proyecto de grado david andres delgado cepeda 199912094

IM-2006-II-07

EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE MOTORES EN VEHICULOS OPERADOS CON BIOGASOLINA

DAVID ANDRÉS DELGADO CEPEDA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.

DICIEMBRE 2006

IM-2006-II-07

2

EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE MOTORES EN VEHICULOS OPERADOS CON BIOGASOLINA

DAVID ANDRÉS DELGADO CEPEDA

Proyecto de grado presentado como requisito parcial para acceder al Titulo de Ingeniero Mecánico

Asesor:

Rafael Beltrán Pulido Ingeniero Mecánico, M.Sc.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.

DICIEMBRE 2006

IM-2006-II-07

3

Bogota D.C., 17 de Enero de 2007

Doctor

LUIS MARIO MATEUS

Director del Departamento de Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

CIUDAD

Apreciado Doctor:

Por medio de la presente someto a consideración de usted el proyecto de grado

titulado EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE MOTORES EN VEHICULOS

OPERADOS CON BIOGASOLINA, que tiene como objetivo evaluar el desempeño

del motor de diferentes vehículos de prueba, de carburador y de inyección, que

operan con Biogasolina para condiciones en Bogotá.

Presento a usted este documento como requisito final para optar al título de

Ingeniero Mecánico.

Atentamente,

David Andrés Delgado Cepeda

Código 199912094

IM-2006-II-07

4

Bogota D.C., 17 de Enero de 2007

Doctor

LUIS MARIO MATEUS

Director del Departamento de Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

CIUDAD

Apreciado Doctor:

Por medio de la presente someto a consideración de usted el proyecto de grado

titulado EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE MOTORES EN VEHICULOS

OPERADOS CON BIOGASOLINA, que tiene como objetivo evaluar el desempeño

del motor de diferentes vehículos de prueba, de carburador y de inyección, que

operan con Biogasolina para condiciones en Bogotá.

Como asesor, certifico que el proyecto de grado cumple con los objetivos que se

plantearon, y que por lo tanto, califica como requisito para optar al titulo de

Ingeniero Mecánico.

Atentamente,

Rafael Beltrán Pulido

Ingeniero Mecánico, M.Sc.

Profesor Asesor

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5

AGRADECIMIENTOS

Agradezco infinitamente a mi familia, por todo el apoyo tanto económico, técnico y

emocional que me brindaron a lo largo del desarrollo de este proyecto de grado,

ya que sin toda su ayuda, la finalización de éste hubiese sido imposible.

También quiero agradecerle a mi asesor, el Ingeniero Mecánico Rafael Beltrán

Pulido, por permitirme trabajar en este proyecto, por su apoyo y por todo el tiempo

que me dedicó.

Y por último, agradecerle al Ingeniero Juan Carlos Parra, docente de la Fundación

Universitaria Los Libertadores por todo su tiempo y su invaluable ayuda y aporte

en el desarrollo de este trabajo.

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6

TABLA DE CONTENIDOS

LISTA DE FIGURAS........................................................................................................... 8

LISTA DE TABLAS ............................................................................................................ 9 LISTA DE GRÁFICAS......................................................................................................10

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ..........................................................12

1.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................12

1.2 OBJETIVOS .................................................................................................................14 1.2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................14

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS..................................................................................14

CAPÍTULO 2 GENERALIDADES DE LA BIOGASOLINA ........................................15

2.1 MARCO LEGAL EN COLOMBIA..............................................................................15 2.2 BENEFICIOS ...............................................................................................................15

2.3 PRODUCCIÓN DE ALCOHOL CARBURANTE ....................................................16

CAPÍTULO 3 ESTUDIO BASADO EN LOS VEHÍCULOS DE PRUEBA................17

3.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS VEHÍCULOS DE PRUEBA ............17 3.2 PRUEBAS REALIZADAS ..........................................................................................19

3.3 CONDICIONES AMBIENTALES EN BOGOTÁ.....................................................20

3.4 COMBUSTIBLES UTILIZADOS ...............................................................................21

CAPÍTULO 4 PRUEBAS DE BANCO (DINAMÓMETRO) .........................................22 4.1 OBJETIVO....................................................................................................................22

4.2 EQUIPO DE MEDICIÓN ............................................................................................22

4.3 DESCRIPCIÓN DE LA PRUEBA .............................................................................23

4.4 RESULTADOS OBTENIDOS....................................................................................23

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7

CAPÍTULO 5 PRUEBAS DE CARRETERA.................................................................27

5.1 OBJETIVO....................................................................................................................27

5.2 EQUIPO DE MEDICIÓN ............................................................................................27

5.3 DESCRIPCIÓN DE LA PRUEBA .............................................................................28


CAPÍTULO 6 EMISIONES CONTAMINANTES...........................................................33

6.1 OBJETIVO....................................................................................................................33

6.2 NORMATIVIDAD VIGENTE EN COLOMBIA.........................................................33

6.3 EQUIPO DE MEDICIÓN ............................................................................................34 6.4 DESCRIPCIÓN DE LA PRUEBA .............................................................................34


CAPÍTULO 7 CONSUMO DE COMBUSTIBLE..........................................................48

7.1 OBJETIVO....................................................................................................................48 7.2 EQUIPO DE MEDICIÓN ............................................................................................48


CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES .....................................................................................53

REFERENCIAS .................................................................................................................54

