¿Sabías que…?Número 10

…cómo se obtienen las cifras de consumo medio declaradas por los fabricantes de coches?

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Alvaro Sauras

Ing. Industrial
Jefe técnico de Autofácil y EVO España

Introducción:

En términos coloquiales, las cifras de consumo medio anunciadas por los fabricantes se calculan a partir de las emisiones de dióxido de carbono registradas durante el ensayo en banco de potencia del vehículo de cara a la obtención de la homologación tipo. Grosso modo, puede decirse que cada kilogramo de dióxido de carbono registrado durante el proceso de homologación ha requerido la combustión de 0,43 litros de gasolina o 0,38 litros de gasóleo, y que estas dos relaciones se emplean, una vez determinadas las emisiones de CO2 durante el recorrido de homologación (denominado New European Driving Cycle o NEDC), convertido ese valor a gramos de dióxido de carbono por kilómetro, para calcular indirectamente las cifras de consumo medio urbano, consumo medio extraurbano y consumo medio combinado que proporcionan los fabricantes.

Técnicamente hablando, la determinación de la cifra de consumo medio no es sino uno más de la multitud de valores que el fabricante debe medir y consignar durante el largo proceso de obtención de la homologación tipo, que vamos a recorrer de forma sucinta.

El marco legal:

La directiva de etiquetado de vehículos de pasajeros de la Unión Europea(1) fue concebida para concienciar a los consumidores acerca de las emisiones y consumo de los vehículos nuevos a la venta en Europa y ayudarles a la hora de decantarse por modelos con bajos niveles de consumo y emisiones. Esta directiva obliga a los fabricantes a, entre otras cosas, publicitar, tanto en los concesionarios como en todo el material publicitario relacionado con sus modelos, tanto las cifras de consumo medio homologado como la cifra de emisiones medias de dióxido de carbono de sus vehículos.

Por su parte, el reglamento ECE R.101(2) establece el marco legal para la obtención de la autorización para la comercialización de un vehículo en la Unión Europea, denominada European Community Whole Vehicle Type Approval (ECWVTA)(3,4)y coloquialmente conocida como Homologación Tipo. A su vez, el R.101 especifica que la determinación de los valores de consumo y emisiones que se consignarán en la homologación tipo, debe realizarse con arreglo al reglamento ECE R.83(5), que regula el cálculo de las emisiones de escape, las emisiones del cárter, las emisiones evaporativas, la durabilidad de los dispositivos antipolución y el funcionamiento del sistema de diagnóstico de a bordo OBD.

El reglamento establece que todo el proceso debe ser supervisado por una autoridad de homologación, y abre la posibilidad a que esta autoridad proporcione asistencia técnica al fabricante durante el proceso de obtención de la homologación tipo. En la práctica, la autoridad de homologación y el fabricante trabajan muy estrechamente durante el proceso de homologación.

Una de las mayores curiosidades del proceso, y la razón por la que el reglamento R.83 no hace referencia a la determinación del consumo medio es que la medida del consumo en sí se realiza de forma indirecta: la cifra de consumo se deduce a partir de las masas de cada uno de los compuestos químicos presentes en los gases de escape.

Breve introducción al procedimiento de ensayo actual:

Así pues, el paso previo al cálculo del consumo medio homologado es la determinación de los niveles de emisiones. El procedimiento exacto para determinar estos niveles depende de tres factores: el tipo de combustible, el tipo de vehículo y, si se trata de un vehículo bi-fuel (preparado para funcionar con dos tipos de combustible), el volumen de los depósitos para cada uno de los combustibles (suponiendo que existan dos depósitos, como por ejemplo en el caso de los vehículos que pueden funcionar con gasolina y gas natural comprimido), de forma que el número de combinaciones diferentes que pueden darse es bastante elevado.

Cuando en septiembre de 2017 entre en vigor el nuevo protocolo de ensayo (el WHTP, o como se le conoce oficialmente, GTR-15), coincidiendo con la activación de la fase 6c de la actual normativa Euro6, el sistema se complicará un poco más, ya que se establecen cuatro categorías diferentes en función de la relación peso-potencia del vehículo ensayado.

