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Jesús Casanova KindelánCatedrático de Máquinas y Motores Térmicos

Dpto. Ingª Energética y Fluidomecánica

La contaminación emitida por los vehículos en la ciudad

La contaminación emitida por los vehículos en la ciudad. Jesús Casanova Kindelán 13 febrero 2008 1

Contenido

1. Contaminación y vehículos

2. El vehículo en la ciudad

3. Efectos en las emisiones

4. La evolución tecnológica

5. Conclusiones


Impacto del automóvil en el medio ambiente urbano

• Contaminación de la atmósfera

– Salud pública y calidad del aire

– Calentamiento global

• Ensuciamiento de edificios

• Ruido

• Contaminación del suelo y las aguas

• Ocupación del espacio

• Impacto en el paisaje urbano y natural Contaminación y vehículos

El vehículo en la ciudad

Efectos en las emisiones

La evolución tecnológica

Conclusiones

Conceptos desacoplados

Paris 2002

EE.UU. 1940


Emisiones de los vehículos

• Emisiones de gases por el tubo de escape ⇒ motor. – Gases principales: N2, H2O, O2, y CO2 (→ G.E.I.)– Productos contaminantes en pequeñas concentraciones

• Emisiones de partículas sólidas o líquidas en suspensión en el gas de escape (PM)

– Combustión + aceite

• Emisión de partículas de desgaste– Frenos, embrague y neumáticos.

• Gases de evaporación de la gasolina del tanque del vehículo y en estación de servicio

– Control en carga desde camión pero no en boquerel.

– “Cannister” en vehículos de gasolina

• Gases de cárter del motor. – Por normativa son recirculados.





5. Conclusiones


Emisión contaminantes tóxicas. Contribución de los vehículos

Principales sustancias emitidas a la atmósfera por los vehículos en una ciudad: Contaminantes primarios

∼ 70 % (variable)

∼ 15 % (↓)

∼ 30 % (NM)

∼ 75 %

∼ 90 %

Contribución

Mala Combustión (hidrocarburos)– Gotas líquidas

PMPartículas

Mala combustión (carbono)– Hollín (sólidos)

Inquemables del combustible, sales y desgaste– Sales y metales

CombustibleSOxÓxidos de azufre

Evaporación, combustión incompletaHC

(COV)

Hidrocarburos (Compuestos orgánicos volátiles)

Combustión a alta temperaturaNOxÓxidos de nitrógeno

Combustión incompleta (cinética y equilibrio químico)COMonóxido de carbono

ProcedenciaSímboloNombre





5. Conclusiones


Emisiones e Inmisiones en la ciudad

Contaminantes SECUNDARIOS

O3, PAN ácidos, aldehídos ...Radiación solar

La emisiones secundarias son tan o más

perjudiciales que las emisiones primarias

INMISIONES

Contaminantes PRIMARIOSCO, HC,

NOx, PM, ...

EMISIONES

Otras fuentes





5. Conclusiones


La influencia del tráfico en la contaminación de Madrid

Evolución diaria en Madrid de la concentración de: Radiación, HC, NO2 y O3 (mes de julio)

Evidencia la responsabilidad del tráfico en la contaminación de Madrid

NMHCRadiación solarNOx

O3

Fuente: www.munimadrid.es





5. Conclusiones


Factores de emisión de los vehículos

• FACTOR DE EMISIÓN EN g/km → FE (g/km) = Ee (g/h) / V (km/h) – Emisión por u. de tiempo: Ee (g/h) = ee (g/kW·h) · PM (kW)

– Potencia del Motor:

PM = [{M ·(g·fR + g·sen α + dV/dt) + 1/2 CX ·AF ·ρa ·V2} · V] / ηTR

Dependen del vehículo:Diseño, condiciones, mantenimiento

• ee → Emisiones específicas del motor

• ηTR → Rendimiento de la transmisión y neumáticos

• M → Masa del vehículo

• fR → Condiciones de los neumáticos (presión de inflado)

•1/2 CXAF → Forma del vehículo: aerodinámica y área frontal

Dependen de la pauta de conducción

• fR → Estado de la carretera

• sen α → Perfil de la carretera o ruta.

• dv/dt → Aceleración. Fluidez del

tráfico. Tipo de conducción

• V → Velocidad media

• ρa → Densidad del aire (altura

geográfica y temperatura del aire)





5. Conclusiones


Caracterización del comportamiento de los vehículos en la ciudad

• El motor en condiciones transitorias de régimen de giro y de grado de carga.

