6.2.2.1 Definición de parámetros claves relacionados con las emisiones

Dependiendo del tamaño del área urbana bajo consideración, típicamente existirán varios cientos de miles a millones de vehículos en ruta operando en los confines del área urbanizada. Algunos de estos vehículos serán antiguos, algunos serán nuevos, algunos serán para pasajeros y algunos serán para el transporte de bienes. El área de interés típicamente también incluirá miles de millas de carreteras con sus variadas funciones de servicio. De manera de realizar la estimación de emisiones para una flota de vehículos en ruta, se debe entender cómo los diferentes parámetros del vehículo generan un impacto en la emisión vehicular.

Basándose en la discusión de la sección anterior, es claro que variados parámetros de combustible vehicular y de motores deben conocerse de manera de desarrollar un entendimiento adecuado de la flota de vehículos. Una vez que la flota es clasificada, entonces se debe desarrollar el conocimiento de la cantidad y tipo de conducción en el área de interés. La altitud, temperatura, e incluso humedad pueden también afectar las emisiones. La información de la flota y de la operación de los vehículos puede ser dividida y tratada como temas separados para realizar estimaciones de emisión vehicular.

6.2.2.2 Definición de información de flota

La tabla 6.2.2-1 describe los componentes claves de una flota de vehículos en ruta que deben ser consideradas de manera de estimar apropiadamente las emisiones provenientes de una flota.

En la tabla 6.2.2-1, cuando se hace referencia a fracciones se debe entender que la fracción que se desea en última instancia es la información dinámica de la flota en relación a la fracción de conducción en ruta que cada grupo de tecnología lleva a cabo. Esto es típicamente diferente de la fracción de población estática que existe en el total de la flota. Vehículos antiguos son operados en menor cantidad que vehículos nuevos en flotas rurales y urbanas. Por ello, típicamente los vehículos nuevos contribuyen con una mayor conducción en ruta por vehículo que los vehículos antiguos y esto debe ser considerado al determinar las distribuciones dinámicas de flotas. Esto se discute con mayor detalle en la sección de determinación de distribución de tecnologías de flotas.

Puesto que es imposible recopilar un inventario que estime las emisiones de cada vehículo de la flota, aquellos vehículos con características similares de emisión se agrupan para hacer que las mediciones y los cálculos sean manejables. Se han realizado importantes investigaciones sobre la manera más significativa de categorizar los vehículos para la estimación de sus emisiones. Por ejemplo, en investigaciones realizadas para desarrollar el modelo IVE (que será discutido posteriormente) se encontró que el tamaño del vehículo no es un determinante mayor de emisiones aparte de las emisiones de CO2. Otros parámetros como la edad del vehículo (o su uso total) tienen un impacto más significativo en la mayoría de los contaminantes (es decir, un vehículo contamina típicamente más a medida que envejece). En cualquier caso, los parámetros relacionados a la tecnología de cada vehículo pueden tener algunos efectos que deben ser considerados. Para abordar el tamaño del vehículo y su uso total, algunos modelos utilizan agrupaciones o clasificación de grupos según su antigüedad o uso. En el caso del modelo IVE se utiliza una agrupación según tres tamaños de vehículos junto con tres grupos de uso. Otros modelos utilizan cálculos lineales provenientes del peso total o uso total para expresar cambios en emisiones. Como en el caso del modelo IVE, si los grupos de uso y tamaño son divididos en otros tres grupos cada uno, entonces este proceso de categorización producirá nueve grupos de análisis (a menudo llamados “cajas”) para cada combustible y grupo de tecnología aire/combustible.