A efectos prácticos, y con independencia del tipo de vehículo y el combustible, la medida de las emisiones de gases contaminantes se realiza empleando un prototipo del vehículo que se pretende homologar, que rueda sobre un banco dinamométrico o banco de potencia. Este banco se programa para simular una resistencia a la rodadura y una inercia similares a las del vehículo a homologar. La resistencia a la rodadura se determina durante una prueba en una pista perfectamente llana, en la que se acelera el coche hasta una cierta velocidad y se le deja perder velocidad, en punto muerto, hasta detenerse. La inercia se determina a partir del peso del prototipo. Actualmente, la mayor parte de las ‘elasticidades’ que mencionaremos a lo largo de este artículo se concentran en la etapa de determinación de la resistencia a la rodadura.

Figura 1. Un modelo en un banco dinamométrico, preparado para el ensayo de emisiones de gases de escape. El gran monitor que se aprecia junto a la ventanilla del conductor sirve para mostrarle al conductor la curva del NEDC. Foto cortesía de Ford Motor Company..

Por supuesto, las condiciones antes y durante el ensayo en banco vienen recogidas en la norma R.83, aunque la laxitud en la definición de algunos parámetros abre la puerta a la explotación de elasticidades. Por ejemplo, se establece que la temperatura de precondicionamiento del prototipo y de desarrollo del ensayo debe encontrarse entre 20 ºC y 30 ºC (grados Celsius). La norma GTR-15 (en vigor a partir de septiembre de 2017) establece tolerancias mucho más estrictas para casi todos estos parámetros. Por ejemplo, la temperatura del ensayo deberá ser de 23 ºC, con un margen de cinco grados durante la ejecución del test y de tan sólo tres grados en el momento en el que se arranca el motor.

Durante el ensayo en el banco, se recorre con el prototipo el denominado NEDC o New European Driving Cycle. Este ciclo, definido en 1997, tiene una duración de 1 180 segundos, de los cuales los primeros 780 corresponden al denominado ciclo urbano. Según la normativa de etiquetado, los fabricantes están obligados a publicitar, en litros de combustible por cada 100 km recorridos (en m3/100 km en el caso de vehículos propulsados por gas natural comprimido), el consumo medio registrado durante esos primeros 780 segundos (consumo medio homologado en ciclo urbano), el consumo medio registrado durante la segunda parte (consumo medio homologado en ciclo extraurbano), el consumo medio registrado durante el ciclo completo (consumo medio homologado durante el ciclo combinado) y las emisiones medias de dióxido de carbono (en gramos por kilómetro, g/km) registradas durante el ciclo completo. De nuevo, la activación de la norma Euro 6c en septiembre de 2017 implicará un cambio relevante: el ciclo NEDC será sustituido por otro más largo –18 000 segundos; es decir, media hora– y exigente en términos de aceleración máxima, velocidad media, velocidad punta, etc… y, por supuesto, más representativo de las condiciones reales de circulación en Europa.

Figura 2. Esquema de la configuración empleada para la medida de las emisiones contaminantes.

El procedimiento para el análisis de los gases de escape

Figura 3. Un túnel de dilución (Foto cortesía de AVL).

Mientras se recorre el NEDC, se procede a muestrear los gases de escape del vehículo ensayado. Para ello, se conducen los gases de escape a un conducto denominado ‘túnel de dilución’. En este túnel, los gases de escape se mezclan con aire procedente de la sala de ensayo. La dilución se lleva a cabo para permitir la finalización de cualquier reacción química inacabada. Por ejemplo, es frecuente que una parte de las partículas que emite un vehículo se generen fuera del vehículo, cuando los gases calientes del escape se mezclan con aire fresco, mucho más rico en oxígeno. Durante el ensayo, se muestrea la corriente de gases que abandona el túnel de dilución mediante una técnica denominada CSV. El gas que se toma como muestra se almacena en una serie de bolsas de ensayo, cuyo contenido se analiza rápidamente -la norma establece que no deben transcurrir más de 20 minutos entre la recolección de la muestra y su análisis-.

El resultado del análisis del contenido de las bolsas determina las cantidades de contaminantes presentes en los gases de escape: dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no quemados y partículas.

La determinación del consumo medio a partir de la composición de los gases de escape

Las cantidades de dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados se emplean para, a través de un balance de masas, determinar la cantidad de combustible que ha entrado al motor.

Figura 4. Un túnel de dilución (fotografía cortesía de Mahle Powertrain).