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8

LISTA DE FIGURAS

Figura Título Página

1 Tecnología de producción de alcohol carburante a partir 16

de caña de azúcar

2 Vehiculo de prueba Chevrolet Sprint 18

3 Vehiculo de prueba Toyota Burbuja 18

4 Vehiculo de prueba Hyundai Accent 19

5 Dinamómetro “HH DYNAMOMETER” 22 6 Toma de datos Chevrolet Sprint 24

7 Toma de datos Toyota Burbuja 25

8 Quinta Rueda 27

9 Instalación quinta rueda 27

10 Sensor RPM 28

11 Sensor Temperatura entrada de aire 28

12 Sensor temperatura radiador 29

13 Caja adquisición de datos 29

14 Instrumentación completa Toyota Burbuja 29

15 Instalación quinta rueda 31

16 Sensores temperatura y RPM 31

17 Sensor Temperatura 31

18 Instrumentación Hyundai Accent 31

19 Equipo analizador de gases Bear Pace 400 34

20 IM240 Test 48

21 Alcohol Carburante 49

22 Gasolina corriente sin plomo 49

23 Tanque Aforado 49

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9

LISTA DE TABLAS

Tabla Título Página

1 Características técnicas del vehículo de prueba No. 1 17



4 Caracterización de las gasolinas base, el etanol y las 21

mezclas óptimas de gasolina con 10% en volumen de etanol

5 Niveles de concentración máximos de CO y HC 33

permitidos en Colombia

6 Emisiones contaminates Toyota Burbuja en condiciones 35

estáticas o ralentí


dinámicas (@2000 RPM)


dinámicas (@2700 RPM)

9 Emisiones contaminates Chevrolet Sprint en condiciones 43


10 Emisiones contaminates Hyundai Accent en condiciones 45


11 Consumo combustible Toyota Burbuja utilizando gasolina 50

corriente sin plomo 12 Consumo combustible Toyota Burbuja utilizando alcohol 51

carburante (biogasolina)

13 Consumo combustible Hyundai Accent utilizando gasolina 52

corriente sin plomo 14 Consumo combustible Hyundai Accent utilizando alcohol 52

carburante (biogasolina)

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10

LISTA DE GRAFICAS

Grafica Título Página

1 Curvas de potencia Chevrolet Sprint 24

2 Curvas de potencia Toyota Burbuja 26

3 Velocidad final Toyota Burbuja 30

4 Recuperación de velocidad Toyota Burbuja 30

5 Velocidad final Hyundai Accent 32

6 Concentración HC Toyota Burbuja en condiciones 36


7 Concentración CO2 Toyota Burbuja en condiciones 36


8 Concentración de CO Toyota Burbuja en condiciones 37


9 Concentración de O2 Toyota Burbuja en condiciones 37


10 Concentración de HC Toyota Burbuja en condiciones 38

dinámicas (@2000RPM)

11 Concentración de CO2 Toyota Burbuja en condiciones 39






14 Concentración de HC Toyota Burbuja en condiciones 41


15 Concentración de CO2 Toyota Burbuja en condiciones 41


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11

Grafica Título Página





18 Concentración de HC Chevrolet Sprint en condiciones 43


19 Concentración de CO2 Chevrolet Sprint en condiciones 44


20 Concentración de CO Chevrolet Sprint en condiciones 44


21 Concentración de O2 Chevrolet Sprint en condiciones 45


22 Concentración de HC Hyundai Accent en condiciones 46


23 Concentración de CO2 Hyundai Accent en condiciones 46


24 Concentración de CO Hyundai Accent en condiciones 47


25 Concentración de O2 Hyundai Accent en condiciones 47


26 Ciclo IM240 para medición de consumo de combustible 50

Toyota Burbuja

27 Ciclo IM240 para medición de consumo de combustible 51

Hyundai Accent

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12

Capítulo 1

Introducción y Objetivos

1.1 Introducción

Desde años atrás, se han venido exponiendo programas nacionales e

internacionales en busca de adaptaciones o cambios en la tecnología, para lograr

que esta no siga afectando cada vez más el medio ambiente.

En este sentido es importante tener en cuenta en el momento de construir o

implantar un proyecto, la adopción de normas que sirvan como patrón de las

innovaciones de la tecnología, para la protección de la vida natural del planeta.

Por esta razón algunas organizaciones tanto nacionales como internacionales, han

presentado propuestas para solucionar la acumulación de dióxido de carbono y

demás residuos que dejan los procesos como la combustión. El Congreso de la

República en el 2001 expidió la Ley 693, mediante la cual se dictaron las normas

sobre el uso del alcohol carburante mezclado con gasolina, para disminuir las

emisiones contaminantes, derivadas de los combustibles de los vehículos. Esta

mezcla denominada Biogasolina, o gasolina oxigenada es la mezcla que contiene

90% de gasolina y 10% de alcohol carburante. Este último se origina en un

proceso de fermentación natural, luego de extraer los jugos de cultivos como la

caña de azúcar, el maíz, la yuca o la remolacha entre otros. Este producto base,

se destila en una planta de procesamiento y luego se deshidrata, posteriormente

se desnaturaliza, para que no pueda ser consumido por el ser humano y se

convierta en materia prima oxigenante de la gasolina, disminuyendo

considerablemente la contaminación ambiental.

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13

Cuando se habla de los biocarburantes, se esta hablando de los biocombustibles

líquidos, y son los productos que en este proceso se van a sustituir por la gasolina

o el gasóleo; de los cuales existen dos tipos: el Bioetanol y el Biodiesel.