En relación a las tablas 6.2.2-2 y 6.2.2-3, hoy existen cinco grandes grupos de combustible en uso en la mayoría de las localidades. Dentro de cada tipo de combustible, existen de dos a cuatro tecnologías de aire/combustible. Para cada tecnología de aire/combustible hay cerca de cinco a ocho opciones de control. Esto conlleva a una definición de hasta 5x4x8 categorías de tecnología o acerca de 160 grupos de tecnología. Al combinar esto con las 9 agrupaciones según tamaño/uso discutidas en el párrafo anterior, existen entonces unas 1440 posibles clasificaciones de tecnología de vehículos a ser consideradas en una determinada área urbana.





Sin embargo, típicamente en una única flota urbana no aparecerán todas las categorías posibles. Aun si aparecieran, es posible manejar fácilmente 1440 categorías de vehículos en una planilla Excel o un sistema similar de bases de datos.

El manejo de información se volvería un poco tedioso si cada tecnología pudiera utilizar grados significativamente diferentes de combustible en un área urbana, pero todos los vehículos dentro de una flota urbana están normalmente expuestos al mismo grado de combustible dentro de su respectiva clasificación. Si este no fuera el caso, entonces una segregación mayor debe ser realizada para el manejo de las variadas categorías de grupos de combustible.

También es posible utilizar un año modelo como sustituto para la tecnología, uso y tamaño de vehículos. En este enfoque, los vehículos son separados en las grandes categorías de combustible que existen en una región y se realiza una estimación de emisiones para los vehículos de cada tipo de combustible para cada año modelo. La ventaja de este enfoque es que teniendo en cuenta cinco tipos importantes de combustible y quince años modelo hay solamente 75 categorías del vehículo a considerar. La desventaja es que se debe desarrollar una tasa de emisión vehicular para cada una de las 75 categorías. Puesto que la mayoría de los países en vías de desarrollo tienen pocas o nulas medidas de emisiones, no es posible establecer las tasas de emisión apropiadas para cada una de las 75 categorías de tipos de combustibles/año. En el caso de utilizar clasificaciones de tecnología diferentes a las definidas según año modelo, se puede asumir como primera aproximación que vehículos de tecnologías similares operando en distintos países tienen emisiones similares. El trabajo realizado por el ISSRC ha determinado que esto no es totalmente cierto, pero para aproximaciones gruesas, es un supuesto válido para comenzar. Para fines aclaratorios, ISSRC es la sigla para el Centro de Investigación Internacional de Sistemas Sustentables por sus siglas en inglés. Información referente a actividades y reportes puede ser encontrada en http://www.issrc.org.

Se puede utilizar un enfoque híbrido de tecnología y año modelo. En este caso se determina la distribución de tecnologías para cada año modelo en la ubicación de interés y se calcula una tasa de emisión para cada año modelo multiplicando la cantidad de vehículos en cada grupo de tecnología por el factor de emisión correspondiente a esa tecnología. Sin embargo, esto no reduce la totalidad de cálculos que deben ser realizados puesto que para establecer la tasa de emisión de un año modelo se debe realizar la misma cantidad de cálculos necesarios que aquellos que se requieren para realizar una segregación global de tecnologías.

6.2.2.3 Determinación de la operación de un vehículo utilizando perfiles de velocidad

Como se ha discutido anteriormente, la forma en que los vehículos operan, conocida como la información de operación de un vehículo, tiene un impacto significativo sobre las emisiones. Esto incluye la velocidad, aceleración, frenado del vehículo y también cuán a menudo se hace partir y por cuánto tiempo ha estado en reposo. Por ello, para evaluar las emisiones provenientes de una flota vehicular, los patrones de partida y conducción de vehículos son de importante consideración. Los patrones reales de partida y conducción varían a lo largo del día, creando una compleja situación para evaluar las emisiones vehiculares.

