Propuesta de ensayo para verificar el ruido emitido por un vehículo automóvil

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1 Asociación Española de Ingeniería Mecánica XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Propuesta de ensayo para verificar el ruido emitido por un vehículo automóvil J.A. Calvo, C. Alvarez, A. Quesada, J.L. San Román Dpto. Ingeniería Mecánica Universidad Carlos III de Madrid Resumen El ruido de tráfico, constituye una de las fuentes que más contribuye a la contaminación acústica de las ciudades (entorno al 80 %). Uno de los retos tecnológicos actuales es conseguir un ambiente acústico sostenible en unas ciudades en continuo crecimiento, y con un número creciente de vehículos. La legislación vigente obliga a que en la homologación de un vehículo se determinen los niveles de emisiones sonoras de acuerdo a un procedimiento de ensayo (Directiva 70/157 CEE). El nivel sonoro máximo permitido ha ido reduciéndose de forma progresiva. Sin embargo esta reducción no ha repercutido en el ruido de tráfico global, debido entre otras causas, a que el ensayo de homologación no es muy representativo del nivel real que emite un determinado vehículo en condiciones reales de circulación. Para poder determinar el nivel de emisión sonora de forma más realista, es necesario establecer un ensayo tipo que permita controlar los principales parámetros que puedan influir en dichas emisiones sonoras y que permita reproducir las mismas condiciones de medida. En el presente trabajo se ha instrumentado una muestra de vehículos para obtener medidas físicas de las variables que pueden influir en el nivel de emisión sonora. Mediante un sensor GPS se han analizado las posiciones, velocidades, aceleración longitudinal, aceleración latera y tiempo. A través del CAN BUS del vehículo se han analizado, el régimen de giro del motor, grado de carga, posición del acelerador, temperatura del motor y con una batería de micrófonos el ruido emitido en diversos puntos del vehículo. A partir de un circuito representativo de la circulación en una gran ciudad como Madrid, se han tomado medidas en una serie de vehículos representativos del parque actual de automóviles de turismo, con distintos tipos de conductores y a distintas horas del día con el fin de establecer unos valores promedio de comportamiento. A partir de estos valores promedio, se ha podido definir un ensayo tipo que permita valorar la contaminación acústica emitida por un vehículo en condiciones de funcionamiento reales y que permita establecer valores admisibles. INTRODUCCIÓN El ruido de tráfico, constituye una de las fuentes más extendidas de contaminación de nuestras ciudades. Se ha convertido en un elemento de tensión entre el desarrollo económico y la calidad de vida. Uno de los retos tecnológicos actuales es conseguir un ambiente acústico sostenible en unas ciudades en continuo crecimiento, y con un número creciente de vehículos cada vez más potentes. A pesar del esfuerzo realizado en la reducción de los límites de emisión de ruido de los vehículos individuales, la molestia del ruido no ha disminuido en igual proporción debido, entre otras causas, a que esta reducción ha sido contrarrestada por el incremento del parque (Affenzeller, J. and Rust, A.) [1]. La legislación vigente obliga a que, en el proceso de homologación de un vehículo, se determinen los niveles de emisiones sonoras de acuerdo a un procedimiento de ensayo en el que hay establecidos unos límites máximos por encima de los cuales el vehículo no puede ser homologado (Directiva 70/157 CEE) [2]. Este nivel sonoro máximo que depende de la categoría y tipo de vehículo, se ha reducido de forma progresiva con las distintas actualizaciones de la Directiva. Sin embargo esta reducción no ha repercutido en el ruido de tráfico global, debido entre otras causas a que el ensayo de homologación no es muy representativo del nivel sonoro que emite un determinado vehículo en condiciones de funcionamiento reales, ya que solo tiene en cuenta una condición de funcionamiento muy concreta (transitorio aceleración deceleración), Para poder determinar el nivel de emisión sonora de un determinado vehículo de forma que se reproduzca el