Este tipo de biocarburante o biogasolina es utilizado en los motores como sustituto

de la gasolina o en otros casos como mezcla entre las dos. Se debe utilizar como

máximo porcentaje de etanol 10% en climas templados o fríos, y hasta el 20% en

climas un poco mas calidos. Si se llega a utilizar el bioetanol como combustible

único se debe aplicar a motores que estén diseñados para estos casos.

Cuando hablamos de las tecnologías nos referimos a la innovación que hace un

sector por cambiar, modificar y evolucionar un producto que sirva para el

desarrollo. En este caso los biocarburantes hacen parte de ellos. Aunque en

Colombia es un combustible nuevo, la biogasolina se ha implementado por más de

20 años en Brasil y después en países como Estados Unidos, Alemania y España.

Estas son algunas ventajas que trae el uso de la biogasolina para Colombia:

Disminución de la contaminación en las ciudades y pueblos aledaños a estas

que proporciona el monóxido de carbono resultante de los motores de

combustión.

La producción de los biocarburantes, estimulan el cultivo de los productos de

los cuales se pueden extraer.

El uso de la biogasolina supone una reducción del 25% a un 80% de las

emisiones de CO2 producidas por los combustibles derivados del petróleo

evitando la producción de gases que crean el efecto invernadero.

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14

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo general

Evaluar el desempeño del motor de diferentes vehículos de prueba, de carburador

y de inyección, que operan con Biogasolina para condiciones en Bogotá,

utilizando el dinamómetro, el equipo de análisis de gases de la Universidad de Los

Andes y realizando pruebas de carretera.

1.2.2 Objetivos específicos

• Evaluar la potencia entregada al dinamómetro por los vehículos de prueba a

diferentes rpm utilizando gasolina corriente sin plomo y alcohol carburante

(Biogasolina).

• Examinar las emisiones de CO, CO2, y otras emisiones producidas en los

vehículos de prueba utilizando gasolina corriente sin plomo y alcohol

carburante (Biogasolina).

• Evaluar el consumo de combustible en los vehículos de prueba utilizando

gasolina corriente sin plomo y alcohol carburante (Biogasolina).

• Evaluar el desempeño de los vehículos de prueba mediante pruebas de

carretera utilizando gasolina corriente sin plomo y alcohol carburante

(Biogasolina).

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15

Capítulo 2

Generalidades de la Biogasolina

2.1 Marco legal en Colombia

LEY 693 del 19 de septiembre de 2001. Objetivos Principales, expresados en la

exposición de motivos de la Ley [10]:

- Disminución de las emisiones de hidrocarburos y de monóxido de carbono a la

atmósfera, causadas por los motores de combustión – Sostenibilidad ambiental

- Mantenimiento y generación del empleo agrícola

- Desarrollo Agroindustrial

- Contribución al propósito estratégico de autosuficiencia energética.

2.2 Beneficios

• El octanaje del etanol, es mayor que el octanaje de las gasolinas Corriente y

Extra (113 Vs. 81/87) [10].

• Al mezclar 10% de etanol con “Gasolina Corriente” se producirá un incremento

de 3 unidades en el índice Octano y en la “Gasolina Extra” el incremento será

de 2 unidades [10].

• Reducción de emisiones contaminantes nocivas para el medio ambiente [10].

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16

2.3 Producción de alcohol carburante

Figura 1.Tecnología de producción de alcohol carburante a partir de caña de

azúcar [10]

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17

Capítulo 3

Estudio Basado en los Vehículos de Prueba

Para realizar la evaluación del desempeño de motores en vehículos operados con

biogasolina se realizaron pruebas tanto en bancos de prueba (dinamómetro) como

pruebas de carretera, las cuales siguen protocolos estandarizados con el fin de

obtener resultados confiables y así poder comparar los resultados obtenidos con

los diferentes combustibles, gasolina corriente sin plomo y alcohol

carburante(biogasolina) .

3.1 Características técnicas de los vehículos de prueba

En las tablas 1,2 y 3 se muestran las especificaciones técnicas de los diferentes

vehículos de prueba a los cuales se le realizaron las diferentes pruebas.

Tabla 1

Características técnicas del vehículo de prueba No. 1

Marca Chevrolet

Modelo Sprint

Año 1995

Motor Tres Cilindros en Línea Carburado

Cilindrada 993 c.c

Potencia Máxima 50 HP@5800 rpm

Torque Máximo 7.6 Kgm @ 3600 rpm

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18

Figura 2. Vehiculo de prueba Chevrolet Sprint

Tabla 2


Marca Toyota

Modelo Burbuja

Año 1991

Motor Seis Cilindros en Línea Carburado

Cilindrada 3955 c.c


Torque Máximo 30 Kgm @ 2200 rpm

Figura 3. Vehiculo de prueba Toyota Burbuja

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19

Tabla 3


Marca Hyundai

Modelo Accent

Año 1998

Motor Cuatro Cilindros en Línea Inyección(MPI)

Cilindrada 1495 c.c


Torque Máximo 13.2 Kgm @ 3000 rpm

Figura 4. Vehiculo de prueba Hyundai Accent

3.2 Pruebas realizadas

A continuación se presentan las pruebas realizadas para evaluar el desempeño de

los diferentes vehículos de prueba operados con gasolina corriente sin plomo y

alcohol carburante (biogasolina).

