por la fórmula; y la fuerza de resistencia de las ruedas rodando sobre el asfalto que se obtiene de la fórmula donde µ es el coeficiente de rozamiento de las ruedas obtenido anteriormente.

Una vez obtenidas las fuerzas, las representamos en la ecuación de la Segunda Ley de Newton dando valor positivo a las fuerzas que actúen en favor del movimiento y valor negativo a las que actúen de forma contraria al movimiento quedándose de esta manera.

Para la resolución de esta última ecuación se ha usado el programa Excel, donde se han ido introduciendo las fórmulas y los distintos valores para que el programa las resuelva. Estas fórmulas se han obtenido y simplificado gracias al programa Mathematica, en su versión online WolframAlpha, ya que algunas de ellas necesitaban una derivación compleja. Este programa es una inteligencia artificial gratuita capaz de simplificar y elaborar fórmulas matemáticas a través de los datos que le proporciones.

La resolución se ha hecho por diferenciales de 1 metro de distancia para que la velocidad usada en la fórmula del rozamiento del aire sea la obtenida en el tramo anterior y así obtener unos resultados más exactos. De esta manera hemos dividido los 10 km de pendiente en 10000 tramos de 1 metro y se ha obtenido la velocidad en cada uno de ellos de forma individual. Además dentro la fórmula del rozamiento del aire se ha utilizado la densidad del aire en el puerto de la cadena, para ajustar los datos a las condiciones concretas del experimento. Esta densidad del aire se ha obtenido utilizando la fórmula del CIPM-2007 en la página web de Cenam (Centro Nacional de Meteorología) de México, con los datos meteorológicos proporcionados por el Tiempo.com y ha resultado ser de 1.239 kg/m^3. También, para poder comenzar a calcular, se ha tenido que introducir una velocidad inicial que en este caso ha sido de 22.223 m/s por ser el límite de velocidad máximo en ese tramo de carretera.

Los resultados para el final de cada tramo han sido: 28.496 m/s y 0.0028 m/s^2 para el final del primer tramo, 23.482 m/s y -0.017 m/s^2 para el final del segundo tramo y 6.624 m/s y -0.0185 m/s^2 para el final de la pendiente. El tiempo total en descender la pendiente ha sido de 522.6 segundos lo que equivale a 8.71 minutos. Todos los datos y las formulas se pueden comprobar en el Anexo 1.

Además, gracias al programa Excel se han conseguido las gráficas de velocidad/tiempo y aceleración/tiempo de todo el tramo de pendiente, más 5 kilómetros más con la inclinación de la última pendiente para comprobar la evolución.

Fig. 2. Gráfica velocidad/espacio de la pendiente. Fuente: Elaboración propia.

Fig. 3. Gráfica aceleración/tiempo de la pendiente. Fuente: Elaboración propia.

Con estos resultados se puede comprobar que la velocidad baja durante toda la pendiente a excepción del primer tramo que aumenta considerablemente. Además se observa que la velocidad disminuye drásticamente en el último tramo y esto se debe a que la pendiente de este último es significativamente inferior a la de los otros dos. En cuanto a la aceleración, observamos que esta disminuye en el primer tramo y que al cambiar de pendiente esta disminución es mucho mayor y espontánea volviéndose negativa. Luego observamos que durante el segundo y tercer tramo la aceleración sí aumenta considerablemente aunque sin llegar a ser positiva y que si prolongásemos la última pendiente cinco kilómetros más, la aceleración llegaría a ser prácticamente igual a 0.

4.2. SEGURIDAD

Para analizar la seguridad en el caso de que un coche descienda el puerto de la Cadena con en el motor apagado, se obviará el factor humano y solo se tendrán en cuenta el vehículo y la vía y su entorno en las condiciones concretas en las que se desarrolla el sistema.

Para ello vamos a suponer en primer lugar que todos los mecanismos del vehículo se encuentran en perfectas condiciones, que no van a ocasionar ningún fallo y que en el caso de accidente funcionarán correctamente. Además, de la misma manera se supondrá que las condiciones de la vía también son las idóneas y que no habrá problemas con ese factor. Sin embargo, se debe de tener en cuenta que el vehículo bajará con el motor apagado, por lo que el control sobre él será menos preciso y más peligroso al prescindir del freno a motor, aunque seguirá funcionando la dirección, el freno de pie, el freno de mano, los sistemas eléctricos y los sistemas de seguridad pasiva.

