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Comparaci�n de emisiones de gases de escape de un veh�culo con motor de combusti�n interna en alta y baja congesti�n para una ciudad de altura

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Comparison of exhaust gas emissions from a vehicle with an internal combustion engine in high and low congestion for a high-altitude city

 

Compara��o das emiss�es de gases de escape de um ve�culo com motor de combust�o interna em alto e baixo congestionamento para uma cidade de grande altitude

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jorgel.lema@ute.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 30 de septiembre de 2023 *Aceptado: 25 de octubre de 2023 * Publicado: �13 de noviembre de 2023

 

1. Ingeniero en Mec�nica Automotriz, Mag�ster en Sistemas Automotrices, Docente investigador, Universidad UTE, Facultad de Ciencias de la Ingenier�a e Industrias, Quito, Ecuador.
2. Ingeniero Mec�nico, Mag�ster en Sistemas Automotrices. Docente investigador, Universidad UTE, Facultad de Ciencias de la Ingenier�a e Industrias, Quito, Ecuador.

Resumen

La contaminaci�n generada por el sector automotriz, es uno de los mayores problemas que enfrenta la ciudad de Quito. Esto se debe a que la mayor�a de veh�culos del parque automotor, utilizan combustibles f�siles como fuente de energ�a de propulsi�n. Adem�s, la heterogeneidad de las tecnolog�as de los sistemas de inyecci�n de combustible, hace que el control de emisiones contaminantes se limite considerablemente. Por otro lado, debido al elevado n�mero de veh�culos y a las caracter�sticas topogr�ficas de la ciudad, se genera una elevada congesti�n vehicular en horas pico, produciendo cambios abruptos de aceleraciones y reducci�n de las mezclas estequiom�tricas. Con base a lo expuesto, fue pertinente comparar las emisiones de gases de escape que se producen en alta y baja congesti�n vehicular para un veh�culo con motor de combusti�n interna, y as� mismo, se determin� las correlaciones de los gases para ambos escenarios. Para ello, se midi� las emisiones en un veh�culo Mazda 3 sobre una ruta importante de la ciudad en horas pico y fines de semana. Se utiliz� un analizador de gases Kane Autoplus para la medici�n de los gases de escape, y el registro de datos se efectu� en la aplicaci�n Kane Live. Los resultados mostraron que en horas pico, el veh�culo emite mayores cantidades de CO2, CO, HC de hasta el 0,77%; 6,66%; 94,69%, respectivamente. Existen moderadas y fuertes correlaciones de O2-CO2 y CO-HC en alta y baja congesti�n vehicular.�

Palabras Clave: Contaminaci�n; Gases de escape; Horas pico; Motor de combusti�n interna; Ruta; Tr�fico.

 

Abstract

Pollution generated by the automotive sector is one of the biggest problems facing the city of Quito. This is because the majority of vehicles in the vehicle fleet use fossil fuels as a source of propulsion energy. Furthermore, the heterogeneity of fuel injection system technologies means that the control of polluting emissions is considerably limited. On the other hand, due to the high number of vehicles and the topographic characteristics of the city, high traffic congestion is generated during peak hours, producing abrupt changes in acceleration and reduction of stoichiometric mixtures. Based on the above, it was pertinent to compare the exhaust gas emissions that occur in high and low vehicle congestion for a vehicle with an internal combustion engine, and likewise, the correlations of the gases for both scenarios were determined. To do this, emissions were measured in a Mazda 3 vehicle on a major city route during peak hours and on weekends. A Kane Autoplus gas analyzer was used to measure exhaust gases, and data was recorded in the Kane Live application. The results showed that during peak hours, the vehicle emits greater amounts of CO2, CO, HC of up to 0.77%; 6.66%; 94.69%, respectively. There are moderate and strong correlations of O2-CO2 and CO-HC in high and low vehicle congestion.

Keywords: Pollution; Exhaust gases; Rush hours; Internal combustion engine; Route; Traffic.

 

Resumo

A polui��o gerada pelo setor automotivo � um dos maiores problemas que a cidade de Quito enfrenta. Isso ocorre porque a maioria dos ve�culos da frota utiliza combust�veis f�sseis como fonte de energia de propuls�o. Al�m disso, a heterogeneidade das tecnologias dos sistemas de injec��o de combust�vel significa que o controlo das emiss�es poluentes � consideravelmente limitado. Por outro lado, devido ao elevado n�mero de ve�culos e �s caracter�sticas topogr�ficas da cidade, s�o gerados elevados congestionamentos de tr�fego nos hor�rios de pico, produzindo mudan�as abruptas na acelera��o e redu��o das misturas estequiom�tricas. Com base no exposto, foi pertinente comparar as emiss�es de gases de escape que ocorrem em alto e baixo congestionamento veicular para um ve�culo com motor de combust�o interna e, da mesma forma, foram determinadas as correla��es dos gases para ambos os cen�rios. Para tal, as emiss�es foram medidas num ve�culo Mazda 3 numa rota de uma grande cidade durante as horas de ponta e aos fins-de-semana. Um analisador de gases Kane Autoplus foi utilizado para medir os gases de escape e os dados foram registrados no aplicativo Kane Live. Os resultados mostraram que nos hor�rios de pico o ve�culo emite maiores quantidades de CO2, CO, HC de at� 0,77%; 6,66%; 94,69%, respectivamente. Existem correla��es moderadas e fortes de O2-CO2 e CO-HC em altos e baixos congestionamentos de ve�culos.