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20

• Desempeño Mecánico:

Prueba Realizada Norma Existente Aspecto Evaluado

Obtención de curvas de

potencia en banco de

prueba (Dinamómetro)

Procedimiento Uniandes Potencia del vehiculo

bajo condiciones de

Bogotá

Aceleración en plano IM 240 Test (SAE) Operación del motor bajo

condiciones de Bogotá

• Desempeño Ambiental:


Prueba en ralentí o

estática

Resolución MinAmbiente

005/96; DAMA 160/96

Emisión de gases

contaminantes

Prueba en condiciones

dinámicas

ASM 25/25 Emisión de gases

contaminantes

• Desempeño Energético (Consumo de Combustible):


Desempeño Energético IM 240 Test (SAE) Consumo de Combustible

3.3 Condiciones ambientales en Bogotá

Bogotá se encuentra ubicada a 2.630 metros de altura sobre el nivel del mar, tiene

una temperatura promedio de 14 °C, que puede oscilar entre los 9 y los 22 ºC. Las

temporadas secas y lluviosas se alternan a lo largo del año.

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21

3.4 Combustibles utilizados

• Gasolina [10]

Es un hidrocarburo derivado del petróleo, utilizado como combustible en motores

de combustión interna de encendido por chispa. Su calidad está definida por

ciertas propiedades físicas, ligadas generalmente a su composición química.

• Biogasolina (Alcohol Carburante) [10]

Es una mezcla que contiene 90 por ciento de gasolina y 10 por ciento de alcohol

carburante (etanol C2H5OH). El etanol se origina de un proceso de fermentación

natural, luego de extraer los jugos de cultivos como la caña de azúcar, la

remolacha, el maíz o la yuca.

Tabla 4

Caracterización de las gasolinas base, el etanol y las mezclas óptimas de gasolina

con 10% en volumen de etanol [6]

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22

Capítulo 4

Pruebas de Banco (Dinamómetro)

4.1 Objetivo

Obtener las curvas de potencia de los diferentes vehículos de prueba utilizando

gasolina corriente sin plomo y alcohol carburante (biogasolina) para comparar los

diferentes valores de rendimiento del motor. Las pruebas se repitieron tres veces

para garantizar la confiabilidad de los datos obtenidos.

4.2 Equipo de medición

Para la obtención de las curvas de potencia se utilizó el dinamómetro de chasis

HH DYNOMOMETER, ubicado en las instalaciones del CITEC, el cual mide la

potencia sobre las ruedas de tracción del vehículo al colocarlo sobre los rodillos

del dinamómetro, los cuales al aplicar diferentes cargas de frenado, hace que el

motor compense dichas cargas y de esta manera poder medir su rendimiento.

Figura 5. Dinamómetro “HH DYNAMOMETER”

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23

4.3 Descripción de la prueba [2]

El vehículo se pone en primera marcha y se mantiene a 1000 RPM del motor.

Lentamente se aplica y aumenta la carga a los rodillos subiendo la presión en los

actuadores, mientras el conductor del vehiculo acelera para mantener el valor de

RPM constante. Este procedimiento se continua hasta que el acelerador del

vehículo este a fondo. Al alcanzar este punto, la potencia consumida por los

rodillos es la máxima entregada por el vehiculo a dichas RPM. Debido a que este

es el punto de interés, se empieza la grabación de los datos cuando se alcanza

este equilibrio de RPM del motor sometido a cierta carga con acelerador a fondo.

Después de unos 10 segundos, se detiene la medición, ya que con ese tiempo se

logra conseguir suficientes mediciones para analizar ese estado.

Posteriormente, se libera lentamente la presión de los actuadores hasta dejarlos

sin carga, con el fin de permitir que el vehiculo ruede sobre el banco por cierto

tiempo, permitiendo así el enfriamiento de los frenos. A continuación se repite el

procedimiento para todos los valores de RPM de interés, hasta recorrer todo el

rango que el motor puede entregar. Cuando en el proceso de prueba de todo el

rango de RPM se encuentre que la potencia disminuye o se mantiene constante

entre un punto y otro, se realiza una prueba adicional en la mitad del rango

muestreado en cuestión, ya que entre esos puntos seguramente se encuentra el

valor de potencia máxima del vehiculo.

4.4 Resultados obtenidos

La potencia máxima reportada por el fabricante del vehiculo es la potencia del

motor, sin tener en cuenta las pérdidas que generan los elementos de transmisión

de potencia los cuales tienen una eficiencia de alrededor del 83%, alternador,

bombas, eje de levas, diferentes partes que consumen potencia y el desgaste del

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24

motor. Así mismo se presenta una pérdida de potencia debido a la altura de

Bogotá sobre el nivel del mar, la cual, según varias fuentes, la pérdida de potencia

debido a la altura es del 4 % por cada 1000 pies de altura, para la altura de Bogotá

de 8350.1 pies, la pérdida de potencia sería del 34.12 %.

