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DESARROLLO DE PRUEBAS DE CARRETERA PARA CARACTERIZAR LA PÉRDIDA DE
POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA DE VEHÍCULOS DE CALLE,
DEBIDA AL CAMBIO EN PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Autor:
JUAN FELIPE GALLEGO CASTILLO
Ingeniero mecánico

Asesor:
LUIS ERNESTO MUÑOZ CAMARGO
Profesor asistente

Documento de grado

DEPERTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
JULIO 2014
2

Contenido
Lista de gráficas ............................................................................................................................. 4
Lista de tablas ................................................................................................................................ 4
Lista de imágenes .......................................................................................................................... 4
Agradecimientos ........................................................................................................................... 5
1. Introducción .......................................................................................................................... 6
2. Estado del arte ...................................................................................................................... 7
2.1. Las condiciones atmosféricas y el desempeño del motor. ........................................... 7
2.2. Altitud y desempeño del motor .................................................................................... 8
2.3. Temperatura, presión atmosférica y desempeño de un vehículo. ............................... 9
2.4. Factores de corrección de potencia. ........................................................................... 10
2.5. Efectos en el consumo de combustible. ...................................................................... 11
2.6. Presión atmosférica, composición del aire y motores. ............................................... 11
3. Problema de investigación .................................................................................................. 12
4. Objetivos ............................................................................................................................. 13
4.1. Objetivo general .......................................................................................................... 13
4.2. Objetivos específicos ................................................................................................... 13
5. Metodología ........................................................................................................................ 13
5.1. Diseño experimental ................................................................................................... 14
5.1.1. Prueba de aceleración ......................................................................................... 14
5.1.2. Prueba de consumo de combustible ................................................................... 15
5.1.3. Prueba de deceleración natural .......................................................................... 16
5.2. Equipos e instrumentación ......................................................................................... 16
5.2.1. Vehículo de pruebas ............................................................................................ 16
5.2.2. Sensor óptico de velocidad ................................................................................. 17
5.2.3. Flujómetro ........................................................................................................... 17
5.2.4. GPS de alta resolución ......................................................................................... 18
5.2.5. Termo-anemómetro ............................................................................................ 18
5.2.6. Barómetro portátil .............................................................................................. 19
5.2.7. Tarjeta de adquisición ......................................................................................... 19
5.2.8. Equipos adicionales ............................................................................................. 20
6. Procedimiento experimental .............................................................................................. 20
6.1. Diseño de protocolos .................................................................................................. 20
6.2. Validación, calibración, y funcionamiento de equipos ............................................... 20
3

6.2.1. Comprobación calibración flujómetro ................................................................ 21
6.3. Pruebas preliminares .................................................................................................. 22
6.4. Pruebas definitivas ...................................................................................................... 22
6.4.1. Estación de gran altura 1, 2.612 m.s.n.m. (Aeropuerto de Tunja) ...................... 23
6.4.2. Estación de gran altura 2, 2.485 m.s.n.m. (Autódromo de Tocancipá)............... 23
6.4.3. Estación de baja altura, 331 m.s.n.m. (Via Girardot - Espinal) ............................ 24
7. Procesamiento datos........................................................................................................... 24
7.1. Pruebas de aceleración ............................................................................................... 25
7.2. Pruebas consumo ........................................................................................................ 26
7.3. Pruebas deceleración .................................................................................................. 26
7.4. Manejo señales ........................................................................................................... 27
8. Análisis de resultados .......................................................................................................... 28
8.1. Pruebas de aceleración ............................................................................................... 28
8.2. Pruebas de consumo ................................................................................................... 29
8.3. Pruebas de deceleración natural ................................................................................ 30
9. Conclusiones........................................................................................................................ 32
10. Trabajo futuro, recomendaciones ................................................................................... 33
11. Referencias ...................................................................................................................... 34
12. Anexos ............................................................................................................................. 35
12.1. Protocolos desarrollados para pruebas realizadas ................................................. 35
12.1.1. Protocolo para prueba de aceleración 0-80 km/h .............................................. 35
12.1.2. Protocolo para prueba de consumo de combustible a velocidad constante. ..... 37
12.1.1. Protocolo para prueba de deceleración natural ................................................. 39
12.2. Gráficas complementarias....................................................................................... 41
12.3. Figuras complementarias ........................................................................................ 47
12.4. Códigos de programas y funciones diseñadas en Matlab. ...................................... 48

Lista de gráficas
Gráfica 1. Resultados prueba con retorno. .................................................................................21
Gráfica 2. Resultados prueba sin retorno ................................................................................... 21
Gráfica 3. Sintesis de resultados pruebas de aceleración ........................................................... 29
Gráfica 4. Síntesis tiempos parciales de aceleración. ................................................................. 29
Gráfica 5. Diferencias porcentuales tiempos aceleración 0-80 km/h. ........................................ 29
Gráfica 6. Comparación pruebas de consumo de combustible. ................................................. 30
Gráfica 7. Resumen resultados pruebas de deceleración. .......................................................... 31
Gráfica 8. Comparación tiempos parciales de deceleración. ...................................................... 31
Gráfica 9. Diferencias porcentuales tiempos deceleración ........................................................ 31

Lista de tablas
Tabla 1. Densidad energética combustibles.[1] ............................................................................ 6
Tabla 2. Masa y dimensiones vehículo de pruebas. .................................................................... 16
Tabla 3. Especificaciones técnicas Corrsys Datron L-350 Aqua. .................................................. 17
Tabla 4. Especificaciones técnicas CDLF3x-5 ............................................................................... 18
Tabla 5. Especificaciones técnicas VBOX. .................................................................................... 18
Tabla 6. Especificaciones técnicas Extech 45158 ........................................................................ 19
Tabla 7. Especificaciones técnicas barómetro portátil Baladé. ................................................... 19
Tabla 8. Especificaciones técnicas tarjeta de adquisición NI 9215. ............................................ 19
Tabla 9. Especificaciones técnicas Bateria .................................................................................. 20
Tabla 10. Condiciones de prueba. ............................................................................................... 28
Tabla 11. Resultados prueba de aceleración. ............................................................................. 29
Tabla 12. Resultados consumo de combustible. ......................................................................... 30
Tabla 13. Resultados prueba de deceleración natural. ............................................................... 31

Lista de imágenes
Imagen 1. Medición masa del vehículo de pruebas. ................................................................... 17
Imagen 2. CD L-350 Aqua. ........................................................................................................... 17
Imagen 3. CDFL3x-5. .................................................................................................................... 18
Imagen 4. Racelogic VBOX........................................................................................................... 18
Imagen 5. Extech 45158 .............................................................................................................. 19
Imagen 6. Barómetro portátil Baladé. ........................................................................................ 19
Imagen 7. NI 9215. ...................................................................................................................... 19
Imagen 8. Batería Bosch .............................................................................................................. 20
Imagen 9. Vehículo de pruebas instrumentado para toma de datos en el autódromo de
Tocancipá. ................................................................................................................................... 23
Imagen 10. Aeropuerto de Tunja, toma aérea. ........................................................................... 23
Imagen 11. Toma aérea autódromo de Tocancipá. .................................................................... 24
Imagen 12. Pista de pruebas Girardot - Espinal. ......................................................................... 24

Agradecimientos

Este documento representa el cierre de un ciclo muy importante para mi vida, es el resultado
de cuatro años y medio de estudio, sacrificio, risas, tristezas, y aprendizaje. Quiero agradecer a
todos los que hicieron parte de este proceso, pues yo no llegué hasta acá solo.

Primero que todo, quiero agradecer a mis papás por su apoyo incondicional, por ser un
ejemplo a seguir, por su sabiduría y consejos; y es gracias a ustedes que logré llegar hasta acá.
A Mary, mi hermana, mi amiga, mi fiel compañía, quien ha sido un ejemplo a seguir durante
toda mi vida y siempre lo será. A mis amigos: Fabi, Nati, Cami, y Jairito, quienes me
acompañaron durante toda la carrera, gracias por su amistad incondicional y porque siempre
estuvieron ahí para ayudarme a superar las dificultados que se presentaron. A Mariale, Andrés
y a mi papá por acompañarme a hacer las pruebas, y de manera especial a Andrés por su
interés y disposición para ayudarme en las etapas finales del proyecto.

Quiero agradecer a Luis Muñoz por sus consejos, sus enseñanzas, su paciencia, y sobre todo su
disposición para sacar este proyecto adelante a pesar de las circunstancias. Por último quiero
agradecer a Omar Amaya por todos sus aportes, tantas horas de trabajo, y por su buena
actitud para hacer las cosas.

Este es solo el principio del camino, todavía hay mucho hacer.