• El motor utiliza poca potencia

< 20 CV

• Revoluciones motor < 60 % de su valor máximo

• Periodos con motor a temperatura de refrigerante y de aceite bajas

• El motor está largos periodos de tiempo a ralentí (mínimo)

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Tiempo (s)

Velocidad (km/h) rpm/100 Posición Acelerador

Comparación CO Frío-Caliente

2

468

1012

1 75 149 223 297 371 445 519 593 667 741 815 889 963Tiempo (s)

CO caliente CO frío Tª Aceite

Comparación HC Frío - Caliente

0500

100015002000250030003500

1 72 143 214 285 356 427 498 569 640 711 782 853 924 995Tiempo

HC caliente HC Frío Tª Aceite





5. Conclusiones


Caracterización de cada ciudad

• Caracterización de la tipología del tráfico, por zonas– Orografía y urbanismo

– Tipos de vías

– Climatología

– Parámetros socio-económicos

• Intensidad media de tráfico, por zonas

• Parque de vehículos





5. Conclusiones


Dinámica del tráfico en la ciudad

• Afectan mucho a las emisiones– Velocidades

– Aceleraciones

– Tiempos de parada con motor en marcha

• Bajas velocidades medias asociadas a paradas y arranques repetidos

Zonas urbanas





5. Conclusiones Fuente: INRETS (Francia) 2004


Caracterización de las condiciones del tráfico

Resultados de un estudio realizado en Europa

Paradas durante el viajeLongitud media

por viaje(km)

Duración media

del viaje(min)

Valor medio

Número por km

Duración(min)

Duración(%)

Velocidad media(km/h)

Valores medios en uso urbano

3,4 9,0 5,8 1,7 2,4 18,4 23

Límite de velocidad

(km/h)

Densidad de cruces

(cruces / km)Nivel de tráfico Velocidad

estimada (km/h)

Medio 411 – 5

Alto 31Medio 33

Vías urbanas < 60> 5

Alto 23Medio 59

< 80 0,3Alto 46

Medio 92Autovías urbanas

> 80 0,3Alto 82

Fuente: INRETS (Francia) 2004





5. Conclusiones


Influencia de la velocidad media y de la tecnología en los factores de emisión

EMISIONES DE NOx DE TURISMOS GASOLINA

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

10 30 50 70 90 110 130Velocidad media (km/h)

Emis

ión

(g/k

m)

1986-19921993-19961997-2000

EMISIONES DE PM DE TURISMOS GAS-OIL

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45


Emis

ión

(g/k

m)

1986-19921993-19961997-2000

EMISIONES DE CO DE TURISMOS GASOLINA

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0


Emis

ión

(g/k

m)

1986-19921993-19961997-2000

EMISIONES DE HC DE TURISMOS GASOLINA

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5


Emis

ión

(g/k

m)

1986-19921993-19961997-2000





5. Conclusiones Fuente: Programa Copert III


Desarrollo de un ciclo de conducción para Madrid

• Recorridos por la ciudad – Vehículo instrumentado. – Seguimiento de un vehículo al azar– Diferentes horas y días

• Confección de matriz de densidades velocidad – aceleración por zonas de la ciudad

• Extracción del ciclo de conducción– Estudio de perfiles de velocidades y valores

máximos– Decisiones sobre inclusión de ciertas zonas

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

1

5

9

13

17

21

25

Aceleración (m/s2)

Velocidad (m/s)

MADRID COMPLETO DETALLE





5. Conclusiones

1 2 3

45

67

8

CIRCUITO 2TETUÁN


El Ciclo “Madrid”

Ciclo para certificación de vehículos en Europa para límites normalizados en Europa para vehículos ligeros

Ciclo representativo de una ciudad como Madrid(Trabajo realizado en la UPM)

Ciclo Europa

0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1.000Tiempo (s)

Velo

cida

d (k

m/h

)C iclo Madrid

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600Tiempo (s)

Vel

ocid

ad (

km/h





5. Conclusiones


Ciclo “Madrid” vs. Ciclo “Europa”

Datos obtenidos en banco de rodillos con un Peugeot 205 gasolina

Los vehículos emiten más contaminación en la ciudad que los límite homologados en Europa

Emisiones de CO (g/km)

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

C. Europa

C. MadridUrbano

Extra-Urbano

Media

UrbanoExtra-

UrbanoMedia

Emisiones de HC (g/km)

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

C. Europa

C. MadridUrbanoExtra-

Urbano Media

UrbanoExtra-

UrbanoMedia

Media

Emisiones de NOx (g/km)

0,000

0,020

0,040

0,060

0,100

0,120

0,140

C. MadridC. Europa

Extra-Urbano

Urbano0,080

UrbanoExtra-

UrbanoMedia





5. Conclusiones


3. Efectos en la emisiones


ordenador

acelerador

Tª agua

Tª aceite

revoluciones

velocidad

consumo combustible

Analizador de gases

Trabajo desarrollado en la ETSII UPM (Madrid)

Medidas con equipos embarcados





5. Conclusiones


La congestión del tráfico

Estudio realizado por GMT –UPM en Madrid.