• Chevrolet Sprint

Figura 6. Toma de datos Chevrolet Sprint

POTENCIA CHEVROLET SPRINT

0

5

10

15

20

25

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000RPM

POTE

NCIA

(HP)

GasolinaAlcohol

Gráfica 1. Curvas de potencia Chevrolet Sprint

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25

Gasolina Corriente sin Plomo

• Potencia Máxima: 23.2 HP @ 5800 RPM

• Pérdida de potencia por altura: 34.12%

• Potencia = 23.2HP / 0.6587 = 35.2 HP

• Pérdidas por elementos de transmisión los cuales tiene una eficiencia de

83%

• Potencia = 35.2 HP / 0.83 = 42.4 HP

• Potencia Reportada por el Fabricante: 50HP @ 5800RPM

Alcohol Carburante



• Potencia = 22.2HP / 0.6587 = 33.7 HP


83%

• Potencia = 33.7 HP / 0.83 = 40.6 HP

• Potencia Reportada por el Fabricante: 50HP @ 5800RP

• Toyota Burbuja

Figura 7. Toma de datos Toyota Burbuja

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26

POTENCIA TOYOTA BURBUJA

0

10

20

30

4050

60

70

80

0 1000 2000 3000 4000 5000

RPM

POTE

NCI

A (H

P)

GASOLINAALCOHOL

Gráfica 2. Curvas de potencia Toyota Burbuja

Gasolina Corriente sin Plomo



• Potencia = 68.3 HP / 0.6587 = 103.7 HP


83%

• Potencia = 103.7 HP / 0.83 = 124.9 HP


Alcohol Carburante



• Potencia = 66.2HP / 0.6587 = 100.5 HP


83%

• Potencia = 100.5 HP / 0.83 = 121 HP


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27

Capítulo 5

Pruebas de Carretera

5.1 Objetivo

Determinar la capacidad de aceleración del vehículo de prueba utilizando gasolina

corriente sin plomo y alcohol carburante (biogasolina), mediante la prueba de

aceleración en plano. Las pruebas se repitieron tres veces para garantizar la

confiabilidad de los datos obtenidos.


Para la realización de las pruebas de carretera se utilizó una quinta rueda la cual

se fijó a un disco en la rueda trasera derecha del vehiculo. Esta quinta rueda

realiza la medición de la velocidad mediante un sensor de proximidad magnético el

cual genera un pulso por cada revolución de la rueda del vehículo. La quinta rueda

cuenta con una resolución de 10 Hz, cuatro canales de adquisición dos

temperaturas, una señal de RPM y una señal de velocidad.

Figura 8. Quinta Rueda Figura 9. Instalación quinta rueda

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28

5.3 Descripción de la prueba

La prueba de aceleración en plano consiste en medir el tiempo que tarda el

vehículo de prueba en alcanzar 48 Km/h, 80Km/h y 97Km/h cargado a su

capacidad máxima en una vía plana recta con una pendiente inferior al 1%, en

este caso estas pruebas se realizaron sobre el Autopista Medellín entre Siberia y

el peaje a la Vega. En el anexo B se encuentra el protocolo a seguir para esta

prueba.


• Toyota Burbuja

Figura 10. Sensor RPM Figura 11. Sensor Temperatura entrada de aire

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29

Figura 12. Sensor temperatura radiador Figura 13. Caja adquisición de datos

Figura 14. Instrumentación completa Toyota Burbuja

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30

VELOCIDAD FINAL TOYOTA BURBUJA

0

2040

60

80

100

120

140

160

180

1 161 321 481 641 801 961 1121 1281 1441 1601 1761 1921 2081 2241

Tiempo (ms)

Vel

ocid

ad (k

m/h

)

AlcoholGasolina

Gráfica 3. Velocidad final Toyota Burbuja

Gasolina Corriente sin Plomo:

Velocidad alcanzada en 2262 ms: 155.8 km/h

Alcohol Carburante:

Velocidad alcanzada en 2262 ms: 125 km/h

RECUPERACION VELOCIDAD TOYOTA BURBUJA

0

20

40

60

80

100

120

1 1280 2559 3838 5117 6396 7675 8954Tiempo (ms)

Velo

cida

d (k

m/h

)

GasolinaAlcohol

Gráfica 4. Recuperación de velocidad Toyota Burbuja

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31


De100 km/h a 60 km/h a 100 km/h en 7393 ms

Alcohol Carburante:

De100 km/h a 60 km/h a 100 km/h en 7678 ms

• Hyundai Accent

Figura 15. Instalación quinta rueda Figura 16. Sensores temperatura y RPM

Figura 17. Sensor Temperatura Figura 18. Instrumentación Hyundai Accent

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32

VELOCIDAD FINAL HYUNDAI ACCENT

020406080

100120140

1 242 483 724 965 1206 1447 1688 1929 2170

Tiempo (ms)

Velo

cida

d (k

m/h

)

GasolinaAlcohol

Gráfica 5. Velocidad final Hyundai Accent


Velocidad alcanzada en 2254 ms: 131.5 km/h

Alcohol Carburante:

Velocidad alcanzada en 2254 ms: 125 km/h

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33

Capitulo 6

Emisiones Contaminantes

6.1 Objetivo

Determinar los niveles de concentración de Hidrocarburos, CO2, CO y O2 emitidos

a la atmósfera por los diferentes vehículos de prueba utilizando gasolina corriente

sin plomo y alcohol carburante (biogasolina). Las pruebas se repitieron tres veces

para garantizar la confiabilidad de los datos obtenidos.

6.2 Normatividad vigente en Colombia

Los niveles de concentración máximos de CO y HC permitidos están

reglamentados por la Resolución 160 de junio 14 de 1996 expedida por el DAMA.

Tabla 5

Niveles de concentración máximos de CO y HC permitidos en Colombia [5].