1. Introducción

El automóvil es uno de los medios de transporte más importantes para la sociedad del siglo XXI
y a lo largo de los años se ha visto gran evolución en todo lo que respecta a este tipo de
vehículo: diseño, uso de materiales, seguridad activa y pasiva, motores y uso de energía. En la
última década, ha crecido la preocupación por el uso de recursos energéticos no renovables
(como la gasolina) ya que existe una alta dependencia de los combustibles fósiles. Esto ha
llevado a que grandes compañías del sector han dediquen gran parte de sus recursos a
investigación con el fin de hacer los motores más eficientes y menos contaminantes, al igual
que utilizar fuentes de energía alternativas. Esto ha llevado a la producción y comercialización
de vehículos híbridos y eléctricos. No obstante, el motor de combustión interna es el más
implementado hoy en día, pues la densidad energética de la gasolina sigue siendo superior a la
de las demás fuentes de energía (ver Tabla 1)

Combustible
Energía por masa
(MJ/kg)
Densidad (g/l)
Densidad por
volumen (MJ/l)
Hidrógeno 120 0.086* 0.0103
Gas natural 49.5 0.598* 0.0296
Batería de Ion Litio 0.95** 1,924** 1.828**
Gasolina 44 748 32.912
*Densidad del gas a 1 atm
**Valores promedio para baterías comerciales
Tabla 1. Densidad energética combustibles.[1]

Además de la ola de pensamiento verde, las normas internacionales son cada vez más estrictas
en cuanto a la emisión de gases del tipo efecto invernadero, y cada norma es más exigente que
la anterior. Por tal razón, todavía es de gran importancia realizar investigación en motores de
combustión interna, pues a pesar de que se han alcanzado grandes avances en el uso más
eficiente de la gasolina y por lo tanto en la reducción de emisiones, la eficiencia de conversión
de energía sigue siendo baja en comparación con otras fuentes de energía. Un ejemplo de
esto, es que en los años 80's era muy popular el uso del carburador, el cual fue reemplazado
por la inyección electrónica de gasolina en los años 90's. Este cambio mejoró la eficiencia y
redujo las emisiones al mismo tiempo que redujo los problemas mecánicos que presentaba
este dispositivo haciendo los motores más confiables. Algunos ejemplos de la última década
sonel uso de inyección directa de gasolina, el uso de turbo cargadores y de compresores que
permiten un mejor desempeño y eficiencia, y en consecuencia el uso de motores más
pequeños y que consumen menos combustible.

A pesar de todos estos avances tecnológicos, el funcionamiento de estos motores depende en
gran medida de las condiciones ambientales como la humedad relativa del aire, la temperatura
y la presión atmosférica; los cuales varían con la altitud. Esto se debe a que el fundamento del
funcionamiento de estos es el proceso de combustión, el cual se ve afectado por los factores
mencionados anteriormente porque estos hacen que el contenido y la concentración de
oxigeno cambie. Entre más oxígeno haya en el ambiente mejor va a ser la combustión, lo que
la hace más eficiente. Como resultado de lo anterior el motor genera más potencia y en
consecuencia el desempeño de un vehículo es mejor. Los fabricantes calibran los motores en
condiciones ideales, es decir que son controlados la temperatura y la humedad, así como
presión atmosférica cercana a 101.3 MPa, que es la presión a nivel del mar. Cuando cambian
las condiciones de trabajo, el desempeño del motor cambia y generalmente disminuyen las
prestaciones.

Los cambios en condiciones atmosféricas debidas a la altura tienen dos efectos principales en
el funcionamiento de los vehículos: uno es que cambia el desempeño del motor, siendo menor
el rendimiento a mayor altitud; y el otro es un cambio en las fuerzas resistivas que se
presentan debidas a la fuerza de arrastre del viento, las cuales disminuyen a mayor altitud. Es
importante notar que el primer fenómeno mencionado tiene un efecto mayor con respecto a
las variaciones en altitud que el segundo, el cual es prácticamente imperceptible para un
conductor.

Este fenómeno es evidente para usuarios de países montañosos como Colombia, cuyo
territorio se caracteriza por ser montañoso ya que es atravesado por 3 cordilleras que hacen
parte de la gran cordillera de los Andes, y donde sus ciudades (y por lo tanto la mayoría de su
población) se encuentran a diferentes altitudes sobre el nivel del mar (hasta 2800 m.s.n.m.).
En consecuencia, para ir de un lugar a otro es necesario subir y bajar montañas alcanzando
diferentes altitudes (en algunos casos superiores a 3000 m.s.n.m.) y todo tipo de condiciones
atmosféricas durante los trayectos. Esto hace que los motores de los vehículos no trabajen en
su punto de máxima eficiencia, perdiendo así potencia con respecto a la que especifican los
fabricantes, aumentando el consumo de combustible, y desmejorando las prestaciones de los
vehículos.

Dicho problema es conocido por los fabricantes de automóviles, y por lo tanto se han realizado
trabajos de investigación patrocinados por algunas de estas empresas, para intentar entender
mejor el fenómeno. En su mayoría, los estudios realizados cubren altitudes inferiores a 1.000
m.s.n.m. Esto puede deberse a múltiples factores, por un lado el porcentaje de los usuarios
que se encuentran a mayores altitudes es bajo y por lo tanto no es rentable dedicar los
recursos de investigación a este problema que solo afecta a unos pocos. Por esta misma razón,
no es fácil encontrar este tipo de condiciones en cualquier lugar, y es más complicado aún
encontrar lugares adecuados para realizar pruebas tales como laboratorios o pistas de prueba.
En consecuencia, no se conoce con precisión el comportamiento de este fenómeno a grandes
altitudes.
2. Estado del arte

A continuación se presentan de manera breve, algunos trabajos realizados previamente por
otros autores que tratan temas que son de interés para este estudio. De manera general, se
presentan experimentos, donde se explica la metodología, los resultados obtenidos, y por
último las conclusiones a las que llegaron los autores.

2.1. Las condiciones atmosféricas y el desempeño del motor.

Uno de los primeros trabajos que se encuentran sobre este tema es “Experiments on the
effects of atmospheric conditions on the performance of an automotive gasoline engine”[2]; el
cual estudia los efectos de 3 variables: humedad relativa, temperatura y presión atmosférica,
mediante pruebas en laboratorio en un motor de combustión por ignición (CI) con carburador
de 4 tiempos y 4 cilindros; el cual fue realizado por los ingenieros de Toyota motor Co. Con el
fin de evaluar el efecto de cada una de estas variables en el comportamiento del motor, se
realizaron pruebas en las que se varió un parámetro mientras los otros se mantuvieron
constantes y así verificar si era independiente el efecto de cada una de ellas.

Los experimentos mostraron que a menor presión atmosférica menor momento par
disponible, aunque por debajo de 0.7 atmósferas aumenta la tasa de disminución de momento
8

par debido a la disminución de presión. Esta relación directa se debe a que un motor puede ser
considerado como una bomba de volumen constante, y al disminuir la presión disminuye la
densidad del aire, por lo tanto disminuye la eficiencia volumétrica de este. Por otro lado, la
disminución en presión atmosférica tiene un efecto inversamente proporcional con el
consumo de combustible específico al freno (a una carga indicada), pues dado que la densidad
del aire es menor, la mezcla aire-gasolina se vuelve más rica (con mayor proporción de
combustible) a medida que la presión disminuye, lo cual en últimas genera mayor consumo de
combustible ya que hay una disminución en la eficiencia mecánica.

De manera similar, la temperatura del aire tiene una relación inversa con el desempeño, y una
relación proporcional con el consumo de gasolina específico al freno. Esto sucede porque al
igual que la presión, la temperatura afecta la densidad del aire y tiene una relación
inversamente proporcional con la temperatura absoluta (a presión constante), pues este
obedece a la ley de gas ideal. A diferencia de la presión atmosférica, el efecto de la
temperatura es mínimo, y por lo tanto no afecta de manera significativa el comportamiento
del motor (pues el cambio es prácticamente imperceptible) y por consiguiente no afecta su
calibración.

La humedad y la eficiencia mecánica tienen una relación inversa. Esto se debe a que el cambio
en humedad (manteniendo temperatura constante) genera un cambio en la presión del aire.
Además de esto, mayor presencia de partículas de agua en el aire hacen que el proceso de
combustión sea más lento.

Este artículo concluye que las 3 variables estudiadas (presión atmosférica, temperatura y
presión del aire) varían el desempeño del motor de manera independiente entre ellas.
También concluye que el impacto de la temperatura del aire es mínimo en un amplio rango de
temperaturas; a diferencia de la presión atmosférica y la humedad relativa que sí tienen un
efecto importante en el comportamiento del sistema.

Esta información es importante, pero fue realizada hace más de 40 años, tiempo durante el
cual ha avanzado enormemente la tecnología en motores, desde sistemas como la inyección
electrónica de gasolina que hoy en día es estándar en todos los vehículos; hasta tecnologías
más específicas como tiempo de apertura y cierre variable de válvulas que se encuentran en
algunos vehículos.
2.2. Altitud y desempeño del motor

Más recientemente se han desarrollado otros estudios sobre este tema, uno de ellos es “Effect
of atmospheric altitude on engine performance”[3]. Este pretendía investigar el efecto del
cambio en presión atmosférica debida a la atura en un motor de gasolina, específicamente en
el consumo de combustible, prestaciones, mezcla aire-gasolina, y eficiencia volumétrica. Fue
realizado sobre un motor a gasolina de 4 cilindros, 1.452 cc, en altitudes de 600 a 850
m.s.n.m., donde las presiones atmosféricas variaron entre 0,90 y 0,94 bar, y el régimen de giro
del motor entre 1.000 y 4.000 r.p.m. Los resultados obtenidos se explicarán en los siguientes
párrafos.