Históricamente se desarrollaba un ciclo (o ciclos) de conducción de manera de utilizarlo para la medición y estimación de emisiones en vehículos. Existen dos importantes razones para determinar un ciclo estandarizado al cual relacionar emisiones: la primera es tener una medida común para determinar las emisiones en el proceso de certificación o inspección, y para comparar emisiones entre vehículos a medida que envejecen. La segunda razón es para determinar las emisiones que están ocurriendo durante la operación en tiempo real de modo de poder calcular un inventario de emisiones para el vehículo. Originalmente, un mismo ciclo era utilizado para ambos propósitos. Sin embargo, a medida que el entendimiento de la complejidad e importancia de la conducción real han mejorado a través de los años, se ha vuelto claro que estos ciclos originales eran inadecuados y podían subestimar severamente las emisiones provenientes de la operación real. En los Estados Unidos, el primer ciclo de conducción desarrollado se conoce como el Ciclo Federal de Pruebas (FTP por sus siglas en inglés), y se asumió que todos los conductores en todas las ciudades, en promedio, operaban sus vehículos de forma consistente con este patrón de conducción. Por supuesto, se verificó que este no es el caso y que en la realidad en las autopistas existen velocidades y aceleraciones mucho más altas que afectan drásticamente a las emisiones. Sin embargo, en ese momento los dinamómetros utilizados para llevar a cabo estas pruebas en vehículos tenían limitaciones en la velocidad y aceleración a las cuales podían ser operados. Desde entonces, los ciclos de conducción mejorados tales como el FTP suplementario, el UC y otros ciclos, se han utilizado de forma más común para el cálculo de inventarios de emisión. Otros países también han desarrollado o están desarrollando sus propios patrones de conducción. Una discusión acerca de los variados ciclos de conducción relativos a los Estados Unidos se puede encontrar en el sitio web de la EPA de los Estados Unidos en http://www.epa.gov/nvfel/testing/dynamometer.htm. También, el sitio web http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ entrega información útil relacionada con ciclos de conducción estándar provenientes de varias partes del mundo. La tabla 6.2.2-4 presenta algunos ejemplos de los ciclos de conducción que hoy en día están en uso.



A pesar de que el ciclo FTP no refleja de forma precisa la conducción real en muchas ubicaciones (incluyendo los Estados Unidos), es muy útil y a menudo se utiliza como un punto de partida o factor de emisión base, dada la amplia base de datos de vehículos probados en este ciclo estandarizado. Es común

que a otros ciclos o correcciones les sean aplicados factores de emisión base para representar cambios en las emisiones provenientes de la operación de vehículos que se desvía del ciclo FTP.

La figura 6.2.2-5 grafica el perfil de velocidad del patrón de conducción FTP. Las emisiones para un ciclo FTP se recolectan tradicionalmente en tres bolsas. La bolsa 1 comienza con una partida en frío (tiempo de reposo de 18 horas) y continúa por aproximadamente 505 segundos (algunas veces denominado “505 frío”). La bolsa 2 continúa inmediatamente después de la bolsa 1, representa emisiones calientes estables y dura 867 segundos, cuando el motor está apagado. En el ciclo FTP tradicional, existe un período de reposo del motor de 10 minutos en el cual el motor permanece apagado, entonces se hace partir el vehículo mientras el motor está todavía “caliente” y se repite la misma huella de conducción realizada en los primeros 505 segundos. La bolsa 3 en algunas ocasiones es llamada “505 caliente” ya que representa la partida en caliente. (Una partida en “caliente” se define como tal cuando el motor solo ha estado en reposo durante 120 minutos). Algunas veces, una cuarta bolsa continúa inmediatamente después de la prueba sin apagar el motor. La bolsa 4 es una repetición de los primeros 505 segundos en las bolsas 1/3 pero sin partida y con un motor completamente caliente, por lo que algunas veces es llamado un “505 en marcha”. Entonces, las bolsas 1,3 y 4 tienen exactamente los mismos patrones de conducción, pero variando la condición de partida. Por lo anterior es posible conocer las emisiones exactas de partida de un motor al restar una bolsa de otra. Por ejemplo, la bolsa 1 – bolsa 4 (505 frío- 505 en operación) equivale a una partida en frío. De forma similar, bolsa 3 - bolsa 4 (505 caliente – 505 en operación) entrega las emisiones de partida en caliente de un vehículo en particular. A menudo, bolsa 3 – bolsa 4 es cercana o algunas veces menor a cero, indicando que las emisiones de partida caliente son despreciables por sobre la variabilidad del error del instrumento de medición (también significa que bolsa 3 ≅ bolsa 4). Entonces muchas veces, especialmente cuando la bolsa 4 no ha sido registrada, se puede estimar una partida en frío a partir de bolsa 3 - bolsa 1.