�Palavras-chave: Polui��o; Gases de escape; Horas de ponta; Motor de combust�o interna; Rota; Tr�fego.

 

Introducci�n

La contaminaci�n ambiental en el sector urbano es uno de los mayores problemas sociales a nivel mundial, la cual provoca graves da�os a la salud humana (Brancato et al., 2018) (Lopez-Arboleda, Sarmiento, & Cardenas, 2020; Esposito et al., 2014; Goldizen, Sly, & Knibbs, 2016). De hecho, algunos estudios han demostrado una fuerte incidencia entre la contaminaci�n urbana con las afecciones respiratorias (Bai et al., 2018), y ser la causante de millones de muertes prematuras al a�o. El problema surge por los niveles elevados de carboxihemoglobina en la sangre por motivo a la exposici�n del mon�xido de carbono (CO) (Estrella et al., 2005).�

Las fuentes de contaminaci�n m�s importantes corresponden al sector industrial y del transporte. El sector del transporte produce aproximadamente el 20% de las emisiones de di�xido de carbono (CO2) (Santos, 2017), lo que significa que es un emisor importante de gases de efecto invernadero (GEI) (Habich-Sobiegalla, Kostka, & Anzinger, 2018). Por lo tanto, el transporte terrestre, al emitir tantos gases t�xicos como GEI, la convierte en la principal causa de da�o ambiental (Faulin, Grasman, Juan, & Hirsch, 2019; Jicha & Pospisil, 2017). El hecho de que el sector del transporte sea la principal fuente de contaminaci�n, se debe a que la mayor�a de veh�culos terrestres utilizan combustibles f�siles como energ�a principal de propulsi�n, generando la emisi�n de CO2, CO, hidrocarburos no combustionados (HC), �xidos de nitr�geno (NOx) y material particulado (PM). La constante industrializaci�n y urbanizaci�n de los pa�ses (Fu & Chen, 2017), han provocado un incremento en el volumen de veh�culos (Seuwou, Banissi, & Ubakanma, 2020; Jia, Yan, & Shen, 2018). Adem�s, la escasa mejor�a en los rendimientos de los combustibles y el bajo desarrollo del transporte p�blico, agravan esta realidad. A decir verdad, el sector del transporte es el �nico sector que se prev� que contin�e creciendo en el futuro (Iankov, Taylor, & Scrafton, 2017) debido al crecimiento econ�mico y demogr�fico (Huang et al., 2018). Esta problem�tica actual, ha conllevado a que la sociedad considere importante el desarrollo e implementaci�n de estrategias para la reducci�n de emisiones de gases contaminantes (Lee et al., 2018).

En la actualidad la industria automotriz y la comunidad cient�fica, han fabricado nuevos sistemas tecnol�gicos de post tratamiento de gases de escape que permiten mitigar el impacto negativo de las emisiones de gases contaminantes, como, por ejemplo: sistemas EGR, catalizadores de tres v�as, sistemas SCR, filtro de part�culas (Kozina, Radica, & Ni�etić, 2020). Con respecto a la inteligencia artificial, se han desarrollado nuevos sistemas de redes de comunicaci�n global como VANET (Mejdoubi, Zytoune, Fouchal, & Ouadou, 2020), la cual permite una conducci�n m�s eficiente y reduce la congesti�n vehicular mediante la comunicaci�n entre veh�culos e infraestructura urbana. En VANET, es imprescindible la medici�n constante de distintos par�metros tales como: atmosf�ricos, tr�fico y posicionamiento espacial del veh�culo. Sin embargo, en muchos pa�ses y en especial aquellos que se encuentran en v�as de desarrollo como es el caso de Ecuador, lamentablemente la aplicaci�n de VANET es restringida debido a la tecnolog�a deficiente de los veh�culos y a la ausencia de sensores e infraestructura de comunicaci�n en las ciudades.

Si bien, un gran n�mero de veh�culos del parque automotor de la ciudad si poseen sistemas de post tratamiento de gases, por la propia naturaleza del funcionamiento de los motores de combusti�n interna, existen etapas que hacen inevitables una mayor emisi�n de gases contaminantes como es el caso del arranque en fr�o y los cambios bruscos de aceleraci�n. Incluso, las pruebas en bancos dinamom�tricos que se efect�an en los veh�culos previo a la certificaci�n de los l�mites de emisiones, no simulan las condiciones reales de movilidad vehicular debido a aspectos topogr�ficos, condiciones clim�ticas, uso de aire acondicionado, estilo de conducci�n, altitud y congesti�n vehicular (Ramos, Mu�oz, Andr�s, & Armas, 2018). En la investigaci�n efectuada en (Fontaras, Zacharof, & Ciuffo, 2017), se estim� que existe hasta un 40% m�s de emisiones de CO2 durante la conducci�n en el mundo real comparado con los resultados de las pruebas de certificaci�n. Con respecto a la congesti�n vehicular, existe un mayor n�mero de aceleraciones y desaceleraciones de los veh�culos producidas por las frecuentes detenciones y arranques (Choudhary & Gokhale, 2016), durante el tr�fico en las zonas urbanas. La alta congesti�n del transporte terrestre se encuentra en las horas pico, produciendo un alto flujo vehicular. En cambio, la baja congesti�n se reduce en las primeras horas de los fines de semana y feriados, produciendo un bajo flujo vehicular.