La capacidad de aire es definidacomo el flujo másico de aire fresco que entra al motor, sobre
unidad de tiempo. En general se observa que a medias y bajas revoluciones (inferiores a 2.500
rpm) a mayor altitud se registra menor capacidad, pero a altas revoluciones (3.000 a 4.000
rpm) se registra mayor capacidad de aire a mayor altitud. Esto se debe a que a mayor altitud la
disminución en presión atmosférica hace que exista un diferencial de presión entre el
9

ambiente y la cámara de combustión, este aumento hace que entre mayor cantidad de aire
durante el tiempo en el que están abiertas las válvulas de admisión.

El consumo de combustible a mayor altitud disminuye a bajas y medias revoluciones, pero
porcentualmente esta disminución es mínima. Por encima de 3.000 r.p.m. aumenta, y a 4.000
r.p.m. el aumento es cercano a 40%. Este fenómeno se debe a que a bajas revoluciones el
vacío que se genera es pequeño y por lo tanto los sensores envían poco combustible a las
cámaras haciendo que la mezcla aire-gasolina sea baja; a altas revoluciones el vacío que se
genera es alto, razón por la cual los sensores envían más gasolina; y al haber mayor diferencial
de presión a mayor altitud se envía más gasolina haciendo que la mezcla aire-gasolina sea alta
y aumentando el consumo.

La potencia producida por un motor está relacionada con la cantidad de gasolina suministrada
(entre otros aspectos), pero más gasolina no necesariamente implica más potencia ya que lo
más importante es la cantidad de combustible útil para la combustión. Esto último depende de
la cantidad de oxígeno disponible para la combustión, que a su vez depende de la cantidad de
aire y del contenido de oxígeno en el aire. Este estudio muestra que la relación aire-gasolina es
independiente de la velocidad del motor, varía únicamente en función de la altitud y es
inversamente proporcional.

La eficiencia volumétrica tiene un comportamiento similar a las variables ya mencionadas: por
debajo de 2.500 rpm disminuye con el aumento de altitud (disminución máxima 10%); por
arriba de 3.000 rpm aumenta proporcionalmente con el aumento de altitud, siendo mayor el
aumento (25% máximo) que la disminución a bajas revoluciones. Esto concuerda con lo ya
mencionado sobre el flujo másico de aire. Los bajos valores de eficiencia volumétrica a bajas
velocidades se deben a la fricción en las paredes del sistema de inducción, a su geometría, y al
diferencial de presión.

Este trabajo concluye que a bajas velocidades del motor el desempeño en general es menor a
baja altitud, pero a mayor altitud este mejora; opuesto al funcionamiento a altas velocidades.
Es importante tener en cuenta que este trabajo evalúa un cambio de solo 200 m en altitud
(equivalente a 3.000 Pa), y la altitud máxima a la que se hacen las pruebas es 840 m.s.n.m. Los
motores de vehículos llegan a trabajar a altitudes superiores (4 veces o más la altitud máxima
probada), y no se puede extrapolar para predecir el comportamiento a gran altitud. Algo
importante que permite concluir este trabajo es que las variables medidas cambian
drásticamente a medias y bajas revoluciones, con respecto a altas revoluciones donde el
comportamiento es totalmente opuesto. Es también importante notar que las pruebas se
hicieron sobre un único motor, por lo tanto no se puede concluir que el comportamiento de
todos los motores va a ser el mismo bajo estas condiciones de prueba.
2.3. Temperatura, presión atmosférica y desempeño de un vehículo.

Existen otros trabajos como: “Effects of atmospheric temperature and pressure on the
performance of a vehicle”[4], el cual estudia los efectos que tienen las condiciones
atmosféricas (más específicamente la temperatura y la presión) en el desempeño de un
vehículo mediante la implementación de pruebas de carretera. Este estudio se desarrolla con
el patrocinio de FIAT de Brasil y la universidad católica de Minas Gerasi. Es importante este
estudio ya que la mayoría de trabajos realizados sobre este fenómeno constan de pruebas en
dinamómetros, pero existe poca información sobre el comportamiento real en carretera. En
particular Sodre y Soares (2002) realizaron diferentes pruebas de aceleración para caracterizar
el problema, hicieron pruebas al nivel del mar con presión atmosférica de 1.027 mbar, a 20 y
25 °C; y a 827 m.s.n.m. con presión atmosférica de 927 mbar, a 20, 25 y 30 °C.
10

Sodre y Soares (2002) hicieron 4 pruebas diferentes. La primera de velocidad de 40 a 100
km/h. Al nivel del mar, el vehículo necesitó 290,9 m, y a 827 m.s.n.m. necesitó 26,2 m más. La
siguiente prueba, fue de 80 a 120 km/h y los datos mostraron mayor consistencia que en la
anterior, donde la distancia promedio que necesitó el vehículo a nivel del mar fue de 281,4 m y
a mayor altitud fue 30,3 m más.

En las siguientes pruebas se midió el tiempo que le toma al vehículo recorrer una distancia de
400 y 1.000 m, partiendo de una velocidad inicial de 40 km/h. En ambos casos, el
comportamiento es similar: a mayor altitud, el vehículo requiere mayor tiempo para recorrer
una distancia, siendo mayores los tiempos para la mayor distancia. La diferencia porcentual de
estos tiempos a la misma temperatura es baja para distancias cortas (0 a 100 m, y 0 a 200 m), y
es mayor para distancias más largas (0 a 400 m, y 0 a 1.000 m). Esto se debe a que las
condiciones transitorias del motor hacen que el tiempo dependa más de los sistemas de
control del motor que de las condiciones ambientales.

Para todas las pruebas mencionadas anteriormente, se observa que el aumento de
temperatura tiene un efecto negativo en el desempeño del motor, pues para las primeras
pruebas fue necesaria mayor distancia, y para las segundas fue necesario mayor tiempo. El
cambio debido a la temperatura fue de solo 0,4% para lograr la aceleración de 0 a 1.000 m con
un cambio de 5°C. En cambio la diferencia de 827 m de altitud y 100 mbar de presión, tiene
consecuencia un cambio de 3,0%. Esto demuestra que el cambio en la presión atmosférica
tiene un efecto mayor sobre las prestaciones de un vehículo que un cambio en la temperatura,
por lo tanto es de mayor importancia estudiar bien los efectos de la presión en un rango
mayor de altitudes, y en consecuencia de presiones.
2.4. Factores de corrección de potencia.

El trabajo “Comparison of engine power correction factor for varying atmospheric
conditions”[5] compara la validez que tienen los factores de corrección de potencia para
diferentes condiciones atmosféricas (DIN 70020, SAE J 1349, JIS D, e ISO 1585). En éste, se
realizan las mismas pruebas mencionadas en el anterior bajo las siguientes condiciones: a nivel
del mar a temperaturas de 22,9 y 28,2 °C; y a 827 m.s.n.m. a 22,8 29,4 y 33,8 °C.

Al igual que en el trabajo mencionado anteriormente, los resultados de las pruebas
demostraron que mayor presión atmosférica implica menor tiempo de aceleración; y que
mayor temperatura implica mayor tiempo de aceleración. A pesar de que la disminución en la
densidad del aire hace que las fuerzas resistivas de arrastre disminuyan, es mayor la
disminución de las prestaciones del motor, por lo tanto es mayor el tiempo de aceleración.

Para las aceleraciones de 0 a 400m y 0 a 1.000 m, y 40 a 100 km/h, los factores de corrección
predicen tiempos de aceleración menores a los experimentales para las pruebas a 1.026 mbar
(a nivel del mar), y predicen una pendiente menor con el cambio de temperatura que los datos
experimentales. A la otra altitud probada (827 m.s.n.m.) y con presiones de 926 mbar predicen
tiempos mayores a los experimentales, especialmente a mayores temperaturas. Las
diferencias de los tiempos para la prueba de 40 a 100 km/h van desde 0,87% para el factor de
corrección SAE, hasta 2,0% para el factor ISO.

En general, el factor de corrección cuyos valores estuvieron más alejados de los resultados en
todas las pruebas fue el ISO. Esto se debe en parte a que a diferencia de los otros 3, que hacían
una relación directamenteproporcional entre la potencia del motor y la presión atmosférica,
este relaciona estas variables elevando la presión a una potencia de 1,2; y el que más se
11

aproximó a los resultados fue el SAE. En conclusión, los factores estudiados permiten estimar
la pérdida de potencia debida a las condiciones ambientales, y a pesar de que los resultados
son similares a los experimentales, en general existen diferencias. Por tal razón, estos valores
de potencia pueden ser tomados como referencia mas no como verdad absoluta, si se necesita
saber con exactitud es necesario realizar pruebas que permitan medir el momento par y la
potencia (usando dinamómetros por ejemplo), o los tiempos de aceleración.
2.5. Efectos en el consumo de combustible.