En cuanto al entorno, las condiciones meteorológicas del lugar suelen ser normalmente favorables, según los datos proporcionados por Meteobox, la zona suele ser soleada y húmeda sin ráfagas de viento muy fuertes por lo que no suelen aparecer circunstancias meteorológicas adversas como el hielo o la nieve.

Para estudiar el caso concreto se utilizarán las velocidades obtenidas al final de cada tramo de la pendiente y las señales de tráfico en ese tramo de pendiente. La limitación máxima de velocidad establecida para el tramo a estudiar es de 80 km/h hasta el kilómetro 148 donde esta aumenta a 90 km/h, mientras que la mínima será la mitad en ambos casos. Además, como medida de seguridad extra establecida por el gobierno, encontramos que en el kilómetro 147.75 tenemos una zona de frenado de emergencia que podría resultar útil en el caso de perder el control sobre la velocidad del coche.

Según los datos de las gráficas se sabe que la velocidad en el kilómetro 150.4 es de 28.496 m/s lo que equivale a 102.6 km/h, en el kilómetro 148 es de 23.482 m/s equivalente a 84.5 km/h y en el kilómetro 145 es de 6.624 m/s equivalente a 23.8 km/h. Con esto comprobamos que en el kilómetro 150.4 sobrepasamos el límite de velocidad establecido por lo que tendríamos que empezar a frenar desde el principio del tramo, ya que como muestra la gráfica de aceleración/espacio del primer capítulo la aceleración durante el primer tramo es positiva hasta los últimos metros que se vuelve nula pero allí la velocidad ya ha pasado la máxima.

En el segundo tramo la velocidad inicial es superior a la establecida también, pero aquí la aceleración es siempre negativa por lo que tan solo se tendría que frenar ligeramente dejando que el rozamiento del asfalto frenase el vehículo.

El último tramo comienza con una velocidad adecuada debido a que justo en ese kilómetro el límite de velocidad aumenta a 90 km/h, sin embargo al final del tramo nos encontramos con una velocidad muy inferior a la mínima permitida por lo que en algún punto del tramo deberíamos conectar de nuevo el motor y acelerar. El punto exacto donde la velocidad empieza a ser inferior a 45 km/h o 12.5 m/s es en el kilómetro 146.506, prácticamente casi al final de la pendiente (comprobar en Anexo 1).

4.3. AHORRO DE COMBUSTIBLE

A la hora de la inyección del combustible, la proporción en la mezcla entre combustible y aire tiene que ser constante y no puede ser menor de unas 10 partes de aire por cada 1 de gasolina, ni mayor de 17 partes de aire por cada 1 de gasolina. A esta proporción se le conoce como factor lambda y por debajo o por encima de este factor el motor no funciona correctamente ya que puede llegar a ahogarse en caso de que haya un exceso de combustible y calarse en caso de que haya demasiado aire (Bosch, 1996). Además si el aire es caliente, la cantidad de aire necesario para cumplir el factor lambda es mucho menor que si el aire es frío y viceversa.

Esta necesidad de precisión y adaptación para introducir la cantidad adecuada de combustible propulsó la aparición de mecanismos electrónicos capaces de recibir los estímulos exteriores para inyectar la cantidad exacta de combustible que sea necesaria en cada momento. A este sistema se le conoce como sistema de inyección electrónica, y actualmente se encuentra implantado en los vehículos de nueva producción sustituyendo al antiguo carburador de motores gasolina o complementando la bomba de inyección de los motores diésel (Bosch, 2010).

Gracias a los sensores y actuadores electrónicos de la inyección electrónica el gasto de combustible que se produzca al descender una cuesta con una marcha engranada va a ser nulo o apenas significativo. Esto se debe a que los sensores captarán la cantidad de aire que entra al motor, que hay una marcha engranada y que además no se está pisando el acelerador, por lo que transmitirán a los actuadores que hay energía suficiente para mover el motor y que no es preciso inyectar combustible. En este caso el motor funcionará gracias al movimiento que transmiten las ruedas y comprimirá esta energía y la expulsará por el tubo de escape (Espinosa, 2013).

Además circular en punto muerto tampoco ahorra combustible, sino que por el contrario gasta más. Esto se debe a que cuando el motor no lleva ninguna marcha puesta necesita que haya una inyección de combustible constante para no calarse. Esta cantidad de combustible se encuentra aproximadamente entre los 0.5 y 0.7 litros por hora (El Motor, 2019).