Por otro lado, el nivel de la congesti�n vehicular tiende a empeorar por las irregulares de la topograf�a de las ciudades, como, por ejemplo, la ciudad de Quito. La ciudad se encuentra sobre las faldas del volc�n Pichincha en la Cordillera de los Andes y est� asentada a una altura promedio de 2 850 msnm, lo que la convierte en una ciudad con muchas pendientes y de crecimiento urbano desordenado. Por encontrarse Quito sobre la hoya de Guayllabamba, en la ciudad se presentan inversiones de temperatura lo que se reduce la mezcla de masas de aire de forma vertical. Las inversiones pueden producir un aumento de la contaminaci�n ambiental (Brachtl et al., 2009). Adicionalmente, la extensi�n de la ciudad desde el norte al sur es de aproximadamente 50 km, mientras que la extensi�n de este a oeste es de 8 km. Esto provoca que el desplazamiento de las personas de norte a sur y viceversa se vea limitada por un n�mero peque�o de avenidas angostas, lo que implica que estas v�as sean imprescindibles y la disminuci�n de la congesti�n vehicular se vea limitada. Como forma de mitigaci�n de la congesti�n vehicular, las autoridades municipales han implementado el sistema Pico y Placa lo que significa que dentro del rango de horario de 06h00-09h30 y 16h00-20h00, no pueden circular determinados veh�culos. La imposibilidad de la circulaci�n de este conjunto de veh�culos, se basa a una calendarizaci�n regida en funci�n del �ltimo d�gito de su placa, permitiendo la reducci�n del n�mero de veh�culos en la ciudad durante esos rangos de tiempo.

En el Ecuador, y por ende en la ciudad de Quito, existe una carencia de pol�ticas que controlen los est�ndares de emisiones de gases contaminantes, lo que permite a�n el uso de sistemas de inyecci�n de combustible antiguos de di�sel y gasolina. En este contexto, en el a�o 2003, la Corporaci�n para el Mejoramiento del Aire de Quito (Corpaire) inform� que solamente el 45% de los veh�culos que circulaban por la ciudad de Quito, contaban con convertidores catal�ticos. Si bien ha pasado un largo periodo desde ese �ltimo dato informativo, es importante reconocer que, para ese tiempo, ya exist�an a nivel mundial veh�culos con ese sistema anticontaminante. Y lo m�s importante, es que en la actualidad todav�a contin�an circulando veh�culos con estas carencias de sistemas post tratamiento de gases, aunque en menor medida.� Este aspecto corrobora con la afirmaci�n de que alrededor del 98% de los pa�ses con ingresos bajos y medianos, no cumplen con las recomendaciones para la calidad del aire, propuesto por la Organizaci�n Mundial de la Salud (OMS). En cambio, en los pa�ses desarrollados, est� existiendo una disminuci�n de la contaminaci�n por las estrictas regulaciones ambientales. Adem�s, el Sistema Pico y Placa ha provocado el incremento de la flota de veh�culos particulares, con lo cual, el nivel de la congesti�n vehicular y de emisiones de gases contaminantes, siguen manteni�ndose elevados. En conclusiones, el uso de combustibles f�siles como el di�sel y la gasolina, la presencia de veh�culos con sistemas de inyecci�n de combustibles heterog�neos, el elevado n�mero de veh�culos en el parque automotor, la ausencia de sistemas inteligentes para la mitigaci�n de la congesti�n vehicular, la falta de pol�ticas de regulaci�n ambiental y la presencia de las elevaciones monta�osas e irregularidades de la superficie, convierten a Quito en la ciudad m�s contaminante a nivel nacional. De hecho, la calidad del aire en Quito ha empeorado desde el a�o 1970 (Brachtl et al., 2009).