El trabajo “Impact of altitude on fuel consumption of a gasoline passenger car”[6] se enfoca en
caracterizar el impacto en consumo de combustible a diferentes altitudes, y en los efectos
aerodinámicos que genera el cambio de la densidad del aire. Fue realizado con el apoyo de la
escuela de ciencia y tecnología Hellenic Open University, de Grecia. Las pruebas se hacen en
laboratorios, y se utilizan 3 diferentes ciclos de manejo para las pruebas de consumo: New
European Driving Cycle (NEDC), Federal Test Procedure (FTP) y Highway driving cycle; y pruebas
de deceleración natural para medir los efectos aerodinámicos. El cálculo del consumo de
combustible se hace indirectamente midiendo las emisiones de dióxido de carbono en cada
ciclo. Las pruebas se hacen a 70 y a 2200 m.s.n.m.

En las pruebas de consumo, dos de los tres ciclos (NEDC y FTP) probados mostraron un menor
consumo a mayor altitud; el otro ciclo probado (“Highway driving cycle “ que era el de más alta
velocidad) mostró mayor consumo a mayor altitud. Esta diferencia en los resultados no
permitió a los investigadores concluir sobre estas pruebas, pues no se explican a qué se debió
esta diferencia en los resultados.

Por otro lado, las pruebas de deceleración natural fueron realizadas a 70 y 700 m.s.n.m. Los
resultados de estas demostraron que a mayor altitud son menores las fuerzas aerodinámicas
que inciden en el vehículo ya que los tiempos de deceleración aumentaron con la altitud,
alcanzando mayor diferencia de tiempo (de 6%) desde una velocidad de 120 km/h. Esto
demuestra que se necesita menos energía para mover un vehículo a mayor altitud.

Dado que los resultados de este trabajo no permitieron llegar a una conclusión sobre los
efectos de la altitud en el consumo de combustible en vehículos, los autores sugieren que se
realicen más trabajos que permitan llegar a una conclusión clara.
2.6. Presión atmosférica, composición del aire y motores.

En el 2006 se realizó un estudio llamado "Estudio del efecto de la altitud sobre el
comportamiento de motores de combustión interna. Parte 1: Funcionamiento"[7]. En éste se
discute el efecto que tiene la altitud sobre la potencia en motores de aspiración natural y de
aspiración forzada que no tienen sistemas correctores. En éste explican que el cambio se debe
en parte a la presión atmosférica y en parte a la composición del aire (la cual cambia con la
altitud), esto modifica el ciclo termodinámico de operación del motor y en consecuencia las
prestaciones del mismo.

El documento explica que el rendimiento indicado disminuye con la altitud principalmente
porque la presión en el cilindro es menor durante todo el ciclo del motor; por el otro lado esto
tiene un efecto en las pérdidas de bombeo y rozamiento, pues estas se reducen porque se
reduce la contrapresión de escape y la presión en el cilindro respectivamente.

Lizhong et al.(1995), realizaron ensayos en un motor diésel de inyección directa, aspiración
natural de 3.3 litros y 4 cilindros. El motor mostró una disminución de 24% en potencia
efectiva en pruebas realizadas a 2.000 m.s.n.m. con respecto a las realizadas al nivel del mar.

Con respecto a la composición del aire, encontraron que la fracción molar de oxígeno presente
en el aire disminuye con la altitud ya que la masa molar del oxígeno es mayor que la del aire.
Por otro lado, la fracción molar de nitrógeno aumenta ligeramente con la altitud ya que su
masa molar es menor que la del aire. La compensación de estos dos fenómenos hace que las
variaciones en el peso molecular del aire seco sean mínimas con el cambio de altitud. En
conclusión, la concentración másica de oxígeno en el aire disminuye con la altitud por dos
razones: 1) porque se reduce su fracción másica; 2) porque la densidad del aire disminuye con
la altitud gracias a la disminución en presión atmosférica, siendo este último el más
importante.
3. Problema de investigación

Según el ministerio de transporte, en el 2012 en Colombia el 89,1% de los pasajeros y el 71,3%
de la carga se movilizó dentro del país por modo terrestre[8], convirtiéndolo en el principal de
su territorio. Es importante tener en cuenta que en el país solo hay 940 km de líneas férreas en
operación contra 5.262 km de carreteras, así que el transporte se hace principalmente en
vehículos automotores. De manera similar, el uso de combustible en el país para transporte
fue de 70.666 barriles de gasolina, es decir el 91,2% de la gasolina consumida en el país; por
otro lado se usaron 91.749 barriles de diésel, es decir el 69,7% del total de diésel. Esto implica
que tanto en gasolina como en diésel, el consumo es principalmente para transporte, siendo
menor el porcentaje para diésel ya que este tipo de combustible se usa también como fuente
de energía en algunas industrias.

Dado que Colombia es atravesada de sur a norte por la cordillera de los andes, es posible
encontrar altitudes que varían desde los 0 m.s.n.m. en sus costas hasta los 5.750 en el nevado
del Huila. Lo anterior conlleva a que en territorio se presente todo tipo de condiciones
ambientales.. Por tal razón, los motores de combustión interna usados en los vehículos que
circulan en su territorio son expuestos a todo tipo de condiciones ambientales que generan
una disminución en el rendimiento de estas máquinas. A pesar de que este problema es
conocido, ha habido poca investigación sobre el mismo, lo cual tiene como consecuencia que
se desconozcan con certeza cuales son los efectos en el desempeño de un vehículo.

Como se mencionó en la sección anterior (2. Estado del arte), los fabricantes calibran los
motores a nivel del mar, y es también en esta condición que realizan las pruebas del vehículo
completo y por lo tanto los valores reportados en las fichas técnicas tales como potencia del
motor y tiempos de aceleración (generalmente de 0 a 100 km/h), mas no reportan el
comportamiento de este a diferentes altitudes sobre el nivel del mar. De igual manera, los
estudios mencionados anteriormente se concentran en su mayoría en los efectos que tiene
cada variable por separado pero no el efecto neto que se presenta con el cambio de altitud
(que genera cambios en todas las variables mencionadas).

Este proyecto de grado tiene como objetivo, caracterizar cuantitativamente los efectos
causados por el cambio en las condiciones atmosféricas (principalmente presión atmosférica)
en vehículos de calle. Para esto se implementarán pruebas de carretera. Las pruebas deben ser
llevadas a cabo siguiendo criterios establecidos por normas y controlando algunos aspectos
con el fin de que se realicen siempre bajo las mismas condiciones. Se redactará un protocolo
13

específico para cada prueba, con el fin de que los resultados obtenidos en cada repetición sean
comparables con repeticiones posteriores.

Se realizaran tres tipos de pruebas:
i. De aceleración: para medir las prestaciones de vehículos en condiciones normales de
operación.
ii. Consumo de combustible: para medir indirectamente la eficiencia de conversión de
energía.
iii. Deceleración natural: para medir los efectos aerodinámicos en cada lugar donde se
realicen las pruebas.

Se espera que los resultadosde estos ensayos a diferentes altitudes sean contundentes, y
permitan concluir los efectos del fenómeno que se estudia en el presente proyecto de grado
4. Objetivos
4.1. Objetivo general

El objetivo general de este trabajo es caracterizar el desempeño de un vehículo de calle bajo
condiciones reales de operación mediante la implementación de pruebas de carretera, con
diferentes condiciones atmosféricas

4.2. Objetivos específicos

A continuación se mencionan los objetivos específicos que se esperan cumplir en el desarrollo
de este trabajo:

i. Diseñar los protocolos de las pruebas de carretera.
ii. Ejecutar las pruebas de carretera.
iii. Analizar los resultados, realizar correcciones a los protocolos.
iv. Repetir las pruebas en condiciones atmosféricas diferentes.
5. Metodología

En consecuencia con lo mencionado anteriormente, este es un estudio experimental en el cual
se evaluó el desempeño de un vehículo bajo diferentes condiciones atmosféricas, lo cual se
realizó mediante pruebas de carretera. Como se mencionó en la sección 3, las pruebas
seleccionadas fueron: aceleración, deceleración natural y consumo de combustible.

La primera etapa del proyecto (Figura 1) consistió en el diseño de protocolos de estas pruebas.
Con el fin de que estas se realizaran bajo estándares de la industria, se tomaron como
referencia algunas normas de la “Society of Automotive Engineering” (SAE) y de la
“International Organization for Standarization” (ISO), de las cuales se habla con detalle más
adelante. Por lo tanto, los protocolos diseñados tuvieron como principales referencias las
normas, y fueron limitados por las condiciones de prueba como lo eran los límites de
velocidad, la longitud de las pistas, y la ubicación de las mismas.

Figura 1. Primera etapa del proyecto.

Figura 2. Segunda etapa
del proyecto

Con los protocolos ya diseñados se procedió a la segunda etapa del proyecto (Figura 2), esta
consistió en realizar unas pruebas preliminares en las cuales se evaluaron los procedimientos
de los protocolos y se realizaron correcciones en los mismos. Por último, se realizaron las
pruebas definitivas a tres altitudes diferentes.
5.1. Diseño experimental

Existen dos formas de hacer pruebas en vehículos: la primera es en laboratorio donde se
controlan algunas variables y se simulan las condiciones de conducción y la segunda consiste
en pruebas de carretera, las cuales se encuentran sujetas a las características de las pistas
(longitud, pendiente, condición del pavimento), y las condiciones ambientales durante los días
en los que se realizan las pruebas (temperatura, humedad, y velocidad del viento).