Para comprobarlo, Espinosa hizo en 2013 una pequeña prueba en un circuito cerrado y con un vehículo provisto del sistema de inyección electrónica. En el experimento Espinosa bajo la misma pendiente con el mismo coche, en algunos casos con una marcha puesta y en otros en punto muerto y mediante el ordenador de abordo comprobó el gasto de combustible por cada cien kilómetros. En los casos en los que bajaba con una marcha engranada, el ordenador marcaba un consumo de combustible nulo, mientras que en los que se bajaba en punto muerto marcaba un gasto de 1.4 l/100 km aproximadamente.

Sin embargo, este sistema de inyección electrónica ha sido implantado recientemente por lo que los vehículos que aún circulen con carburador y sin elementos electrónicos sí ahorrarán combustible circulando en punto muerto por pendientes ya que el gasto de llevar una marcha engranada será mucho mayor (Toyota, 2018).

Por otro lado, circular con el motor apagado también ahorra combustible para cualquier vehículo independientemente del sistema de inyección que posea.

Al margen de qué tipo de sistema se utilice para no gastar gasolina durante la bajada, el vehículo ahorrará una cantidad de combustible proporcional al tiempo que utilice para bajar la pendiente. En el caso concreto que se está estudiando el vehículo baja una pendiente de 10 kilómetros en un tiempo de 522.6 segundos que equivalen a 0.145 horas. Si suponemos que el gasto del vehículo es de 5.1 l/100 km con una marcha engranada, según los datos del vehículo, y que en punto muerto es de entre 0.5 y 0.7 litros cada hora, de acuerdo con las estimaciones de El Motor, obtendremos que el vehículo ha ahorrado 0.51 litros en comparación con circular con el el motor encendido, y 0.087 litros en comparación con circular en punto muerto.

En cuanto a las emisiones del vehículo, se ha especificado que el auto en concreto produce 119g/km de CO2, por lo que un tramo de 10 kilómetros con el motor apagado habrá generado 1190 gramos menos de CO2.

5. CONCLUSIONES

Tras el estudio bibliográfico y los cálculos se han extraído las siguientes conclusiones:

• La velocidad en la pendiente disminuye considerablemente debido sobre todo al rozamiento del asfalto con las ruedas. El rozamiento del viento también influye, pero es menos significativo que el del asfalto.
• La velocidad aumenta solo en el primer tramo del recorrido donde la pendiente es mayor llegando a aumentar 6.2 m/s en comparación con la velocidad inicial, aunque al final de este tramo la aceleración es prácticamente nula. En el resto de tramos la velocidad baja considerablemente, especialmente en el último que la pendiente es muy pequeña. Además la aceleración en esos tramos es siempre negativa aunque tiende a ser cero como podemos comprobar si alargásemos 5 kilómetros más el recorrido con la inclinación de la última pendiente.
• El ahorro de combustible sí es significativo ya que se ahorra aproximadamente 0.5 litros en un recorrido de 10 km en comparación con el gasto habitual de combustible del vehículo y 0.084 litros en comparación con circular en punto muerto.
• La reducción de gases contaminantes también es significativa ya que se producen 1190 gramos menos de CO2 que si se circulase con el motor inyectando gasolina.
• La seguridad no disminuye gravemente ya que circular con el motor apagado permite usar casi todos los sistemas de seguridad del vehículo, aunque la inyección electrónica es más segura por el hecho de llevar el motor encendido y poder usar el freno a motor en caso de emergencia.
• La velocidad con la que se circula es superior al límite máximo de velocidad en el primer tramo sobre todo, donde la aceleración es positiva, e inferior a la mínima al final del último tramo. Para que este sistema cumpliese con las normas de tráfico se tendría que frenar únicamente durante el primer tramo de pendiente donde la aceleración es positiva. Una vez se mantiene una velocidad por debajo del límite al llegar al final del primer tramo, no es necesario volver a frenar ya que la aceleración no vuelve a ser positiva. Sin embargo, así se llegaría antes al punto donde la velocidad está por debajo de la mínima y se debe encender el motor para acelerar, ya que la velocidad inicial del segundo tramo sería menor.
• El sistema que se propone (implantar el start-stop para que funcione en pendientes) es innecesario ya que existen otros mecanismos por los que el coche ahorra gasolina aprovechando la inclinación de la pendiente como la inyección electrónica. Sin embargo, apagar el motor de forma manual al descender una pendiente en vehículos que no posean el sistema de inyección electrónica sí resultará beneficioso para ahorrar combustible y reducir emisiones.

6. BIBLIOGRAFÍA

ANEXO 1