Con base a lo mencionado es indispensable la cuantificaci�n de las emisiones, y para ello, se pueden utilizar tanto m�todos indirectos como m�todos directos. Los m�todos indirectos consisten en modelos computacionales y estad�sticos, y utilizan informaci�n acerca de los par�metros de movimiento y tecnolog�a del veh�culo, sin embargo, no se considera la informaci�n referente a las condiciones de conducci�n. Entre estos tipos de modelos se pueden nombrar a IVE, MOBILE, COPERT (Kan, Tang, Kwan, & Zhang, 2018). Los m�todos directos pueden clasificarse en pruebas en laboratorio y pruebas en rutas. Las pruebas en laboratorio se caracterizan por utilizar analizadores de gases para la recolecci�n constante de datos de emisiones de gases de escape, mientras que un banco dinamom�trico simula ciclos de conducci�n estables o transitorios sobre el veh�culo. Estos �ltimos, se ajustan m�s a un ciclo real debido a la simulaci�n del peso inercial del veh�culo. Entre los ciclos transitorios se tienen: FTP 45, IM240, ARTEMIS. Los ciclos estables, por su parte, mantienen segmentos m�s prolongados de velocidad constante durante la prueba, por lo que no es necesario la simulaci�n del peso inercial. Aunque estos m�todos directos podr�an proporcionar una aproximaci�n m�s exacta de las emisiones de gases contaminantes por la variaci�n continua de velocidad durante el ciclo, no siempre representar�n en su totalidad las condiciones reales de una ciudad, debido a la variaci�n de los factores antes mencionados como los ambientales, topogr�ficos, tr�fico y estilo de conducci�n.

Las pruebas en rutas (on board), es un m�todo directo que permite obtener los datos de emisiones y consumo de combustible durante la circulaci�n del veh�culo por las rutas de una ciudad, es decir, se considera los factores antes mencionados garantizando una buena confiabilidad de los resultados obtenidos. Sin embargo, es necesario la incorporaci�n de equipos port�tiles para la medici�n de emisiones de gases de escape en el veh�culo, pero conllevar�a a costos m�s elevados. A pesar de ello, este tipo de investigaciones pueden ser utilizados por la agencia nacional de tr�nsito e institutos de investigaci�n, para evaluar los beneficios probables en la reducci�n de emisiones (Hallmark, Wang, & Sperry, 2013). En la actualidad existen pocos estudios enfocados en el an�lisis de emisiones de gases de escape en condiciones de alta y baja congesti�n vehicular. Los estudios que se relacionan con la presente investigaci�n se describen a continuaci�n.

En la investigaci�n efectuada en (Zhang, Batterman, & Dion, 2011), se estim� las emisiones de gases contaminantes para veh�culos livianos y pesados tanto en la congesti�n vehicular de las zonas de trabajo como en el flujo libre de tr�fico. Los resultados mostraron que existe una mayor emisi�n de HC y NOx de alrededor del 1% a 7% y del 23% para CO, durante los periodos de transici�n de congesti�n vehicular a flujo libre de tr�fico, comparado solamente con respecto al flujo libre de tr�fico. En cambio, para el CO2, existi� mayores emisiones de este gas en la congesti�n vehicular de las zonas de trabajo de alrededor del 18% con respecto al flujo libre de tr�fico, pero hubo una disminuci�n de emisiones de HC, CO y NOx de alrededor del 48%; 68% y 37%, respectivamente. Para el caso de los veh�culos pesados, se estim� un aumento de las emisiones de HC, CO, NOx y CO2 en el escenario de congesti�n vehicular de las zonas de trabajo con respecto al flujo libre de tr�fico, en valores de alrededor del 158%; 90%; 28% y 65%, respectivamente. Sin embargo, en esta investigaci�n se utilizaron datos de velocidad y aceleraci�n que se generan durante el recorrido sobre una ruta en la ciudad de Ann Arbor, para la determinaci�n de emisiones de gases contaminantes mediante la aplicaci�n del Modelo Integral de Emisiones Modales (CMEM). La altura media de la ciudad estadounidense se encuentra alrededor de los 256 msnm. En la investigaci�n efectuada en (Bharadwaj, Ballare, Rohit, & Chandel, 2017), se aplicaron m�todos de consumo de combustible y kilometraje recorrido para concluir que la congesti�n vehicular puede generar un aumento del 53% de CO2. En el estudio realizado en (Li et al., 2018), se tomaron muestras de PM en un t�nel de la ciudad de Shanghai ubicada a 4 msnm durante un d�a laborable, y cuyos resultados determinaron que la mayor exposici�n de este material se genera en las horas pico con dos picos de concentraci�n correspondientes al 14,6% y 20,3% de las concentraciones totales.