2 J.A.Calvo et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2 funcionamiento en condiciones reales de circulación y poder comparar este valor con otros vehículos, es necesario establecer un ensayo tipo que permita controlar los principales parámetros que puedan influir en dichas emisiones sonoras y que permita reproducir las mismas condiciones de medida. Este objetivo es muy ambicioso si se tiene en cuenta que; el tipo de conductor, su forma de conducir, la tipología del tráfico, el tamaño y clase del vehículo, las condiciones de la vía, etc., son factores que pueden influir de forma decisiva en las emisiones sonoras del vehículo. En este sentido, para el caso de la medida de las emisiones gaseosas en los vehículos, se ha establecido un ensayo tipo que pretende valorar y ponderar las distintas formas en las que puede circular el vehículo, tanto por el régimen de motor como por el grado de carga del mismo. Será pues necesario establecer un tipo de ensayo que permita ponderar las distintas condiciones de circulación de un vehículo desde el punto de vista de sus emisiones sonoras y para ello será necesario establecer parámetros de funcionamiento que tengan en cuenta distintas circunstancias en cuanto al tipo de circulación, el tipo de conductor, el estado del vehículo, etc. SELECCIÓN DE LA MUESTRA DE VEHÍCULOS En el alcance del proyecto solo se van a tener en cuenta el nivel de emisión sonora de vehículos de turismo, los cuales se suelen clasificar en diferentes segmentos en función de su tamaño que se corresponde además con su nivel de potencia, nivel de refinamiento y por consiguiente con el precio. Analizando el parque automovilístico Español se han buscado una muestra de vehículos que sea representativa del parque actual y que permita ponderar su nivel de contribución a las emisiones sonoras globales. En función de este criterio se han seleccionado los siguientes vehículos: Dos vehículos del segmento B (utilitarios pequeños), muy abundantes en la circulación de las grandes ciudades. Son vehículos compactos, normalmente de baja cilindrada y potencia hasta 73 kw, con un bajo consumo de combustible. Si el usuario dispone de dos vehículos, el segundo suele ser de este segmento. Analizando las matriculaciones de vehículos en España para el año 2009, este segmento se corresponde con el 30 % del parque. Dos vehículos del segmento C. Vehículos familiares, también abundantes en la circulación urbana, dado que se utilizan tanto como vehículo familiar como para desplazamientos al trabajo. Son vehículos de potencias medias (entorno a 100 kw). Analizando las matriculaciones de vehículos en el año 2009, este segmento se corresponde con el 29 % del parque. Dos vehículos del Segmento D. Es el siguiente escalón. Son adquiridos por los conductores de mayor poder adquisitivo. Se trata de vehículos de gran cilindrada y potencia pero que tienen también presencia en el tráfico urbano. Analizando las matriculaciones de vehículos en el año 2009, este segmento se corresponde con el 15 % del parque en España. El resto de los segmentos tienen un impacto mucho más pequeño en el tráfico urbano, por lo que su contribución al nivel de emisiones sonoras se supondrá de menor importancia que el de los segmentos seleccionados. En cada uno de los segmentos se va a seleccionar un modelo con motor diesel y otro con motor de gasolina. Si bien es cierto que, por razones de consumo, en los todos los segmentos la proporción de matriculaciones es: 70 % diesel y 30 % gasolina, parece razonable analizar ambos tipos de motor. Para la selección de la marca y modelo se han analizado las estadísticas de matriculaciones de vehículos publicadas por ANFAC. De acuerdo con estos datos, los vehículos de cada segmento elegidos son: Segmento B: Seat Ibiza Gasolina (V1) / Seat Ibiza Diesel (V2) Segmento C. Renault Megane Diesel (V3) / Ford Focus Gasolina (V4) Segmento D. Audi A4 Diesel (V5) / Mercedes C180 Gasolina (V6) SELECCIÓN DEL CIRCUITO Para la selección del circuito donde realizar las medidas, se han utilizado los siguientes criterios:

3 Propuesta de ensayo para verificar el ruido emitido por un vehículo automóvil 3 Representatividad. Se buscará un circuito que sea representativo del recorrido medio que realiza un conductor en vías urbanas para hacer los típicos desplazamientos diarios al trabajo o realizar las gestiones necesarias para su actividad cotidiana, lo cual puede suponer un 80 % de los desplazamientos dentro de una gran ciudad y por lo tanto, tendrán una alto impacto en el nivel de contaminación acústica Densidad de tráfico. Se ha buscado una zona en la que el nivel de tráfico fuese elevado pero sin llegar a un colapso tal que las velocidades de circulación fuesen poco representativas. Nivel de emisiones acústicas de la zona. Se ha buscado una zona en la que los niveles de emisión sonora que sufre la población debido al tráfico fuesen elevados, ya que representará las condiciones de ruido de tráfico urbano que estamos buscando en el proyecto. De acuerdo con el informe Research for the sustainable mobility [3] emitido por la comisión Europea para la Energía y el Transporte, más del 75% de la población de la Unión Europea vive en áreas urbanas. Con ello el transporte urbano tiene un gran peso en el conjunto de la movilidad. Por ejemplo, una quinta parte de todos los kilómetros viajados en la UE corresponden a desplazamientos urbanos o a distancias inferiores a 15km.y el recorrido medio de un conductor por las vías urbanas se sitúa entre 8 y 12 km. A partir de este último dato, para la selección del recorrido se ha utilizado el Mapa Estratégico de Ruido de la Ciudad de Madrid [4], elaborado por del Ayuntamiento de Madrid Analizando los mapas de ruido disponibles y teniendo en cuenta los criterios mencionados anteriormente se ha seleccionado el distrito de Carabanchel para localizar el circuito. Dentro del distrito y de acuerdo con el mapa de ruido de los distintos barrios se ha seleccionado un circuito siguiendo las líneas de mayores niveles de presión sonora equivalente, tal y como se muestra en la Fig. (1). Fig. 1. Nivel Continuo Equivalente Diurno en el Distrito de Carabanchel De acuerdo con los criterios anteriores el circuito elegido se muestra en la Fig. (2). El circuito se corresponde con una zona de nivel de presión sonora equivalente diurna entre 70 y 75 db(a) y una densidad de tráfico entre y vehículos día. El circuito urbano comprende vías limitadas a 50 km/h y en algunos tramos a solo 30 km/h. El 50 % del circuito transcurre por calles de un solo carril por el sentido de la circulación, mientras que el otro 50 % aproximadamente se corresponden con calles de dos carriles por sentido. Tiene una longitud aproximada de m y está provisto de 25 semáforos. INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA Para la medida y registro de los parámetros físicos que permitan analizar el comportamiento del vehículo se han utilizado los siguientes equipos de medida: Sistema de Adquisición y Registro: IMC Cronos PL. DSP de 32 bits. 16 canales de adquisición a 20 khz.