Zona de calles anchas normalmente congestionadas

Referencia (Festivo)

Congestión baja

Congestión media

Velocidad media (km/h) 35,5 15,6 11,8

Velocidad media vehículo en movimiento (km/h) 44,3 25,2 18,5

Tiempo parado (s) 76 338 421

Tiempo movimiento (s) 308 544 738

Fuente: GMT - UPM





5. Conclusiones


La congestión del tráfico. Emisiones acumuladas

Fuente: GMT - UPM

Referencia: festivoCongestión baja: medio díaCongestión media: media tarde

Comparación CO frente al tiempo

0

2

4

6

8

10

12

14

1 91 181 271 361 451 541 631 721 811 901 991 1081

Tiempo (s)

Gra

mos

CO

Referencia C ongestión baja Congestión media

Comparación CO frente al tiempo

0

2

4

6

8

10

12

14

1 91 181 271 361 451 541 631 721 811 901 991 1081

Tiempo (s)

Gra

mos

CO

Referencia C ongestión baja Congestión media

Comparación NOx frente al tiempo

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

1 93 185 277 369 461 553 645 737 829 921 1013 1105

Tiempo (s)

Gra

mos

NO

x

Referencia Congestión baja Congestión media

Comparación NOx frente al tiempo

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

1 93 185 277 369 461 553 645 737 829 921 1013 1105

Tiempo (s)

Gra

mos

NO

x






5. Conclusiones

Comparación hidrocarburos en el tiempo

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

1 78 155 232 309 386 463 540 617 694 771 848 925 1002 1079 1156

Tie mpo (s)

Gra

mos

HC


Comparación hidrocarburos en el tiempo

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

1 78 155 232 309 386 463 540 617 694 771 848 925 1002 1079 1156

Tie mpo (s)

Gra

mos

HC



Influencia de las infraestructuras: consumo

0

100

200

300

400

500

Comparación datos principales

Ensayos por semáforos 446 249 22

Ensayos por puentes 275 189 35.75

Tiempo (s) Consumo (ml)

Velocidad media (km/h)

0

100

200

300

400

500

Comparación datos principales

Ensayos por semáforos 446 249 22

Ensayos por puentes 275 189 35.75

Tiempo (s) Consumo (ml)

Velocidad media (km/h)

Comparación entre circulación por superficie con semáforos y por pasos a diferentes nivel

Puentes y túneles





5. Conclusiones Fuente: GMT - UPM


Influencia de las infraestructuras: emisiones

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Factor de emisión (g/km)

HC

HC 0.027 0.049

Puente Semáforos0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05


HC

HC 0.027 0.049

Puente Semáforos 0

0.5

1

1.5

2


CO

CO 0.8 1.8

Puente Semáforos0

0.5

1

1.5

2


CO

CO 0.8 1.8

Puente Semáforos





5. Conclusiones

0.03

0.035

0.04

0.045

Factor de emisión g/km

NOx

Nox 0.044 0.045

Puente Semáforos0.03

0.035

0.04

0.045

Factor de emisión g/km

NOx

Nox 0.044 0.045

Puente Semáforos

Fuente: GMT - UPM


Influencia de la pauta de conducción

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1HC (g/km)

0.05 g/km 0.1 g/km 0.83 g/km

suave normal agresiva0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1 NOx (g/km)

0.028 g/km 0.038 g/km 0.087 g/km

suave normal agresiva





5. Conclusiones

2

4

6

8

10

12

14CO (g/km)

1,1 g/km 1,8 g/km 13,4 g/kmsuave normal agresiva

Fuente: GMT - UPM


El vehículo no lo es todo, pero ….

• Seleccionar el vehículo apropiado– Gasolina ↔ Diesel

– GLP ↔ Diesel

– Etanol ↔ Diesel

– Grande ↔ normal o pequeño

• Conducir “bien” el vehículo– “Conducción Eficiente”

Datos en tráfico real (turismo < 2500 kg)

Europa occidental

AsiaMundo

Norteamérica

Años

% d

e ve

hícu

los

liger

os d

iese

l

Europa occidental

AsiaMundo

Norteamérica

Años

% d

e ve

hícu

los

liger

os d

iese

l

Europa occidental

AsiaMundo

Norteamérica

Años

% d

e ve

hícu

los

liger

os d

iese

l

Europa occidental

AsiaMundo

Norteamérica

Años

% d

e ve

hícu

los

liger

os d

iese

l





5. Conclusiones

4,611Gasolina

1>1008,1Diesel

COPMNOxEuro 3Arranque en frío


Los vehículos actuales contaminan mucho menos (vehículos ligeros)