Existen pocas investigaciones que consideran a las emisiones de gases de escape en la ciudad de Quito y las cuales se resaltan a continuaci�n. El estudio efectuado en (Milla et al., 2020) se determin� que las emisiones de CO y NOx aumentan en condiciones normales de conducci�n con respecto al ecodriving en valores de 44,60% y 25,56% respectivamente, a excepci�n del HC cuyo valor excedi� en 13,52%. En este estudio se aplic� el uso de un equipo analizador de gases port�til Global Axion R/S TM, durante el recorrido de un veh�culo sobre una ruta de la ciudad. En la investigaci�n efectuada en (Cede�o, Rocha-Hoyos, Zurita, & Milla, 2018), se determin� las emisiones de gases contaminantes generadas por un veh�culo con motor de combusti�n interna sobre una ruta de la ciudad, aplicando tres tipos de combustibles: S�per (RON92), Extra (RON87) y Ecopa�s (RON85). Los resultados mostraron que los combustibles S�per y Ecopa�s emiten mayores emisiones de gases contaminantes con respecto al combustible Extra. Para el combustible RON92, las emisiones de CO, HC y NOx, fueron superiores en valores de 49,3%; 65%; y 97,88%, respectivamente. En cambio, para el combustible Ecopa�s, las emisiones de los gases contaminantes fueron superiores en valores de 85,9%; 36,6% y 96,4%, respectivamente. Para este estudio, se utiliz� un equipo on board Axion OEM-2100AX. En el estudio realizado en (Tipanluisa, Remache, Ayabaca, & Reina, 2017), determina que las emisiones de gases contaminantes en ralent� y en altas revoluciones de un veh�culo con motor de combusti�n interna, son superiores en Quito a diferencia de las que se producen en la comunidad de Tonsupa ubicada sobre el nivel del mar.� Los valores de CO, CO2 y HC para ralent� en la ciudad de Quito, son superiores en 600%; 0,54% y 1600%, respectivamente. Mientras que los valores de las emisiones de estos gases para altas revoluciones son superiores en 150%; 1,13% y 1500%, respectivamente. Con respecto al O2, la emisi�n de este gas es superior en la comunidad de Tonsupa a r�gimen de ralent� en 26,88%, pero es ligeramente inferior a altas revoluciones en 4%. Este estudio se realiz� de manera estacionaria, es decir, no hubo desplazamiento del veh�culo sobre una ruta determinada. Aunque todas estas investigaciones nacionales, no contemplan espec�ficamente una comparaci�n de emisiones de gases de escape en distintos niveles de tr�fico, se podr�n considerar para la discusi�n de este trabajo y sugerir futuras investigaciones, con base a las teor�as consolidadas acerca del funcionamiento del motor.

Por lo tanto, debido a la carencia de estudios inherentes al tema de la presente investigaci�n, es imprescindible la comparaci�n de las emisiones de gases de escape entre las dos condiciones de congesti�n vehicular. As� mismo, no existe informaci�n referente a las correlaciones entre las emisiones de los gases de escape durante la circulaci�n del veh�culo por una ruta de la ciudad, con lo cual permitir�a conocer el conjunto de gases de escape que guardan mayor relaci�n entre si. En el presente trabajo, se efectu� la medici�n de O2, CO2, CO y HC en un veh�culo con motor de combusti�n interna durante el recorrido por una de las principales rutas de la ciudad de Quito. Las pruebas se llevaron a cabo tanto en el alto flujo vehicular de las horas pico de los d�as laborables, como en el bajo flujo vehicular de los fines de semana. Se utiliz� un equipo port�til de medici�n de emisiones de gases de escape, de esta manera, se prioriza la aplicaci�n de los m�todos directos para la cuantificaci�n de emisiones de escape, debido a las deficiencias de los m�todos indirectos antes mencionados. Posteriormente se efectu� el an�lisis de la correlaci�n de Pearson entre pares de gases de escape.

En el resto de documento est� organizado de la siguiente manera. En la secci�n dos se detalla las caracter�sticas del veh�culo de pruebas y equipo analizador de gases, y as� mismo se describe el protocolo de recolecci�n y registro de datos. En la secci�n tres se detallan los resultados obtenidos de las comparaciones y correlaciones, incluyendo las respectivas discusiones con respecto a las investigaciones anteriormente publicadas. Finalmente se desarrollan las conclusiones del presente trabajo y se proponen futuras investigaciones en la secci�n cuatro.

 

Materiales y m�todos

Veh�culo de pruebas y equipo de medici�n

Se utiliz� un veh�culo liviano con motor de combusti�n interna y sistema de inyecci�n de combustible multipunto, para el recorrido en una ruta de la ciudad de Quito. Las caracter�sticas del veh�culo se muestran a continuaci�n (Tabla I).

Tabla I. Caracter�sticas del veh�culo de pruebas.

 

Para la toma de datos de las emisiones de escape durante los recorridos en la ruta, se utiliz� un analizador de gases port�til Kane Autoplus 4-2 el cual cumple con los est�ndares EN61000-6-3:2011 y EN61000-6-1:2007. Los datos fueron enviados v�a Bluetooth desde el analizador de gases hasta una computadora port�til y fueron registrados cada tres segundos en la aplicaci�n Kane Live del equipo. Una vez culminada la prueba, los datos son exportados a un archivo en Excel para poder ser descargados posteriormente.

Ruta y toma de datos de emisiones de gases de escape

La ruta seleccionada para la ejecuci�n de las pruebas inicia desde el Centro Comercial El Recreo al sur de la ciudad y concluye en sector de El Tr�bol, centro de la ciudad.� De esta manera, el veh�culo recorre las calles: Pedro Vicente Maldonado, Napo, Pedro Pinto y Velasco Ibarra. Esta ruta es una de las m�s importantes debido a que comunica al sur con los valles, el centro y norte de la ciudad. En la imagen se muestra la ruta desde Google Earth (Figura 1).

 

Fig. 1. Ruta de prueba: Centro Comercial El Recreo-El Tr�bol.