4 J.A.Calvo et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 Sistema de posicionamiento GPS: Vbox Lite II a 10 Hz Sistema CAN BUS: Módulo TMCAN-AOI4-Eth - ODB2. Sonda ELM317. Micrófonos y acondicionadores: Micrófonos Shure MX183. Fuente Phantom Fonestar PH1 de 48 V. Calibrador B&K 4231 Fig. 2. Plano del Circuito Seleccionado En la Fig. (3) se muestran los equipos utilizados, así como una vista de la posición de los micrófonos. PARÁMETROS MEDIDOS Fig. 3. Detalles de la instrumentación del vehículo En la Tabla (1) se presentan los parámetros que se van a registrar con los equipos de medida para su posterior análisis: Tabla 1. Parámetros Registrados Parámetro Equipo Unidades Parámetro Equipo Unidades Régimen de motor TMCAN rpm Altura VBox m Carga Motor TMCAN % Distancia VBox m Posición del acelerador TMCAN % Velocidad VBox km/h Micrófono Motor IMC db(a) Aceleración longitudinal VBox m/s 2 Micrófono Rueda IMC db(a) Aceleración lateral VBox m/s 2 Latitud VBox Grados Tiempo VBox s Longitud VBox Grados

5 Propuesta de ensayo para verificar el ruido emitido por un vehículo automóvil 5 Todas las señales serán adquiridas y procesadas en el CRONOS PL y registradas en el PC portátil. Un micrófono se colocará en el interior del habitáculo del motor, cerca de la entrada de la admisión y el segundo cerca de la rueda trasera, al lado contrario a donde el vehículo lleve el tubo de escape, tal y como se muestra en la Fig. (3). PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Una vez seleccionados el circuito e instrumentado los vehículos se procede a realizar las medidas. Para ello se llevará el vehículo hasta el punto de salida del circuito, comenzando la toma de datos desde un punto establecido como referencia. Los ensayos serán realizados por 5 conductores distintos, de los cuales tres son hombres y dos mujeres. Todos ellos realizarán el circuito de la misma forma en la que conducen normalmente, adaptándose a las circunstancias del tráfico. Los ensayos se han realizado a diferentes horas, tanto por la mañana como por la tarde y en distintos días de la semana. Cada conductor va acompañado de dos personas que manejan los equipos de medida. Se realizará un ensayo extra, por uno de los conductores, en el que se le ha pedido que la conducción sea más agresiva, tratando de reducir el tiempo necesario para realizar los circuitos. Una vez concluido el circuito el conductor regresa al laboratorio de la UC3M para cambiar de conductor y volcar los datos al servidor grupo de trabajo, donde serán analizados. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A continuación se van a resumir los resultados más destacables que se han utilizado para la propuesta del ensayo que permita determinar las emisiones acústicas de un vehículo en condiciones reales de funcionamiento. En primer lugar, en la Fig. (1) se analiza el rango de velocidades de circulación promedio para todos los vehículos y todos los conductores. Fig. 1. Rango de velocidades en el circuito Se puede observa como el porcentaje en cada rango de velocidades es similar en todos los vehículos. El valor promedio tiene un comportamiento que tiende a una normal centrada entre km/h, estando sesgado hacia la zona de baja velocidad como corresponde a una circulación urbana, donde la velocidad está limitada en la mayoría de los tramos a 50 km/h De la misma forma se analiza en la Fig. (2) el régimen de motor promedio para todos los vehículos y todos los conductores en el recorrido. Fig. 2. Rango de revoluciones de motor en el circuito