Año – Modelo CO [%] HC [ppm]

2001 y posteriores 1.0 200

2000 – 1998 2.5 300

1997 – 1996 3.5 450

1995 – 1991 4.0 500

1990 – 1981 5.0 650

1980 – 1975 5.5 800

1974 o anteriores 7.0 1000

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34


Para la verificación de las emisiones contaminantes tanto en condiciones estáticas

o ralentí y en condiciones dinámicas se utilizo el equipo analizador de gases Bear

Pace 400.

Figura 19. Equipo analizador de gases Bear Pace 400


• Emisiones en condiciones estáticas o ralentí

Para la verificación de las emisiones contaminantes en condiciones estáticas o

ralentí, se siguió el procedimiento reglamentado por la resolución 005 de Enero 9

de 1996 expedida por el Ministerio del Medio Ambiente, en el cual manteniendo el

motor del vehículo en marcha mínima o ralentí y a la temperatura normal de

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35

operación, se determinan las concentraciones de CO y HC de los gases de

escape reportando el valor máximo registrado durante 30 segundos.

• Emisiones en condiciones dinámicas

Para la verificación de las emisiones contaminantes en condiciones dinámicas, se

siguió el procedimiento ASM 25/25, en el cual manteniendo el vehículo a 25mph y

a la temperatura normal de operación, se determinan las concentraciones de CO,

CO2 y HC de los gases de escape reportando el valor máximo registrado durante

25 segundos.


• Toyota Burbuja en condiciones estáticas o ralentí

Tabla 6

Emisiones contaminates Toyota Burbuja en condiciones estáticas o ralentí

Toyota Burbuja Gasolina Alcohol RPM 721 689 HIDROCARBUROS (ppm) 582 402 CO2 13,67% 13,46% CO 2,05% 1,61% O2 0,73% 0,94%

IM-2006-II-07

36

Concentración de HC

0

100

200

300

400

500

600

700

Co mbust ibles

Gasolin a

Alcoho l

Gráfica 6. Concentración HC Toyota Burbuja en condiciones estáticas o ralentí

Concentración de CO2

13,35 %

13,40 %

13,45 %

13,50 %

13,55 %

13,60 %

13,65 %

13,70 %

Combust ibles

Gasolina

Alcohol

Gráfica 7. Concentración CO2 Toyota Burbuja en condiciones estáticas o ralentí

IM-2006-II-07

37

Concentración de CO

0,00%

0,50%

1,00%

1,50%

2,00%

2,50%

Combust ibles

Ga solina

Al cohol

Gráfica 8. Concentración de CO Toyota Burbuja en condiciones estáticas o ralentí

Concentración de O2

0,00%

0,10%

0,20%

0,30%

0,40%

0,50%

0,60%

0,70%

0,80%

0,90%

1,00%

Combust ibles

Gaso lina

Alco hol

Gráfica 9. Concentración de O2 Toyota Burbuja en condiciones estáticas o ralentí

IM-2006-II-07

38

• Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

Tabla 7

Emisiones contaminates Toyota Burbuja en condiciones dinámicas (@2000 RPM)

Toyota Burbuja Gasolina Alcohol RPM 2162 2081 HIDROCARBUROS (ppm) 569 456 CO2 9,80% 9,76% CO 8,60% 7,97% O2 0,51% 0,54%


0

100

200

300

400

500

600

Combust ibles

Gasolin a

Alcoho l

Gráfica 10. Concentración de HC Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2000RPM)

IM-2006-II-07

39


9,7 4%

9,7 5%

9,7 6%

9,7 7%

9,7 8%

9,7 9%

9,8 0%

9 ,81%

Combu st ibles

Gasolina

Alcohol

Gráfica 11. Concentración de CO2 Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2000RPM)


7,60%

7,70%

7,80%

7,90%

8,00%

8,10%

8,20%

8,30%

8,40%

8,50%

8,60%

8,70%

Combu st ibles

Gaso lina

Alco hol

Gráfica 12. Concentración de CO Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2000RPM)

IM-2006-II-07

40


0,50%

0,50%

0,51%

0,51%

0,52%

0,52%

0,53%

0,53%

0,54%

0,54%

0,55%

Combust ibles

Gaso lina

Alco hol

Gráfica 13. Concentración de O2 Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2000RPM)

Tabla 8

Emisiones contaminates Toyota Burbuja en condiciones dinámicas (@2700 RPM)

Toyota Burbuja Gasolina Alcohol RPM 2766 2732 HIDROCARBUROS (ppm) 514 447 CO2 % 10,30% 10,00% CO 8,33% 7,54% O2 0,46% 0,48%

IM-2006-II-07

41


400

420

440

460

480

500

520

Combust ibles

Gasolin a

Alcoho l

Gráfica 14. Concentración de HC Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2700RPM)


9 ,85%

9 ,90%

9 ,95%

10, 00%

10, 05%

10,10%

10,15%

10, 20%

10, 25%

10, 30%

10, 35%

Combu st ibles

Gasolina

Alcohol

Gráfica 15. Concentración de CO2 Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2700RPM)

IM-2006-II-07

42


7,00%

7,20%

7,40%

7,60%

7,80%

8,00%

8,20%

8,40%

Combu st ibles

Gaso lina

Alco hol

Gráfica 16. Concentración de CO Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2700RPM)