Para este proyecto se seleccionaron las pruebas en carretera ya que se quiere medir el efecto
de la altitud, y para hacer esto en un laboratorio se requieren recintos que permitan establecer
diferentes presiones atmosféricas simulando así diferentes altitudes, instalaciones con las
cuales no cuenta la universidad y son costosas. Por otro lado, para las pruebas de carretera se
requieren equipos específicos que permitan medir con alta precisión algunas variables en el
vehículo y en el ambiente, equipos con los cuales cuenta la universidad de los andes
(Uniandes) y cumplen con la precisión y frecuencia de muestreo que exigen las normas.

A continuación se explicará con mayor detalle cuáles fueron las pruebas seleccionadas, cuáles
fueron las normas tomadas como referencia para las mismas, y aspectos generales sobre cada
una de ellas. De manera general, en la prueba de aceleración se pretende medir el cambio
neto en el desempeño del vehículo; en la prueba de consumo de combustible para medir
indirectamente la eficiencia de conversión de energía en cada estación; y en la prueba de
deceleración natural se pretende medir el cambio neto en la fuerza de arrastre.
5.1.1. Prueba de aceleración

Esta prueba permite medir el desempeño del vehículo bajo condiciones máximas de operación
(con pedal a fondo). La norma que se tomó como referencia para estas pruebas fue la SAE
J1491 “Vehicle acceleration measurement”[9], en la cual se especifican las condiciones del
15

vehículo, de la pista, la frecuencia y tolerancia que deben tener los datos, y las condiciones
ambientales en las que se puede llevar a cabo la prueba.

Ésta consiste en acelerar el vehículo de pruebas desde el reposo hasta una velocidad o
distancia específica, y se toma como indicador el tiempo que le toma al automóvil hacer esto.
La norma propone tomar como parámetro el tiempo de aceleración hasta los 402 m (1/4 de
milla). Dado que algunas de las pruebas se realizaron en vías públicas (y se deben respetar los
límites de velocidad) la velocidad máxima fue de 80 km/h; se tomarán como indicadores los
tiempos de aceleración de 0 a 60 km/h, y de 0 a 80 km/h.
5.1.2. Prueba de consumo de combustible

Esta prueba permite medir de manera indirecta la eficiencia de conversión de energía del
motor. Por lo general, las pruebas de consumo de combustible consisten en simular ciclos de
conducción en dinamómetros con el fin de que se replicar los hábitos de manejo de los
usuarios (hay ciclos urbanos, sub urbanos, y de autopista), en las cuales se mide la cantidad de
combustible consumido y la distancia recorrida, para obtener un indicador de distancia
recorrida sobre combustible consumido, en este caso se usó km/gal . Dado que la metodología
escogida en este proyecto de investigación fue pruebas de carretera, estas son limitadas por
dos factores principalmente: la extensión de las pistas y los límites de velocidad.

Se hicieron pruebas de consumo a velocidad constante, pues además de ajustarse a las
condiciones de pista mencionadas anteriormente, no existe un ciclo de conducción
característico para Colombia, además de que de esta manera los resultados no dependen de la
capacidad del conductor para reproducir los ciclos, y principalmente porque lo que se
pretende hacer es caracterizar el desempeño del vehículo y no de una forma particular de
funcionamiento (por ejemplo en ciudad o autopista).

La norma que se tomó como referencia para diseñar el protocolo fue la SAE J1082 “Fuel
economy measurement road test procedure”[10]. En esta norma se especifican las condiciones
bajo las cuales se debe hacer la prueba, los parámetros a medir, el procesamiento de los datos
y el análisis estadístico que se debe realizar con ellos. La velocidad escogida para hacerlas fue
de 65 km/h.

5.1.3. Prueba de deceleración natural

Esta prueba permite medir el efecto que tienen las variables atmosféricas en la carga
aerodinámica a la que se ve expuesta el vehículo. Como referencia para esta prueba se tomó la
norma SAE J1263 “Road load measurement and dynamometer simulation using coastdown
techniques”[11], en ésta se especifican las condiciones de pista, del vehículo y de registro de
datos bajos los cuales se puede llevar a cabo la prueba.

El rango de velocidades que se utilizó en esta prueba fue de 65 a 50 km/h. Dicho rango se
estableció con base en las condiciones de pista, pues el factor limitante es la longitud de la
pista, ya que se debe contar con el terreno suficiente para acelerar el vehículo y
posteriormente dejarlo decelerar de manera natural.

La prueba consiste en acelerar el vehículo hasta alcanzar una velocidad superior a 70 km/h (5
km/h más que la velocidad máxima de prueba), luego de esto se debe pasar la caja de
velocidades a neutro para iniciar el proceso de deceleración hasta 50 km/h. Durante la prueba,
la dirección del vehículo debe mantenerse completamente recta y no es permitido aplicar el
freno en ningún momento.

En paralelo a este trabajo, se realizó otro estudio [12] dedicado exclusivamente a esta prueba.
En este se escogieron condiciones que favorecían la reproducción de la prueba y así obtener
un mayor entendimiento de las fuerzas de arrastre en un vehículo. Por lo tanto los resultados
que seobtuvieron en el presente estudio se analizan de manera temporal, a la espera de los
resultados de A.García.
5.2. Equipos e instrumentación

Para realizar las tomas de datos, fue necesario contar con un vehículo de pruebas e
instrumentación específica para medir todas las variables con la frecuencia y precisión que
requieren las normas utilizadas.
5.2.1. Vehículo de pruebas

El vehículo de pruebas seleccionado fue un sedan familiar de 4 puertas, el cual viene equipado
con motor de gasolina de 2.480 cm3, 5 cilindros en línea, 4 válvulas por cilindro con doble árbol
de levas, alimentación por inyección y de aspiración natural. Este cuenta con transmisión
automática secuencial de 6 velocidades hacia adelante. En la Tabla 2 se encuentran las
características generales del vehículo.

Masa eje delantero (kg) 842
Masa eje trasero (kg) 568
Masa adicional (kg) 185
Ancho (m) 1.755
Alto (m) 1.461
Largo (m) 4.523
Tabla 2. Masa y dimensiones vehículo de pruebas.

La masa del vehículo se midió usando básculas que pertenecen al Departamento de Ingeniería
Civil de Uniandes. Para esto, con el tanque lleno, se procedió a medir la masa del vehículo
ubicando las llantas de cada eje sobre las básculas.

Imagen 1. Medición masa del vehículo de pruebas.

5.2.2. Sensor óptico de velocidad

Para medir la velocidad y distancia recorrida se utilizó el equipo Corrsys Datron Correvit L-350
Aqua. Es un sensor óptico de un eje que permite medir los parámetros mencionados en pistas
secas y húmedas. Permite obtener señal análoga o digital, y cuenta con una entrada para un
“trigger” que puede usarse para dar inicio a las pruebas si se conecta a un sensor en el pedal
de freno o del acelerador (de acuerdo a como se requiera). Fue diseñado para pruebas
dinámicas en vehículos de prueba donde se requiere medición con alta precisión de: distancia,
velocidad y aceleración.

Frecuencia de muestreo (Hz) 250
Rango (km/h) 0,3 - 250
Resolución (mm) 1,5
Precisión ±0,1%
Tabla 3. Especificaciones técnicas Corrsys Datron L-350
Aqua.

Imagen 2. CD L-350 Aqua.
Tomado de: manual del usuario Kistler L350 aqua.

La señal se obtuvo de forma análoga (usando la tarjeta de adquisición NI 9215) de tal forma
que los datos eran registrados en un documento de texto lo cual permitió una fácil
manipulación. La instalación del equipo se hizo en la puerta trasera izquierda del vehículo
usando la base magnética que permite acoplarlo al vehículo.
5.2.3. Flujómetro

Para medir el consumo de combustible se usó el flujómetro de desplazamiento positivo Corrsys
Datron CDFL3x-5bar. Este dispositivo fue diseñado para medir consumo de combustible en
motores de combustión interna con capacidad de trabajar con combustibles como gasolina,
diésel, combustibles a base de alcohol y biocombustibles; y es ideal para usar en carros de
calle, vehículos pesados, vehículos especializados (de competencia), motocicletas y barcos.
18

Frecuencia de muestreo (Hz) 100
Rango (l/h) 0,5 - 150
Precisión ±0,5%
Presión máxima de operación (bar) 5
Tabla 4. Especificaciones técnicas CDLF3x-5

Imagen 3. CDFL3x-5.
Tomado de: manual de usuario Corrsys
CDLF3x-5.

El equipo cuenta con salida análoga y digital. En este caso se hizo adquisición de la señal
análoga (usando la tarjeta de adquisición NI 9215), y se decidió usar este método ya que en
[13] (estudio en el que se estaban haciendo pruebas de características similares a las que se
hicieron en este estudio) menciona que al hacerlo de esta forma se requieren menos
modificaciones y es más directa la verificación de los datos adquiridos.
5.2.4. GPS de alta resolución

Para medir características de la pista como la extensión y altitud se utilizó el VBOX 3iV2 de
Racelogic. Este GPS de alta resolución, permite medir velocidad, distancia, altitud, dirección, y
posición con una frecuencia de muestreo de 100 Hz. Ofrece también la posibilidad de conectar
accesorios como la Unidad de Medición Inercial, IMU (por sus siglas en inglés) que permite
adquirir con gran precisión señales de aceleración en 3 ejes (x,y,z), pero que en este caso no se
usó ya que esta señal no se requería para las pruebas.