Se realizaron 10 recorridos durante las horas pico de los d�as laborables y fines de semana por la ma�ana. Para garantizar las mismas condiciones en todas las pruebas, las tomas de datos se realizaron a las 7h30. De esta manera, se mantuvo constante las condiciones ambientales, y con ello se evit� que las variaciones de la temperatura ambiental y humedad que se puedan generar en el transcurso de las horas del d�a, puedan incidir en la inyecci�n de combustible y en los niveles de emisiones de gases de escape.

El estilo de conducci�n es otra variable que puede afectar a los valores de las emisiones de gases de escape, debido a que cada conductor puede diferir en el n�mero de aceleraciones y desaceleraciones durante el manejo del veh�culo en una misma ruta. Por lo tanto, una sola persona fue la encargada de conducir el veh�culo en cada una de las pruebas. La persona encargada en la conducci�n del veh�culo, tiene una amplia experiencia en manejo de veh�culos livianos y no presenta sanciones de tr�nsito. Con esto, se garantiz� que el manejo del veh�culo haya sido efectuado de la manera m�s pertinente. Durante el recorrido en la ruta, se circul� permanentemente por el carril izquierdo, obedeciendo a las normas de conducci�n para veh�culos livianos particulares.

Previo al inicio de cada recorrido, fue indispensable purgar con aire limpio el equipo analizador de gases. A partir de ese momento, se pudo efectuar una toma de datos durante un tiempo de 30 minutos. Para realizar otra medici�n, se debe realizar nuevamente el proceso de purgado del equipo. Otra persona, se ubic� en el asiento posterior para que pueda manejar el equipo analizador de gases, y al mismo tiempo, pueda verificar el registro de los datos en la computadora port�til mediante la aplicaci�n Kane Live. En la imagen se muestra la disposici�n del equipo analizador de gases y la computadora port�til con la aplicaci�n Kane Live en la parte posterior de la cabina del veh�culo, para la recolecci�n de datos en ruta (Figura 2).

Fig. 2. Equipos de toma y registro de datos de emisiones de gases de escape.

Una vez concluidos los recorridos, se descartaron aquellas pruebas cuyas condiciones de tr�fico fueron anormales, y por lo tanto, no representan la congesti�n real diaria. Entre las condiciones anormales presentes se tuvieron: incidentes de tr�nsito, operativos policiales y cierre temporal de carril por mantenimiento vial. Por �ltimo, se extrajeron los datos de los diversos archivos de Excel de la aplicaci�n Kane Live a un solo documento consolidado, con una totalidad de seis muestras. Posteriormente se procedi� al an�lisis comparativo y estad�stico entre los escenarios de flujo de tr�fico en horas pico y bajo flujo vehicular.

 

Resultados y discusi�n

A continuaci�n, se muestran los valores promedios de las emisiones de gases de escape y el tiempo de las pruebas efectuadas en la ruta (Tabla II).

 

En funci�n de los valores m�ximos mostrados, la emisi�n de O2 en flujo bajo vehicular de los fines de semana es de 180,64% superior con respecto al tr�fico en horas pico. Sin embargo, las emisiones de gases de CO2, CO y HC para flujo vehicular en horas pico, es superior al escenario de flujo bajo vehicular en valores de 0,77%; 6,66%; 94,69%, respectivamente. La existencia de mayores emisiones de O2 y menores emisiones de CO2, CO, HC para bajo flujo vehicular, se debe a que el motor no est� siendo sometido a un elevado n�mero de aceleraciones y desaceleraciones, lo que conlleva a un mayor tiempo de trabajo en mezclas estequiom�tricas y ligeramente pobres. Por lo tanto, se disminuyen los excesos de consumo de combustible y de mezclas ricas, generando menores emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero. Este aspecto se corrobora con un menor tiempo de duraci�n de la ruta en flujo bajo vehicular de los fines de semana de hasta 8,95 min, lo que implica menores detenciones del veh�culo. La Prueba n�mero uno de flujo bajo vehicular fue la que obtuvo menor tiempo de duraci�n, mientras que la Prueba n�mero uno de flujo vehicular en horas pico fue la que obtuvo mayor tiempo de duraci�n.