0,45%

0,46%

0,46%

0,47%

0,47%

0,48%

0,48%

0,49%

Combust ibles

Gaso lina

Alco hol

Gráfica 17. Concentración de O2 Toyota Burbuja en condiciones dinámicas

(@2700RPM)

IM-2006-II-07

43

• Chevrolet Sprint en condiciones estáticas o ralentí

Tabla 9

Emisiones contaminates Chevrolet Sprint en condiciones estáticas o ralentí

Chevrolet Sprint Gasolina Alcohol RPM 783 874 HIDROCARBUROS (ppm) 346 311 CO2 % 13,30% 12,70% CO 2,66% 1,32% O2 0,46% 1,02%

Concentración HC

290

300

310

320

330

340

350

Combust ibles

Gasolina

Alcohol

Gráfica 18. Concentración de HC Chevrolet Sprint en condiciones estáticas o

ralentí

IM-2006-II-07

44

Concentración CO2

12,40%

12,50%

12,60%

12,70%

12,80%

12,90%

13,00%

13,10%

13,20%

13,30%

13,40%

Combust ibles

Gaso lina

Alcohol

Gráfica 19. Concentración de CO2 Chevrolet Sprint en condiciones estáticas o

ralentí


0,00%

0,50%

1,00%

1,50%

2,00%

2,50%

3,00%

Combust ibles

Gasoli na

A lcohol

Gráfica 20. Concentración de CO Chevrolet Sprint en condiciones estáticas o

ralentí

IM-2006-II-07

45


0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

1,20%

Combust ibles

Gasol ina

A lcohol

Gráfica 21. Concentración de O2 Chevrolet Sprint en condiciones estáticas o

ralentí

• Hyundai Accent en condiciones estáticas o ralentí

Tabla 10

Emisiones contaminates Hyundai Accent en condiciones estáticas o ralentí

Hyundai Accent Gasolina Alcohol RPM 794 823 HIDROCARBUROS (ppm) 229 203 CO2 % 13,70% 12,85% CO 0,51% 0,28% O2 1,66% 1,96%

IM-2006-II-07

46

Conce ntración HC

190

195

200

205

210

215

220

225

230

235

Combustibles

Gasolina

Alcohol

Gráfica 22. Concentración de HC Hyundai Accent en condiciones estáticas o

ralentí

Concentración CO2

12,40%

12,60%

12,80%

13,00%

13,20%

13,40%

13,60%

13,80%

Combust ib les

Gasolina

Alc ohol

Gráfica 23. Concentración de CO2 Hyundai Accent en condiciones estáticas o

ralentí

IM-2006-II-07

47


0,00%

0,10%

0,20%

0,30%

0,40%

0,50%

0,60%

Combust ibl es

Gasolina

Alc ohol

Gráfica 24. Concentración de CO Hyundai Accent en condiciones estáticas o

ralentí


1,50%

1,55%

1,60%

1,65%

1,70%

1,75%

1,80%

1,85%

1,90%

1,95%

2,00%

Combust ibl es

Gasolina

Alc ohol

Gráfica 25. Concentración de O2 Hyundai Accent en condiciones estáticas o

ralentí

IM-2006-II-07

48

Capítulo 7

Consumo de Combustible

7.1 Objetivo

Determinar el consumo de combustible de los diferentes vehículos de prueba

utilizando gasolina corriente sin plomo y alcohol carburante (biogasolina). Las

pruebas se repitieron tres veces para garantizar la confiabilidad de los datos

obtenidos.


Para la realización de las pruebas de consumo de combustible se siguió el

protocolo de la prueba IM240 el cual es utilizado internacionalmente para la

realización de pruebas de emisiones contaminantes.

Figura 20. IM240 Test [9]

IM-2006-II-07

49

Para la medición del consumo de combustible se reemplazó el tanque del vehiculo

de prueba por un tanque aforado cuya medida se toma al iniciar y al terminar la

prueba. La diferencia en volumen es el consumo de combustible sobre toda la

prueba.

Figura 21. Alcohol Carburante Figura 22. Gasolina corriente sin plomo

Figura 23. Tanque Aforado

IM-2006-II-07

50


• Toyota Burbuja

IM240

020406080

100120140

1 2692 5383 8074 10765 13456 16147 18838 21529 24220

Tiempo (ms)

Vel

ocid

ad (k

m/h

)

IM240

Gráfica 26. Ciclo IM240 para medición de consumo de combustible Toyota Burbuja

Tabla 11

Consumo combustible Toyota Burbuja utilizando gasolina corriente sin plomo

Gasolina Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3

Inicial 8 lts 7 lts 5 lts

Final 7 lts 6 lts 4 lts

galkmgal

ltsltskm

ltsuebasomedio

/1.121785.3

12.3

1:PrPr

=∗

IM-2006-II-07

51

Tabla 12

Consumo combustible Toyota Burbuja utilizando alcohol carburante (biogasolina)

Alcohol Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3

Inicial 3 lts 5.5 lts 4.3 lts

Final 1.8 lts 4.4 lts 3.3 lts

galkmgal

ltsltskm

ltsuebasomedio

/111785.3

1.12.3

1.1:PrPr

=∗

• Hyundai Accent

IM240

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2378 4755 7132 9509 11886 14263 16640 19017 21394 23771

Tiempo (ms)

Vel

ocid

ad (

km/h

)