La porción del patrón FTP en 6.2.2-5 que se considera patrón LA4 está coloreado en rosado. Esto incluye emisiones recopiladas en bolsa 1 o bolsa 3, seguidos por bolsa 2 del ciclo FTP. Un recorrido de partida fría, o LA4 frio está utilizando bolsas 1 y 2 y un LA4 “caliente” o “recorrido de partida caliente” utiliza bolsa 3 en lugar de bolsa 1. La distancia cubierta por la bolsa 1/3 es 3.59 millas y 3.91 millas para bolsa 2. Las emisiones totales pesadas de un FTP se informan en gramos/milla y puede calcularse como 0.206*emisiones de bolsa 1/3.59 millas + 0.521*emisiones de bolsa2/3.91+ 0.273*emisiones de bolsa 3/3.59 millas.

Desde la introducción del GPS (Unidades Satelitales de Posicionamiento Global), el cual puede recopilar datos segundo a segundo de forma rápida y precisa durante largos períodos de tiempo, muchas áreas están utilizando estos datos para recopilar y diseñar un conjunto de ciclos representativos para todos los diferentes tipos de autopistas y situaciones de congestión. Estos son normalmente llamados “ciclos según instalación” por la EPA de los Estados Unidos, el cual cuenta con 14 ciclos diferentes para representar el perfil de velocidad y aceleración de distintos tipos de autopistas y niveles de congestión. Esto es utilizado en la última versión del modelo MOBILE. California utiliza un conjunto de Ciclos de Corrección Unificados para modelar efectos similares de condiciones en autopistas. Alemania ha desarrollado un conjunto integrado de 43 ciclos de conducción a partir de una gran cantidad de datos de GPS.

Todos los ciclos desarrollados en cada área son diferentes, sin embargo, todos ellos son perfiles de velocidad y se clasifican según tipo de ruta. Como mínimo, las rutas se clasifican a menudo en una de cuatro categorías:

"1. Calles residenciales – Rutas que llevan vehículos hacia y a través de áreas residenciales, típicamente mostrando velocidades bajas, muchas paradas y/o badenes."

2. Arterias – Rutas que conectan una parte de la ciudad con otra, usualmente con velocidades bajas o moderadas con algunas paradas o semáforos.

3. Carreteras- Rutas que conectan una ciudad con otra o que cruzan una ciudad con mínimas paradas.

4. Autopistas – Rutas de acceso limitado para traslado entre ciudades o a través de una ciudad, usualmente con pasos sobre y bajo nivel y sin paradas.

Las autopistas están ampliamente desarrolladas en los Estados Unidos y algunas partes de Europa, y son menos frecuentes en muchos de los países en vías de desarrollo. Es común que carreteras y autopistas se combinen en una sola categoría usualmente denominada “carreteras”, resultando en tres categorías de rutas. También ocurre que algunas calles residenciales operan de forma similar a las arterias y algunas arterias operan en forma similar a las carreteras. Sin embargo, en beneficio de la simplicidad, las tres o cuatro categorías de rutas que se han descrito anteriormente normalmente son utilizadas para realizar estudios de contaminación del aire y otros estudios relacionados en áreas urbanas.