Frecuencia de muestreo (Hz) 100 Hz
Rango (km/h) 0,1 - 1.609
Resolución (km) 0,001
Resolución (km/h) 0,1
Tabla 5. Especificaciones técnicas VBOX.

Imagen 4. Racelogic VBOX.
Tomado de: manual de usuario VBOX iii

La adquisición de la señal se hizo conectando la memoria adicional al VBOX, lo cual genera un
documento de texto en el cual se encuentran los datos adquiridos, y se supervisó durante las
mediciones conectando el dispositivo al computador portátil (por medio de USB).
5.2.5. Termo-anemómetro

Para medir las condiciones ambientales en la pista se utilizó el termoanemómentro Extech
45158. Este dispositivo permite adquirir valores de velocidad del viento, temperatura y
humedad relativa. Gracias a su portabilidad y precisión, es ideal para las pruebas en carretera
realizadas.
19

Variable Rango Resolución Precisión
Velocidad viento (m/s) 0,5 - 28,0 0,1
±(3% + 0,2
m/s)
Temperatira (°C) (-18) - 50 1 ± 1
Humedad relativa (%) 10 - 95 1 ± 5
Tabla 6. Especificaciones técnicas Extech 45158

Imagen 5. Extech 45158
Tomado de:
http://www.extech.com
5.2.6. Barómetro portátil

Para medir la presión atmosférica en los lugares de prueba, se utilizó el barómetro portátil
Baladé. Además de medir la presión atmosférica, este dispositivo permite medir temperatura y
altitud sobre el nivel del mar (esta última se tomó como medida complementaria a los valores
que se obtienen con el VBOX).

Variable Rango Precisión
Presión (kPa) 30 - 110 ± 1
Altitud (m.s.n.m.) (-700) - 9.000 ± 2
Temparatura (°C) (-10) - 60 ± 1
Tabla 7. Especificaciones técnicas barómetro portátil
Baladé.

Imagen 6. Barómetro portátil Baladé.

5.2.7. Tarjeta de adquisición

Esta tarjeta de adquisición fue usada para tomar las señales análogas del flujómetro y del
sensor óptico de velocidad y convertirlas en un documento de texto con la ayuda de un
programa diseñado en LabView1. El rango de operación de la tarjeta permitía adquirir las
señales sin presentar ningún problema.

Canales 4
Rango (V) ± 10
Resolución (bit) 16
Frecuenciade muestréo 100 kS/s por canal
Tabla 8. Especificaciones técnicas tarjeta de
adquisición NI 9215.

Imagen 7. NI 9215.
Tomado de: manual de usuario NI 9215.

1
LabView: Software que permite diseñar programas sencillos, en este caso se creó uno para adquirir las
dos señales en un solo archivo y con un solo marco de referencia en segundos. En anexos se adjunta una
imagen del programa utilizado.
20

5.2.8. Equipos adicionales
A continuación se presentan otros equipos utilizados durante las pruebas, pero que son de
menor importancia, pues son equipos complementarios que permiten el correcto
funcionamiento de los demás.

Para conectar los equipos usados a una fuente de poder y con el fin de de no alterar el
funcionamiento del vehículo, se utilizó una batería como fuente adicional de poder. A esta se
le conectaron durante las pruebas los siguientes dispositivos: flujómetro de desplazamiento
positivo, sensor óptico de velocidad, y el computador portátil.

Bosch S3 N200 HD
Voltaje (V) 12
Capacidad (Ah) 205
Tabla 9. Especificaciones técnicas Bateria

Imagen 8. Batería Bosch
6. Procedimiento experimental

A continuación se explica el proceso que se siguió para llevar a cabo las pruebas, y se describen
con detalle los lugares y las pistas usadas para realizar las pruebas.
6.1. Diseño de protocolos

Uno de los objetivos del presente proyecto de grado, era diseñar los protocolos para las
pruebas. El primer paso fue decidir cuáles eran las pruebas que se iban a llevar a cabo (las
cuales se describen con detalle en la sección 5.1). Elsegundo paso consistió en buscar normas
sobre este tipo de pruebas debido a que éstas son comunes en el sector automotriz a nivel
mundial. Dentro de la bibliografía consultada, se encontraron normas SAE para las tres
pruebas, y una ISO (para la prueba de deceleración natural). Con base en estas normas, se
escribieron los protocolos para cada una de las pruebas. En estos se especifican los equipos
requeridos, la preparación del vehículo, parámetros que se deben tener en cuenta antes,
durante y después de las pruebas, y el procedimiento a seguir.
6.2. Validación, calibración, y funcionamiento de equipos

Antes de realizar las pruebas y con el fin de que estas se llevaran a cabo sin ningún
inconveniente, se hicieron pruebas de funcionamiento de cada equipo. Esto se realizó
posterior al desarrollo de los protocolos donde se definió cuáles eran los equipos necesarios
para cada una de ellas. En estas se comprobó que los equipos estuvieran completos, en buen
funcionamiento, y que el software necesario estuviera instalado y no presentara ningún
problema.

6.2.1. Comprobación calibración flujómetro

Durante las pruebas mencionadas anteriormente, fue necesario realizar un montaje
experimental para comprobar el correcto funcionamiento del flujómetro, con el fin de tener
certeza en los resultados presentados más adelante.

Figura 3. Diseño montaje experimental flujómetro con línea de retorno.

Durante el montaje se simuló la condición de consumo de combustible en un motor
implementando un tanque adicional en el circuito de las mangueras (como se puede ver en la
Figura 3 y en la Figura 4 para configuraciones con y sin línea de retorno respectivamente), de
tal forma que el combustible almacenado en este tanque equivale al utilizado; y cuyo volumen
era conocido. Se hicieron pruebas a diferentes caudales, el cual se controlaba con una válvula
de bola instalada en el circuito de mangueras; y en las dos condiciones de operación del
flujómetro (con y sin línea de retorno).

Figura 4. Montaje experimental flujómetro sin línea de retorno.

Durante las pruebas se obtuvo el consumo de combustible a partir de la señal análoga del
equípo usando la tarjeta de adquisición, por lo tanto fue necesario verificar el caudal y el
volumen que se obtenían mediante este método. El software del flujómetro (CeCalWinPro)
muestra el caudal y el volumen total de combustible consumido durante una prueba. Por lo
tanto, la comprobación de la señal análoga de caudal se hizo con los valores que mostraba
CeCalWinPro, y la comprobación del volumen total de combustible durante cada prueba se
hizo tanto con el valor que mostraba CeCalWinPro, como con el volumen de combustible en el
tanque adicional de combustible "consumido" al final de cada prueba. Para cada repetición de
la prueba, se utilizaron diferentes caudales con el fin de comprobar si esta variable tenía un
efecto en la medición.

Gráfica 1. Resultados prueba con retorno.

Gráfica 2. Resultados prueba sin retorno

En la Gráfica 1 se puede ver el resultado del experimento realizado con línea de retorno. Los
marcadores rojos corresponden a caudales superiores a

, que tal como se muestra en el
Anexo 1, tienen una desviación alta con respecto a la señal de referencia. Lo mismo sucede
y = 1,0126x - 4,7587
R² = 0,9991
250
350
450
550
650
250 350 450 550 650
V
o
lu
m
en
s
eñ
al
a
n
ál
o
ga
(
m
l)

Volumen referencia (ml)
Prueba con línea de retorno
y = 0,9936x + 5,1597
R² = 0,9978
250
350
450
550
650
750
250 450 650 850
V
o
lu
m
en
s
eñ
al
a
n
ál
o
ga
(
m
l)

Volumen referencia (ml)
Prueba sin línea de retorno
22

con la prueba sin línea de retorno (como se puede ver en la Gráfica 2), donde los marcadores
rojos corresponden a caudales mayores a

Con estos resultados se concluyó que el funcionamiento del flujómetro en ambos montajes es
el adecuado y su calibración es correcta para caudales inferiores a

, pues como se puede
ver en las gráficas, el coeficiente de ajuste (R2) es de 0,99 para ambos casos. El error
encontrado en caudales superiores a

, se atribuye a que se saturó la tarjeta de
adquisición (como se puede ver en el Anexo 3 y el Anexo 4), pues el voltaje máximo en señal
análoga admitido es de 10 V, por lo tanto es necesario modificar algunos parámetros si se van
a realizar pruebas a caudales superiores. No obstante, los caudales que se presentan en las
pruebas de carretera se encuentran por debajo de

, por lo tanto se espera no tener
inconvenientes con estas mediciones.
6.3. Pruebas preliminares

Con los protocolos diseñados y habiendo ya probado los equipos, se programaron unas
pruebas preliminares con el fin de evaluar el funcionamiento de los equipos en pista, y los
procedimientos de las pruebas para hacer correcciones.

Estas se realizaron en una vía pública a las afueras de la ciudad de Bogotá en horas de la
mañana (con el fin de que el tráfico no interviniera durante las pruebas). Se hicieron sobre la
vía que conecta a Mosquera con la salida por la calle 80 de Bogotá, en un tramo de 2,6 km al
occidente del peaje “la tebaida” (ver Anexo 12).