• Límites en g/km. Igual todos turismos

• Valores mayores en furgonetasLímites de CO en Europa

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

Año

Lim

ites

CO

(g/k

m) Gasolina

Diesel

Eur

o 1

Eur

o 3

Eur

o 4

Eur

o 5

Eur

o 6

Eur

o 2

Cambio procedimiento de ensayo





5. ConclusionesDiesel: difícil reducir PM y NOx simultáneamente

Gasolina: Difícil reducir emisiones de CO (arranque en frío)


Los vehículos actuales contaminan mucho menos (vehículos ligeros)

• Límites en g/km. Igual todos turismos

• Valores mayores en furgonetasLímites de HC + NOx en Europa

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

Año

Lím

ites

HC

+NO

x (g

/km

)

Gasolina

Diesel

Eur

o 1 Eur

o 3

Eur

o 4

Eur

o 5

Eur

o 6

Eur

o 2





5. Conclusiones

Diesel: difícil reducir PM y NOx simultáneamente

Gasolina: Difícil reducir emisiones de CO (arranque en frío)


Los vehículos actuales contaminan mucho menos (vehículos ligeros). PM ↔ NOx

Vehículos diesel ligeros

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2Emisiones NOx (g/km)

Emis

ione

s PM

(g/k

m)

Euro 1

Euro 3

Euro 2

Euro 4Euro 6Euro 5





5. Conclusiones


Los vehículos actuales contaminan mucho menos (vehículos pesados)

• Límites de emisiones en g/kWh. Motor más potente emite más

• Los límites van evolucionando hacia vehículos más limpios

Fuente: IVECO





5. Conclusiones


Evolución motores: consumo ↔ emisiones

Motores de enc. provocado (ciclo Otto)• ACTUAL: Bajo nivel de emisiones urbanas• EVOLUCIÓN: Reducción de consumo ⇒ CO2

Motores diesel• ACTUAL: Bajo consumo (algo menos CO2)• EVOLUCIÓN: Reducción de emisiones urbanas

Con

sum

o; C

O2

Emisiones: NOx, HC, CO, PM

Motores gasolina

Motores diesel

Motores diesel

Inyección directa¿Partículas?

Mezcla pobre

Distribución variable

Combustión optimizada para mínimo consumo

Filtro partículasEGR

Filtro partículas

DeNox Cat¿SCR?

Con

sum

o; C

O2

Emisiones: NOx, HC, CO, PM

Motores gasolinaMotores gasolina

Motores diesel

Motores diesel

Motores diesel

Motores diesel

Inyección directa¿Partículas?

Mezcla pobre

Distribución variable

Combustión optimizada para mínimo consumo

Filtro partículasEGR

Filtro partículas

DeNox Cat¿SCR?





5. Conclusiones


La renovación de la flota. Planteamiento de un estudio

• Realizado por GMT - UPM

• Objetivos– Estudiar las ventajas medioambientales de un plan de

renovación de vehículos ligeros.

– Analizar la influencia de la “dieselización” del parque de vehículos ligeros.

• Se han estudiado cuatro escenarios:• Situación actual

• Plan de renovación semieficiente: Sustituir por vehículos Euro 3– Anteriores a 1980 todos sustituidos

– 1981 a 1995 sustituidos el 50% según reparto actual.

• Plan de renovación perfectamente eficiente:– Todos los anteriores a 1995 sustituidos por Euro 3.

• Situación límite: Todo el parque a vehículos Euro 3





5. Conclusiones


La renovación de la flota. Resultados

Emisiones NOx

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de sustitutos de gasolina

Emis

ione

s (g

/km

-veh

ícul

o) Escenario 1Escenario 2Escenario 3Escenario 4

Emisiones CO

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de sustitutos de gasolina

Emis

ione

s (g

/km

-veh

ícul

o) Escenario 1Escenario 2Escenario 3Escenario 4





5. Conclusiones

Emisiones PM

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Porcentaje de sustitutos de gasolina

Emis

ione

s (g

/km

-veh

ícul

o)

Escenario 1Escenario 2Escenario 3Escenario 4

Fuente: investigación propia


5. Conclusiones


Conclusiones

• Las emisiones de los vehículos contribuyen a la formación de contaminantes secundarios.

• La influencia de sus emisiones depende de la dinámica del tráfico, de la antigüedad de la flota, de la pauta de conducción y de las infraestructuras

• Los vehículos han evolucionado mucho, habiéndose reducido mucho las emisiones unitarias.

• La renovación del parque es importante para reducir las emisiones, pero debe frenarse la “dieselización” del parque circulante de vehículos ligeros

• Cuidado con los combustibles alternativos.





5. Conclusiones

Gracias por su atención

[email protected]

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