Basado en estudios llevados a cabo por el ISSRC en variados países del mundo, el número dominante de kilómetros en ruta en un área urbana está en calles residenciales por un margen de 3 a 1 en comparación con las arterias y carreteras combinadas. En materia de distancia total, las arterias quedan en segundo lugar y las carreteras en último lugar. El ISSRC también ha catalogado patrones de conducción de vehículos según tipo de ruta y según hora del día para un número de ciudades alrededor del mundo de modo de entender como varía la conducción según tipo de ruta y de mejorar la estimación de emisiones.

6.2.2.4 Movimiento posterior a la velocidad estática y perfiles de aceleración para estimar efectos de la operación en las emisiones de un vehículo

Muchos de los métodos descritos en párrafos previos utilizan un tipo de corrección de perfil de velocidad para modelar el efecto de la operación del vehículo sobre las emisiones. Esto quiere decir que si el modelador quisiera estimar las emisiones de una autopista, mediría (o asumiría) la velocidad promedio en esa ruta y seleccionaría un ciclo que tuviese velocidades promedio similares. Sin embargo, hay problemas inherentes a este enfoque, dado que la velocidad promedio de un ciclo es un indicador pobre de las emisiones que se desprenden de él. Un indicador mucho mejor es la combinación de velocidad con aceleración. Esto se realiza en un enfoque de emisiones modales que define una tasa de emisión o corrección para variados modos de operación, como por ejemplo, estático, crucero, aceleración y desaceleración. Sin embargo, este todavía es un enfoque estático y no puede tomar en cuenta la pendiente de la ruta, uso del consumo accesorio de potencia u otros factores dependientes del tiempo como por ejemplo carga de catalizadores o repuestas con demora. Recientemente, un método diferente y más preciso para estimar emisiones vehiculares se está utilizando en los Estados Unidos y Europa y no descansa en un ciclo específico basado en la velocidad sino que más bien considera un conjunto de condiciones de operación que pueden ser descritas utilizando una potencia específica para el vehículo. Este método para caracterización de la operación de un vehículo puede considerar factores dinámicos y otras consideraciones que tienen un efecto en el uso de combustible y en la salida de emisiones, como por ejemplo la pendiente de la ruta, uso de aire acondicionado etc.

6.2.2.5 Calidad del Combustible

Como se ha discutido en la sub sección 6.2.1, el tipo de combustible y su calidad pueden tener impactos significativos sobre las emisiones vehiculares. Las consideraciones de mayor importancia relacionadas a la calidad del combustible se han resumido en la tabla 6.2.2-6. La mayoría de los factores de emisión en vehículos están basados en combustibles estándar. Al estimar emisiones, se deben realizar ajustes en aquellos casos en donde la calidad del combustible provocará más o menos emisiones que los combustibles estándar. La mayoría de los modelos de emisión para vehículos permiten ciertos ajustes en los cálculos del modelo que se basan en la calidad del combustible.

6.2.2.6 Emisiones y Patrones de Partida

De manera de facilitar la partida de un vehículo, normalmente se entrega más combustible al motor. Esto provoca que la mezcla aire/combustible se vuelva más rica, lo que hace que el vehículo parta de forma más fácil especialmente en climas fríos. Sin embargo, este procedimiento también aumenta las emisiones provenientes del vehículo hasta que la razón aire/combustible haya vuelto a su estado normal. Vehículos que han sido manufacturados en los Estados Unidos antes de 1960 frecuentemente contaban con un ajuste manual para la mezcla de aire/combustible llamado “obturador”, el cual podía enriquecer la mezcla al ser tirado y luego se cerraría en forma manual una vez que el vehículo se hubiera calentado. Vehículos modernos manejan este ajuste automáticamente de manera de que el conductor normalmente no se da cuenta de que se está realizando tal ajuste. Estas emisiones extras que ocurren a medida que el vehículo parte y se calienta son denominadas emisiones de partida. Con la incorporación de catalizadores en vehículos, las emisiones asociadas a partidas aumentaron en comparación con la operación normal debido a que el catalizador no es efectivo hasta que se ha calentado. Por esto, una preocupación importante respecto de las emisiones en un vehículo son sus emisiones de partida. Los vehículos con control por catalizador tienden a tener emisiones de partida relativamente grandes en comparación con vehículos si control de catalizador.