6 J.A.Calvo et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 6 En este caso los rangos más utilizados son entre rpm y entre rpm, que coinciden con la zona de par máximo y por lo tanto de consumo mínimo En la Fig. (3) se analiza la relación de la caja de cambios utilizada en el circuito para todos los vehículos y todos los conductores y para cada uno de los vehículos. Fig. 3. Análisis de la Marcha engranada Se puede observar como casi un 32 % del tiempo el vehículo se encuentra parado, este valor es muy parecido para todos los vehículos analizados y depende fundamentalmente del estado de la circulación, semáforos, etc. Las relaciones de caja de cambios más utilizadas son la segunda y la tercera, siendo los valores también muy parecidos en todos los vehículos. En la Fig. (4) se analiza el grado de carga del motor para todos los conductores y todos los vehículos. Fig. 4. Grado de Carga del Motor Como se puede observar, en todos los casos no se utiliza más del 20 % de la potencia máxima del motor, lo cual quiere decir que para circular por recorridos urbanos, los motores de los vehículos utilizados están sobredimensionados En la Fig. (5) se analizan las velocidades promedio en realizar el circuito para cada uno de los conductores y cada uno de los vehículos. Se puede observar como las velocidades medias no difieren mucho de unos conductores a otros, observándose una pequeña tendencia a que aumente con el tamaño del vehículo. También se observa como el conductor F que ha realizado una conducción más agresiva que el resto tiene obtiene una velocidad media ligeramente superior al resto en para todos los vehículos. Sin embargo la diferencia es tan poco significativa que este tipo de conducción no aporta beneficios significativos y si un aumento del consumo y de las emisiones sonoras. Con todos estos resultados se ha definido un ensayo que trate de reproducir las condiciones promedio de utilización del vehículo durante el circuito. En la Fig. (6) se presenta el circuito propuesto. Se compone de un primer tramo a ralentí seguido de un tramo de aceleración más un tramo de régimen constante en las tres primeras velocidades. A continuación se vuelve a ralentí para hacer tres transitorios en aceleración en las tres primeras velocidades y un transitorio de deceleración hasta el punto muerto, finalizando de nuevo al ralentí.

7 Propuesta de ensayo para verificar el ruido emitido por un vehículo automóvil 7 Fig. 5. Velocidad media de circulación Fig. 6. Régimen de motor Se ha tenido en cuenta los promedios de los porcentajes de tiempo en cada relación de la caja de cambios y los promedios de los porcentajes de tiempo en cada régimen de giro del motor obtenidos de todos los vehículos y todos los conductores. Además, para los transitorios de aceleración y cambio se han tenido en cuenta también los valores promedio obtenidos de todos los vehículos y conductores. Con este protocolo de ensayo se deberá medir el ruido emitido por el vehículo y establecer unos límites tanto en los valores máximos en las transiciones como en régimen estabilizado además del nivel equivalente total para todo el tiempo de medida, estableciendo valores límite para cada uno de ellos. CONCLUSIONES Se ha evaluado el comportamiento promedio de una serie de vehículos combinados con una muestra de conductores en un circuito urbano que puede representar un área urbana con un elevado ruido de tráfico. A partir de estos resultados se ha establecido un protocolo de ensayo que reproduzca este comportamiento promedio y que permita determinar el ruido emitido por un vehículo en condiciones reales de funcionamiento. A través del registro del ruido emitido en este ensayo será posible establecer unos límites admisibles que permitan valorar el impacto acústico de un determinado vehículo sobre el tráfico urbano y establecer un valor que permita homologar ese vehículo siempre que sus valores estén por debajo de los límites establecidos. El siguiente paso es establecer los límites de nivel sonoro a partir de las medidas de una muestra significativa de vehículos con el protocolo de ensayo propuesto.

8 J.A.Calvo et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 8 REFERENCIAS [1] Affenzeller, J. and Rust, Al. Road traffic noise- a topic for today and the future, VDA Technical Congress, Ingolstadt (Germany). (2005). [2] Directiva 70/157 CEE, Relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre el nivel sonoro admisible y el dispositivo de escape de los vehículos a motor, (1970). [3] Akerman, J., Banister, D., Dreborg, K., Nijkamp, P., Schleicher-Tappeser, R., Stead, D., Steen, P., European Transport Policy and Sustainable Mobility, Taylor & Francis Group (2000). [4] Ayuntamiento de Madrid, Mapa Estratégico de Ruido de la Ciudad de Madrid, (2006).