Las pruebas consistieron en implementar los tres protocolos (aceleración, deceleración natural
y consumo) siguiendo los pasos y recomendaciones en los mismos. En esta se hicieron 6
repeticiones de cada una de ellas (3 en una dirección, y 3 en la dirección opuesta de la pista).

Los datos registrados no se muestran en los resultados ya que se encontraron errores en los
protocolos, y porque la pista tenía una pendiente superior a la que permiten las normas.
6.4. Pruebas definitivas

Se realizaron tres pruebas definitivas en
lugares diferentes. Todas fueron realizadas
cumpliendo los criterios de las normas
seleccionadas y siguiendo los protocolos
diseñados para las misas con el fin de
conseguir resultados representativos de cada
lugar.

Se llevaron a cabo con toda la
instrumentación instalada, todos los
accesorios del vehículo apagados, tanque de
combustible lleno, piloto y copiloto a bordo.
Esto con el fin de que las condiciones del
vehículo fueran las mismas en cada
repetición.

Imagen 9. Vehículo de pruebas instrumentado para
toma de datos en el autódromo de Tocancipá.
6.4.1. Estación de gran altura 1, 2.612 m.s.n.m. (Aeropuerto de Tunja)

Las primeras pruebas definitivas se realizaron el 5 de Abril de 2014 en la ciudad de Tunja,
Boyacá, en las instalaciones del aeropuerto ubicado al oriente de la ciudad. A la fecha, dicha
pista era utilizada únicamente en casos de emergencia, más no había ningún vuelo por lo tanto
podía ser usada para fines académicos como el del presente trabajo. En la Imagen 10, se
presenta una toma aérea de la pista mencionada anteriormente.

Imagen 10. Aeropuerto de Tunja, toma aérea.
Tomado de: http://www.extech.com

Durante el desarrollo de las pruebas, el viento presentó velocidades superiores a las admitidas
por las normas para las pruebas de deceleración natural y consumo de combustible. Por tal
razón, solo se analizaron y compararon los resultados de la prueba de aceleración.
6.4.2. Estación de gran altura 2, 2.485 m.s.n.m. (Autódromo de Tocancipá)

Las segundas pruebas se realizaron el 1 de Mayo de 2014, en el municipio de Tocancipá,
Cundinamarca, en el “Autódromo de Tocancipá”. Durante este día, las instalaciones del
autódromo fueron reservadas por la Universidad de los Andes con el fin de realizar pruebas de
diferentes proyectos. Estas fueron realizadas en la recta principal, donde la pendiente de la
pista es favorable para las pruebas.

Imagen 11. Toma aérea autódromo de Tocancipá.
Tomado de: http://www.tocancipa-cundinamarca.gov.co

6.4.3. Estación de baja altura, 331 m.s.n.m. (Via Girardot - Espinal)

Las últimas pruebas se realizaron el 1 de Junio de 2014, en lavía que comunica el municipio de
Girardot, Cundinamarca; y el Espinal, Tolima. Se seleccionó este lugar por su cercanía a la
ciudad de Bogotá por baja altitud sobre el nivel del mar, y por las características de la pista que
cumplían los criterios de las normas. En este caso el tramo seleccionado tenía una extensión
de 1,7 km. Eran de gran importancia estas pruebas, pues sus resultados permitirían obtener
una comparación directa con los resultados en las estaciones de gran altitud y así cumplir los
objetivos propuestos.

Imagen 12. Pista de pruebas Girardot - Espinal.
Tomado de: www.googlemaps.com
7. Procesamiento datos

A continuación se explicará el manejo que se le dio a los datos adquiridos durante las pruebas
de carretera. Gracias a que se usó una sola tarjeta de adquisición para obtener las señales del
flujómetro (presentado en 5.2.3) y del sensor óptico de velocidad (presentado en 5.2.2),
25

ambas señales quedaron registradas en un solo archivo de texto, y bajo el mismo marco de
referencia (tiempo). Esto hizo más sencillo el montaje y el procesamiento de los datos, pues
gracias a ello no fue necesario instalar un “trigger” (dispositivo registra el momento en el que
se empiezan a hacer las pruebas mediante una señal de voltaje de forma escalón.) para
coordinar los dos instrumentos.

El procesamiento de los datos se realizó en MATLAB, por diversas razones: tiene diversas
funciones que eran útiles para el procesamiento de los datos, tiene compatibilidad con
archivos tipo de texto como los generados por Labview y permite diseñar funciones y
programas para obtener los resultados a partir de estos archivos.

Durante las pruebas, se iniciaba la toma de datos antes de empezar con alguna de las pruebas
(aceleración, consumo o deceleración natural), se finalizaba la toma de datos una vez se
realizara la última repetición, y se registraban en otro documento las condiciones y
observaciones de cada repetición. De esta manera se obtenía un solo archivo para cada prueba
en el cual se encontraban los datos para todas las repeticiones realizadas. El primer paso con
estos archivos, consistió en generar un archivo para cada una de las repeticiones a partir del
archivo creado durante las pruebas. Posterior a esto se ejecutaban los códigos que se explican
a continuación.
7.1. Pruebas de aceleración

Según la norma SAE J1491 [9], existe un tiempo de respuesta que corresponde al tiempo que
le tarda al vehículo recorrer 1 ft de distancia, desde el momento en el que se empieza a
acelerar. La norma sugiere tomar los tiempos de aceleración de 0 – 48,3 km/h, y 0 – 96,6
km/h; dado que no es un requisito, y el segundo tiempo sugerido es superior al límite de
velocidad permitido en vías públicas por lo tanto se toma la velocidad máxima permitida de 80
km/h, y un tiempo parcial de aceleración de 0 – 60 km/h.

Los resultados deben cumplir con que el coeficiente de variación debe ser inferior a 3%, es
decir:

Ecuación 1

Los dos indicadores propuestos cumplen con este criterio para todas las pruebas realizadas, a
diferencia de los tiempos parciales correspondientes a velocidades inferiores a 50 km/h donde
no se cumple en todos los casos.

Con el fin de cortar con precisión los datos correspondientes a cada repetición de la prueba, se
creó una función en MATLAB que permite obtener el tiempo respuesta (mencionado en el
párrafo anterior) así como los tiempos de aceleración parciales y finales. En Anexo 13, se
presenta el código generado.

Se creó otro algoritmo en el cual se generaban los resultados finales de las pruebas en cada
lugar, el código se presenta en Anexo 14. Este sintetiza toda la información generada a partir
26

de la función anterior, y con ello genera gráficas, e indicadores que son presentados en la
sección de resultados.
7.2. Pruebas consumo

Según la norma SAE J1082, se debe obtener el consumo de gasolina como una razón de
distancia sobre combustible consumido. Para el presente trabajo se tomó la razón km/gal, ya
que es la más usada en el país. Dado que las repeticiones en cada pista se hacían recorriendo
la misma distancia, se obtiene el consumo de cada prueba tomando el promedio armónico de
cada repetición realizada, usando al siguiente ecuación:

Ecuación 2

Con el fin de verificar la validez de estos resultados, se obtiene el percentil 95 a partir de la T
de student. La diferencia entre el consumo más alto y el más bajo debe ser inferior al valor
obtenido para el percentil 95. En esta prueba se realizaron 5 repeticiones en cada dirección
con el fin de obtener una dispersión adecuada para la muestra, todos los resultados obtenidos
están dentro de lo esperado.

Además de esto se obtiene un intervalo de confianza del 90% usando la siguiente ecuación:

Ecuación 3

Todos los procedimientos indicados anteriormente son los que recomienda la norma
mencionada para este tipo de pruebas, y por lo tanto son los que se obtienen para validar los
resultados.

Al igual que con los datos de aceleración, se usó MATLAB para cortar con precisión los datos
obtenidos experimentalmente en cada repetición de la prueba. Dado que era necesario
acelerar antes de iniciar la prueba y desacelerar al finalizar cada repetición, se usaron dos
velocidades de referencia para esto: velocidad de inicio y velocidad de fin. Con base en esto se
diseñó una función (Anexo 15) que genera una matriz con solo los datos de interés.

De manera similar a la prueba anterior, se generó algoritmo en el cual se sintetizaban los
resultados de las matrices generadas para cada grupo de datos, creando una nueva matriz con
la información necesaria para hacer el análisis de todo el grupo de datos de cada prueba en un
lugar (Anexo 16).
7.3. Pruebas deceleración

Las pruebas de deceleración se llevaron a cabo siguiendo los lineamientos de la norma SAE
J1263[11]. A pesar de que se escogieron pistas cuya pendiente es baja (done el máximo no
supera el 5% admitido por la norma), esta tiene un efecto el cual es evidente al examinar los
datos de las pruebas en cada dirección, razón por la cual se llevaron a cabo pruebas en ambas
27

direcciones de la pista con el fin de minimizar el efecto ya nombrado, y del viento. Por tal
razón se utiliza un modelo que asume pendiente y velocidad del viento despreciable, denotado
con la siguiente ecuación:

Ecuación 4

Para estimar los parámetros asociados a las cargas de resistencia (coeficiente de arrastre y
coeficiente de fricción), partiendo de la ecuación anterior mencionada, se plantea un sistema
de ecuaciones lineales de la siguiente forma:
Ecuación 5
Tal que:

Ecuación 6

De este sistema de ecuaciones se despeja , pues esas constantes son desconocidas, pero el
resto de variables y constantes son conocidas; tal que se obtiene lo siguiente:
Ecuación 7

Para manipular los datos y aplicar las ecuaciones mencionadas, se programaron en MATLAB
una función y un programa. La función (Anexo 17), permite cortar cada grupo de datos de tal
forma que se obtiene únicamente el rango de velocidades que se va a analizar, posteriormente
se filtra la señal, se obtiene la aceleración a partir de la señal de velocidad filtrada sabiendo
que:

Ecuación 8

Teniendo la aceleración, se organizan los valores conocidos en una matriz y vectores como se
mencionada en a Ecuación 6, y a partir del despeje de la Ecuación 7, se obtiene y . Por
último se obtienen los tiempos parciales que son usados como indicadores para comparar los
resultados de todas las pruebas.