La emisiones de partida se definen como las emisiones que exceden a aquellas de operación caliente normales que ocurren durante los primeros minutos de la operación del vehículo. Un vehículo que ha sido operado de manera tal que su motor y catalizador están al menos algo calientes, tendrán menores emisiones de partida que un vehículo que ha estado en reposo durante un largo periodo de tiempo y el motor y catalizador están a temperatura ambiente. Por ello, existen diferentes emisiones de partida asociadas a un vehículo que ha parado por solo unos pocos minutos y luego ha retomado su marcha, comparado con un vehículo que no ha estado operando por 12 o más horas. El tiempo durante el cual el vehículo ha estado sin operar se denomina tiempo de reposo. Las emisiones de partida varían entonces según el tiempo de reposo desde casi cero con un periodo de reposo de menos de 15 minutos, a una cantidad máxima después de aproximadamente 12 horas de reposo sin operación.

De manera de estimar las emisiones de partida asociadas a un vehículo específico, uno debe determinar cuántas veces parte el vehículo cada día y por cuánto tiempo el vehículo ha reposado antes de cada partida. A esto se le llama el patrón de partida del vehículo. Al evaluar las emisiones provenientes de una flota completa de vehículos, se debe determinar el patrón de partida para cada vehículo y luego sumar todos los patrones de partida para generar un solo patrón global de partida para la flota completa. Es común dividir las partidas según cada hora del día o al menos según períodos de cuatros horas e indicar el numero de partidas en cada período de tiempo y la distribución de los patrones de reposo para ese período de tiempo. Los patrones de partida se discutirán con más detalle en 6.2.8, “Determinación de patrones de partida para vehículos en ruta”.

No es inusual que los factores de emisión en vehículos incluyan algunas emisiones de partida. Por supuesto, para hacer esto, se deben realizar supuestos acera de tiempo de reposo típico antes de una partida y del número de partidas por día. Estos factores no pueden ser utilizados para obtener una estimación confiable de la variación horaria de las emisiones de partida

6.2.2.7 Otras Consideraciones Operacionales

La altura, temperatura y humedad pueden también tener un impacto sobre las emisiones, pero los impactos de temperatura y humedad son normalmente pequeños excepto en el caso de temperaturas extremas y por lo mismo, son a menudo ignoradas. La altura es un factor importante especialmente en el caso de vehículos carburados. Estos vehículos no compensan la altura de forma automática. La mezcla aire/combustible en el motor se vuelve rica debido a la reducida densidad del aire; y las emisiones de CO y HC aumentan. Vehículos modernos a inyección de combustible con controles computarizados y un sensor de oxigeno son diseñados para ajustar la altura y por ello los impactos son mucho menores para estos vehículos que para el caso de vehículos carburados.

6.2.2.8 Resumen de Información de Flota y Datos Operacionales de Vehículos

En resumen, la distribución de tecnologías o años modelo debe establecerse para determinar la información de una flota, lo cual puede involucrar hasta 1440 categorías o más. Entonces debe quedar establecida la operación del vehículo, incluyendo la velocidad, aceleración y otras condiciones de operación del tráfico en cada tipo de ruta; el número y condiciones de partida, y la actividad diurna. Finalmente, temperatura, altura, humedad y calidad del combustible pueden ser incluidas en el cálculo de modo de mejorar las estimaciones. Con esta información, se debe establecer un factor de emisión en función del tipo de vehículo y su operación para la flota en cuestión. Estos parámetros pueden ser combinados de manera de alcanzar el objetivo final, el cual es determinar las emisiones provenientes de una flota de vehículos en ruta.