El comportamiento creciente de CO2 en condiciones de alta congesti�n durante las horas pico, coincide con el estudio descrito en (Zhang et al., 2011) para veh�culos livianos y pesados durante la circulaci�n por una zona de trabajo. Esto puede deberse a que, en ambas condiciones de tr�fico, la velocidad de desplazamiento de los veh�culos es bajos y tienden a generar mayor n�mero de detenciones y arranques. La tendencia de una mayor emisi�n de CO2 en congesti�n vehicular tambi�n se demuestra en (Bharadwaj et al., 2017). Sin embargo, para el mismo escenario, la afirmaci�n de mayores emisiones de HC, CO en el veh�culo liviano del presente trabajo, difiere a lo expuesto en (Zhang et al., 2011), a excepci�n del caso de los veh�culos pesados. La divergencia de estos resultados se puede deber a que la metodolog�a aplicada en la investigaci�n publicada, no consisti� en un m�todo directo de determinaci�n de emisiones de gases contaminantes, y por lo tanto, no se consider� los aspectos externos a las cuales los veh�culos est�n expuestos durante su recorrido en una ruta real. Adem�s, el comportamiento de HC y CO para el caso de veh�culos pesados, si es acorde a lo se�alado con respecto a bajas velocidades en alta congesti�n, por lo que el veh�culo liviano deber�a tener un comportamiento similar. Finalmente, en (Zhang et al., 2011) tambi�n indica que las mayores emisiones de gases contaminantes se produjeron en las etapas de transici�n del cambio de flujo vehicular, es decir, durante las variaciones de las aceleraciones. Esto es un escenario comparable durante las altas congestiones, donde los cambios de aceleraci�n son muy recurrentes. A pesar que en (Li et al., 2018), el material obtenido para an�lisis fue PM y no gases de escape, estas part�culas tambi�n son residuos que emanan los veh�culos con motor de combusti�n interna. Por lo tanto, pueden ser considerados como elementos contaminantes para la discusi�n de este trabajo. En este contexto, la mayor cantidad de emisiones de PM coincide con las mayores emisiones de gases contaminantes de escape durante la congesti�n en horas pico.

El ecodriving es una conducci�n en el cual se disminuyen los cambios bruscos de aceleraci�n, an�logos a los escenarios de bajo flujo vehicular. Por lo tanto, con respecto al estudio mostrado en (Milla et al., 2020), se demuestra que existe una disminuci�n de CO al igual que el escenario de baja congesti�n. Considerando a los combustibles con distintos RON, en (Cede�o et al., 2018) se determin� que el combustible de mayor n�mero de octano emite mayores gases contaminantes, por ende, se espera que la aplicaci�n de un combustible con menor RON para un estudio de las mismas caracter�sticas, permita generar menores emisiones contaminantes, debido a que en el presente estudio, el combustible utilizado fue RON92.

El estudio de (Tipanluisa et al., 2017) indica que las mayores emisiones de gases contaminantes se generan en la ciudad de Quito. Por consiguiente, se espera que un mismo estudio comparativo en los dos tipos de congesti�n vehicular efectuado en una ciudad ubicada a nivel del mar, genere menores emisiones contaminantes con respecto a la ciudad de Quito. En cambio, las emisiones de O2, deber�an ser mayores a nivel del mar por tener una mejora en la combusti�n.�

El siguiente objetivo del presente trabajo, consisti� en la determinaci�n de las correlaciones entre los gases de escape. A continuaci�n, se muestra las Correlaciones de Pearson (Tabla III).

Tabla III. Correlaciones de Pearson entre pares de gases de escape.

 

Se observa que, en todas las pruebas, las correlaciones entre O-CO2 y CO-HC, muestran correlaciones moderadas y fuertes, con la diferencia que las correlaciones O-CO2 son negativas, mientras que las correlaciones CO-HC, son positivas. La correlaci�n negativa entre el O2 y el CO2 implica un comportamiento tipo �espejo� entre estos dos gases, es decir, mientras el CO2 disminuye, el O2 aumenta y viceversa.

La presencia de valores de CO2 de alrededor del 12% implica una relativa buena combusti�n, y es corroborado con valores relativamente bajos de O2 (valores inferiores al 2%). Las emisiones de CO y HC tienen un comportamiento creciente, es decir, mientras uno de estos gases aumenta, el otro tiende tambi�n a aumentar, y viceversa. Estos gases son nocivos para la salud y su presencia se debe a mezclas ricas cuyos valores son m�s altos en horas pico debido a las detenciones y arranques existentes en la alta congesti�n vehicular. Sin embargo, para ambos escenarios de alta y baja congesti�n, los valores de estos gases se encuentran dentro de los l�mites permitidos, menos del 2% para el caso del CO y menos de 100 ppm para el caso de los HC. Estos resultados confirman las buenas condiciones mec�nicas del motor y del sistema de inyecci�n de combustible.�

Con respecto a las otras correlaciones mostradas en la tabla anterior, los valores de correlaciones son b�sicamente bajas y nulas, lo que implicar�a que no existe una relaci�n entre esos pares de gases de escape. Por lo tanto, para las correlaciones moderadas y fuertes, en las siguientes im�genes (Figura 3) se muestran los diagramas de dispersi�n de O-CO2 de las tres pruebas para el flujo en horas pico. Posteriormente se exponen las im�genes para los casos de bajo flujo vehicular (Figura 4). En todos los diagramas de dispersi�n se grafica la recta de tendencia.

(a)

 

 

(b)

 

(c)

Fig. 3. Diagramas de dispersi�n de O-CO₂ en horas pico. (a) Prueba uno. (b) Prueba dos. (c) Prueba tres.

 

 

(a)

 

(b)

 

(c)

Fig. 4. Diagramas de dispersi�n de O-CO₂ en fin de semana. _�(a) Prueba uno. (b) Prueba dos. (c) Prueba tres.

 

En las siguientes im�genes (Figura 5), se muestran los diagramas de dispersi�n para las correlaciones CO-HC para el flujo en horas pico. Posteriormente se exponen las im�genes de los diagramas de dispersi�n para el caso de bajo flujo vehicular (Figura 6). De la misma manera que para las im�genes de las correlaciones anteriores, se muestran las rectas de tendencia en los diagramas de dispersi�n.