El programa creado, permite consolidartoda la información recolectada durante todas las
repeticiones usando la función descrita en el párrafo anterior, y sintetizándola en una matriz y
diversas gráficas.
7.4. Manejo señales

Las señales de velocidad y consumo de combustible medidas se suavizan usando un filtro
Savitzky-Golay. Este se basa en una regresión lineal polimonial local de grado k, y con por lo
menos k+1 puntos uniformemente separados, para así determinar el nuevo valor de cada
punto. Esto permite crear una nueva serie de puntos similar a la original, pero mas suave. Se
decidió usar este tipo de filtro, porque en [13] L.García trabajó con señales similares a las que
se presentan en este trabajo (pues estaba usando los mismos equipos), hizo la comparación
con varios filtros y encontró que este es el que mejor se ajusta a las características de la señal.
28

8. Análisis de resultados

En la siguiente sección se presentan los resultados que se obtuvieron en las pruebas realizadas
en las 3 diferentes estaciones. En la Tabla 10 se presentan las condiciones ambientales bajo las
cuales se hicieron las pruebas en cada una de las estaciones.

Lugar
Altitud
(m.s.n.m.)
P atm (Hpa) T (°C)
Humedad
relativa (%)
Vprom
viento (m/s)
Densidad
aire (kg/m
3
)
Aeropuerto Tunja 2.612 734 17,4 61,4 19,4 0,859
Autódromo Tocancipá 2.485 751 24,1 57 2,8 0,873
Variante Girardot -
Espinal
331 961 26,1 65,9 0,8 1,109
Tabla 10. Condiciones de prueba.

Se puede observar que la velocidad del viento en Tunja fue superior a 16 m/s, por lo tanto se
sale de los estándares que permiten las normas para pruebas de consumo de combustible y de
deceleración natural. Para la prueba de aceleración esta velocidad promedio del viento se
encuentra entre el rango admitido. Por tal razón, sólo se incluirán los resultados de Tunja en la
prueba de aceleración ya junto con el de las otras dos estaciones; y para el resto de pruebas
sólo se presentarán los resultados de Tocancipá y Girardot.

Por otro lado, para cada prueba se seleccionaron unos indicadores que pretenden mostrar de
manera sencilla, pero completa, cuáles fueron los resultados que se obtuvieron en cada
prueba, y cómo se relacionan con las realizadas en cada estación probada. Estos indicadores
corresponden a las medias de cada prueba, con su respectivo intervalo de confianza.

No sobra resaltar que todos los valores presentados a continuación cumplen con los criterios
de aceptación de las respectivas normas.

Los resultados que se presentan en esta sección corresponden a la síntesis de los datos
tomados en cada estación y cada prueba. Los resultados detallados de cada prueba llevada a
cabo en cada estación, se adjuntan en anexos. Para las pruebas en Tunja corresponde el Anexo
5; para las pruebas en Tocancipá corresponden desde el Anexo 6 al Anexo 8; y para las pruebas
en Girardot, corresponden desde el Anexo 9 al Anexo 11.
8.1. Pruebas de aceleración

En la Gráfica 3, se presenta el resumen de los resultados que se obtuvieron en las pruebas de
aceleración en las diferentes estaciones probadas. Se muestran en ella los tiempos parciales
cada 10 km/h con el fin de obtener una idea general del comportamiento de los datos. Es
importante tener en cuenta que el tiempo de 0 – 10 km/h es notablemente más corto que los
demás, lo cual se debe al “tiempo de respuesta” que debe ser restado al tiempo total, es decir
que para todos los datos,tiempo 0 indica el momento en el que el vehículo recorrió un pie de
distancia (0,0003048 m), lo cual explica la diferencia con los demás puntos.

Gráfica 3. Sintesis de resultados pruebas de
aceleración

Gráfica 4. Síntesis tiempos parciales de aceleración.

Se puede observar que en la estación de baja altura (331 m.s.n.m.), los tiempos de aceleración
son menores para todas las velocidades mostradas en la gráfica. También se observa una
tendencia a que los tiempos de aceleración para la estación de gran altura 1 (2.612 m.s.n.m.)
sean mayores que en la estación de gran altura 2 (2.485 m.s.n.m.), aunque la diferencia sea
pequeña.

En la Gráfica 4, se pueden observar con mayor detalle los indicadores seleccionados para esta
prueba en relación con la altitud. Así mismo, se presentan estos valores en la Tabla 11 con
intervalos de 95% de confianza.

Tiempo (s)
Velocidades
(km/h)
Tunja
(2.612
m.s.n.m.)
Tocancipá
(2.485
m.s.n.m.)
Girardot
(331
m.s.n.m.)
0 - 80 9,8 ± 0,18 9,1 ± 0,13 7,5 ± 0,07
0 - 60 6,0 ± 0,07 5,9 ± 0,08 4,9 ± 0,03
Tabla 11. Resultados prueba de aceleración.

Gráfica 5. Diferencias porcentuales tiempos
aceleración 0-80 km/h.

Se puede observar en los resultados que a mayor altitud, el tiempo de aceleración es mayor, y
que esta tendencia se mantiene para los dos indicadores (0-60 km/h y 0-80 km/h). En la
Gráfica 5, se pueden observar las diferencias porcentuales entre los tiempos de aceleración de
0 – 80 km/h para las tres estaciones, en donde se puede comprobar que a mayor diferencia de
altitud, mayor es la diferencia de tiempo.
8.2. Pruebas de consumo

En la Gráfica 6 se presentan los resultados de las pruebas de consumo de combustible. Se
puede observar que el consumo fue menor a gran altitud (2.485 m.s.n.m.) con una diferencia
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 5 10
V
e
lo
ci
d
ad
(
km
/h
)
Tiempo (s)
Aceleración a diferentes altitudes
2.612 2.485 331
4
5
6
7
8
9
10
- 1.000 2.000 3.000
Ti
e
m
p
o
(
s)

Altitud (m)
Tiempos parciales
0-80 km/h 0-60 km/h
2,9%
17,0%
19,4%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
Tunja -
Tocancipá
Tocancipá -
Girardot
Tunja -
Girardot
Diferencias porcentuales
30

porcentual de 6,77% con respecto al consumo en la estación de baja altitud (331 m.s.n.m.),
como se observa en la Gráfica 6.

Gráfica 6. Comparación pruebas de consumo de combustible.

A pesar de que la prueba se llevó a cabo cumpliendo todos los parámetros mencionados en la
norma, no se cuantifica el efecto de cada una de las variables ambientales medidas en el
resultado que se obtuvo, pues va más allá del alcance del presente trabajo donde se pretende
caracterizar el comportamiento del vehículo y no de cada uno de los componentes.

Consumo (km/gal)
Tocancipá (2.485 m.s.n.m.) Girardot (331 m.s.n.m.)
56,5 ± 0,55 52,7 ± 0,67
Tabla 12. Resultados consumo de combustible.

Es importante mencionar que esta prueba se realizó a velocidad constante, con el vehículo en
quinta marcha, y donde el régimen de giro del motor era entre 1.700 y 1.800 r.p.m. (este valor
fue tomado a partir del tacómetro del vehículo, y se desconoce la precisión del mismo). A
partir de esto se deduce que el motor se encontraba trabajando a carga constante y bajas
r.p.m. inferiores a 2.000 como es mencionado en [3] y donde mencionan que a bajas r.p.m. el
consumo disminuye a mayor altitud; tal y como se presentó en esta prueba. Es de gran interés
caracterizar el comportamiento del motor a diferentes altitudes y en diferentes condiciones de
trabajo, por lo tanto se recomienda realizar más repeticiones de esta prueba cambiando otras
variables (lo cual se explica con mayor detalle en la sección 10 Trabajo futuro,
recomendaciones)
8.3. Pruebas de deceleración natural

En la Gráfica 7, se presenta el resumen de los resultados que se obtuvieron con la prueba de
deceleración natural en las dos estaciones, donde se puede observar que en general el tiempo
de deceleración es mayor en la estación de gran altitud. Esto refuerza la hipótesis de que a
menor altitud son mayores las cargas aerodinámicas a las que está sujeto un vehículo debido a
que la densidad del aire es mayor tal y como se muestra en la sección 2.5.
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
65
2.485 331
C
o
n
su
m
o
(
km
/g
al
)
Altitud (m)
Consumo a 65 km/h a diferentes