Para ello, se considera también la densidad del combustible, y se emplean las fórmulas recogidas en el reglamento ECE R101, que en concreto son:

  • Para vehículos de gasolina:

    Comb. consumido = (0.1154 / D) · [(0.866 · HC) + (0.429 ·CO) + (0.273 · CO2)]

  • Para vehículos de LGP

    Comb. consumido = (0.1212 / 0.538) · [(0.825 · HC) + (0.429· CO) + (0.273 · CO2)]

  • Para vehículos de gas natural:

    Comb. consumido = (0.1336 / 0.654) · [(0.749 · HC) + (0.429 · CO) + (0.273 · CO2)]

  • Para vehículos diésel:

    Comb. consumido = (0.1155 / D) · [(0.866 · HC) + (0.429 · CO) + (0.273 · CO2)]

donde D es la densidad del combustible, HC los hidrocarburos no quemados, CO el monóxido de carbono y CO2 el dióxido de carbono; todo ello en unidades del S.I.

En términos prácticos, y dado que, en comparación con la masa de dióxido de carbono producida, los niveles de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados son testimoniales, puede considerarse que, aproximadamente, la cantidad de combustible consumido es directamente proporcional a la cantidad de dióxido de carbono producido, según estas relaciones prácticas(6):

Tabla 1

Esta prueba se repite cinco veces, y se calculan los valores de consumo de cada uno de los ensayos. Entonces, se realiza la media aritmética de esos valores y ese valor se convierte en valores de consumo medio en litros de carburante a los 100 km (o m3/100 km, en el caso del gas natural). Estos valores, redondeados a una sola cifra decimal, son los que se consignan en el documento oficial para la obtención de la homologación tipo, y los valores de consumo medio homologado que el fabricante deberá publicitar en cumplimiento de la normativa de etiquetado de automóviles.

La divergencia entre valores homologados y consumo real: ¿es un error de medida?

En los últimos tres años, la utilidad de la publicación de estas cifras de consumo medio se ha visto puesta reiteradamente en entredicho, sobre todo a raíz de los sucesivos estudios comparativos que el International Council for Clean Transportation, ICCT –una organización sin ánimo de lucro financiada por diversas fundaciones radicadas principalmente en Europa y EE.UU. y dedicadas a la preservación del medio ambiente(7)– viene llevando a cabo desde el año 2013. Según el último informe ‘Mind the gap’ del ICCT(8), la desviación media entre las cifras de consumo medio homologadas y los valores de consumo medio reales de los coches a la venta en la UE se habría situado, en el año 2014, en el 36 %.

La decisión de la Unión Europea de acelerar en la medida de lo posible la introducción de un nuevo protocolo de determinación de consumo y emisiones medias(9), da carta de naturaleza a los hallazgos del ICCT. Y podría parecer que cualquier artículo relacionado con la medida del consumo medio de un automóvil tendría que verse obligado de forma inexorable a lidiar con el farragoso asunto de cuál es el origen de esa desviación. Sin embargo, tal y como estamos viendo (y cabía esperar), el procedimiento para la medida del consumo medio establecido por la normativa es tremendamente robusto, y las desviaciones a las que alude el ICCT no son el resultado de una acumulación de errores de medida sino, tal y como reconocen los propios responsables de llevar a cabo y supervisar la obtención de esas cifras homologadas (10), de un proceso consciente, concienzudo y meticuloso de ‘explotación de las elasticidades’ presentes en el procedimiento de ensayo, algunas de las cuales hemos mencionado en este artículo.

Desde el punto de vista metrológico, la divergencia entre consumo homologado y consumo real tan sólo delata una divergencia entre las tolerancias consideradas como habituales y conformes a las mejores prácticas ingenieriles en el momento de la redacción de la norma –parcialmente inspirada en ciclos de ensayo que se remontan a principios de los años 70(11)– y los grados de precisión y exactitud disponibles en la actualidad.

De tener una significación metrológica, esa desviación lenta y consistente hasta llegar al 36 % en el año 2014 implicaría que el procedimiento de ensayo es, a la vez,terriblemente preciso e inexacto. Es decir: ese 36 % al que alude el ICCT es el resultado de llevar al límite tanto los procesos de medida como la interpretación de la normativa de homologación, y una excelente demostración de lo que se puede llegar a conseguir… midiendo con cuidado.

Figura 5. El empleo del túnel de dilución es importante, porque una vez que los gases de escape abandonan el conducto de escape, pueden seguir transcurriendo reacciones químicas. En la imagen, combustible sin quemar inyectado para refrigerar los turbos gemelos de un McLaren P1 -técnica conocida como overfueling- se inflama al entrar en contacto con el aire a su salida del escape….
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