 

(a)

 

(b)

 

(c)

Fig. 5. Diagramas de Dispersi�n de CO-HC en horas pico. _�(a) Prueba uno. (b) Prueba dos. (c) Prueba tres.

 

(a)

 

(b)

 

 

(c)

Fig. 6. Diagramas de dispersi�n de CO-HC en fin de semana. _�(a) Prueba uno. (b) Prueba dos. (c) Prueba tres.

Como las correlaciones mostradas anteriormente son las m�s relevantes, es importante determinar las ecuaciones de las rectas de tendencia de los diagramas de dispersi�n. De esta manera se tienen las ecuaciones lineales de la correlaci�n de O-CO2 de la Prueba n�mero uno (1), Prueba n�mero dos (2), Prueba n�mero tres (3) para el flujo vehicular en horas pico; y las ecuaciones de la Prueba n�mero uno (4), Prueba n�mero dos (5) y Prueba n�mero tres (6), para bajo flujo vehicular. As� mismo, se determinaron las ecuaciones para las correlaciones de CO-HC de la Prueba n�mero uno (7), Prueba n�mero dos (8), Prueba n�mero tres (9), en flujo vehicular en horas pico; y las ecuaciones de la Prueba n�mero uno (10), Prueba n�mero dos (11) y Prueba n�mero tres (12), para bajo flujo vehicular.�

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Conclusiones

Con base a los resultados obtenidos, se confirma que existen mayores emisiones de gases nocivos y de efecto invernadero durante la circulaci�n en horas pico en la ciudad de Quito, llegando incluso hasta casi duplicar los valores de HC con respecto a los valores generados en horas de bajo flujo vehicular en los fines de semana. Las elevadas emisiones se producen por las condiciones propias del motor del veh�culo cuando se encuentra en horas pico, esto es, aceleraciones y desaceleraciones debido a detenciones constantes por semaforizaci�n y generaci�n de colas extensas de veh�culos en las v�as angostas de la ciudad.

Durante las aceleraciones, el sistema de control de inyecci�n de combustible entra en un estado de lazo abierto, lo que implica la nula consideraci�n del monitoreo del sensor de ox�geno por parte de la computadora del veh�culo. Esto permite la producci�n de una mayor cantidad de mezcla rica en la c�mara de combusti�n, y con ello, el motor entrega el par necesario a las ruedas para que pueda vencer la inercia del veh�culo cuando se encuentre detenido. Esto obviamente es un aspecto inevitable en los veh�culos con motor de combusti�n interna, y lamentablemente la problem�tica en el da�o ambiental se multiplica cuando existe un gran n�mero de veh�culos en el parque automotor de la ciudad. Se adiciona el hecho de que incluso existe un gran n�mero de veh�culos con sistemas de alimentaci�n de combustible a carburador, por lo que las mezclas estequiom�tricas de aire y combustible en el motor, ser�n reducidas. Por el contrario, cuando el veh�culo recorre en horas de bajo flujo vehicular, las variaciones de las aceleraciones se disminuyen, manteniendo al motor en un r�gimen de giro casi constante. Esto permite que el sistema de control de inyecci�n de combustible permanezca un mayor lapso de tiempo en lazo cerrado, con lo cual la computadora del veh�culo monitorea constantemente la se�al del sensor de ox�geno y logra que la mezcla de aire y combustible sea cercana a la estequiom�trica. Por lo tanto, se logra una disminuci�n de las emisiones de gases contaminantes.

Con respecto a las correlaciones, se pudo afirmar que los gases nocivos de CO y HC est�n muy relacionados entre s�, y se encuentran presentes en mezclas ricas o en combustiones deficientes. El comportamiento entre O2 y CO2 es de manera inversa y representan la eficiencia de la combusti�n. Si bien existe un ligero aumento de emisi�n de CO2 en horas pico, el veh�culo demostr� excelentes condiciones mec�nicas, electr�nicas, y por lo tanto, de combusti�n durante la ejecuci�n de las pruebas.

Finalmente, se recomienda que en pr�ximas investigaciones se efect�en comparaciones de emisiones de gases de escape en distintos niveles de congesti�n vehicular, considerando rutas a nivel del mar y variando los tipos de combustible en funci�n del n�mero de octano. Esto permitir� generar una base te�rica m�s consolidada en funci�n de la presi�n atmosf�rica, RON, temperatura, humedad ambiental y la propia congesti�n vehicular.�

 

 

Agradecimiento

El autor expresa su agradecimiento al Sr. T�c. Luis An�bal Lema, por su apoyo incondicional para la obtenci�n de datos de emisiones de gases de escape. Durante la realizaci�n de las pruebas, se pudo evidenciar su profesionalismo durante la conducci�n del veh�culo, considerando las diversas dificultades presentes en el tr�fico vehicular de la ciudad.

 

Conflicto de intereses

El autor declara que no existe conflicto de inter�s alguno.

 

Referencias

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