IM240

Gráfica 27. Ciclo IM240 para medición de consumo de combustible Hyundai

Accent

IM-2006-II-07

52

Tabla 13

Consumo combustible Hyundai Accent utilizando gasolina corriente sin plomo

Gasolina Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3



galkmgal

ltslts

kmltsuebasomedio

/5.461785.3

26.02.3

26.0:PrPr

=∗

Tabla 14

Consumo combustible Hyundai Accent utilizando alcohol carburante (b iogasolina)

Alcohol Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3



galkmgal

ltslts

kmltsuebasomedio

/3.401785.3

30.02.3

30.0:PrPr

=∗

IM-2006-II-07

53

Capítulo 8

Conclusiones

• Realizadas las respectivas pruebas tanto en bancos de prueba

(dinamómetro) como pruebas de carretera, siguiendo los protocolos

estandarizados para ello, se obtuvo que la potencia con el uso del alcohol

carburante (biogasolina) es menor que la potencia obtenida con la gasolina

corriente sin plomo.

• Las pruebas ejecutadas para determinar el consumo de combustible, bajo

el protocolo internacional IM240 y el uso de la quinta rueda, arrojaron que

con el uso del alcohol carburante (biogasolina) el consumo de combustible

es mayor que el consumo obtenido con la gasolina corriente sin plomo.

• Los resultados de las emisiones contaminantes tanto en condiciones

estáticas como en condiciones dinámicas, obtenidas con el equipo

analizador de gases, determinaron que las emisiones contaminantes

producidas por el alcohol carburante (biogasolina) son menores que las

emisiones contaminantes producidas por la gasolina corriente sin plomo,

por consiguiente el uso del alcohol carburante es favorable para el medio

ambiente.

• La velocidad final obtenida en las pruebas de carretera utilizando las

pruebas de aceleración en plano y la quinta rueda, es mayor usando

gasolina corriente sin plomo que usando alcohol carburante (biogasolina)

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54

Referencias

1. ARIAS JIMENEZ, Diego Alejandro. Desarrollo de una metodología para

evaluar el desempeño mecánico, energético y ambiental de vehículos

automotores mediante pruebas de carretera. Trabajo de grado (Magíster en

Ingeniería Mecánica). Universidad de los Andes, Colombia. Facultad de

Ingeniería Mecánica.

2. GARCÍA KÜNZEL, Hugo. Puesta a punto del dinamómetro para vehículo

“HH DYNAMOMETER”. Bogotá, 2006, 105 p. Trabajo de grado (Ingeniero

Mecánico). Universidad de los Andes, Colombia. Facultad de Ingeniería

Mecánica

3. IDARRAGA MANRIQUE, Camilo. Evaluación global del funcionamiento de

un motor con un sistema de combustible dual. Bogotá, 2003, 151 p. Trabajo

de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad de los Andes, Colombia.

Facultad de Ingeniería Mecánica.

4. MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE, MINISTERIO DE TRANSPORTE.

Resolución 005 de enero 9 de 1996

5. DEPARTAMENTO TÉCNICO Y ADMINISTRATIVO DEL MEDIO

AMBIENTE – DAMA. Resolución 160 de 1996. DAMA, 1996

6. TORRES, Jaime; MOLINA, Daniel; PINTO, Carlos; RUEDA, Fernando.

Estudio de la mezcla de gasolina con 10% de etanol anhidro. Evaluación de

propiedades fisicoquimicas. ECOPETROL. CT&F – Ciencia Tecnología y

Futuro, Vol 2 Num 3 Dic. 2002

IM-2006-II-07

55

7. Norma SAE Estándar J1491

8. ASM Test Mode 25/25

9. The IM240 Transient I/M Dynamometer Driving Schedule and The Composite I/M Test Procedure

10. www.ecopetrol.com.co

11. www.minminas.gov.co

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56

ANEXO A. FORMATO DE ESPECIFICACIONES DEL VEHICULO

VEHICULO Marca Kilometraje Año Modelo Peso en Prueba(Kg)

Capacidad Carga (Kg)

MOTOR Tipo Desplazamiento Cilindros Relación de

Compresión

Sistema de Combustible

Sistema de Alimentación

TRANSMISION Y EJE Tipo Relación Eje Relaciones 1 2 3 4 5 LLANTAS Marca Modelo Tipo Tamaño Presión Delanteras(psi)

Presión Traseras (psi)

FRENOS Delanteros Traseros ESCAPE Tipo EQUIPO ADICIONAL EQUIPO ELIMINADO PARA LA PRUEBA ESTADO VEHICULO OPERACIÓN Aceite Motor Mariposa Acelerador Refrigerante Transmisión Líquido de Frenos Freno de Mano Líquido Dirección Hidráulica Alineación Llantas Gasolina Presión Llantas

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57

ANEXO B. DESCRIPCION DE LA PRUEBA DE ACELERACION EN PLANO

OBJETIVO ESPECÍFICO

Determinar la capacidad de aceleración del vehículo en prueba.

NORMATIVA El procedimiento a seguir está basado en el estándar SAE J1491 MAR95.

MATERIAL DE PRUEBA El vehículo de prueba debe ser completamente definido en el formato del ANEXO

A

CONDICIONES DE PRUEBA

- Temperatura ambiente: entre -1 y 32°C.

- Condiciones adversas de clima: las pruebas no deben realizarse con

niebla o lluvia.

- Velocidad del viento: las pruebas no pueden ser conducidas cuando la

velocidad promedio del viento es mayor a 24Km/h o con picos mayores

a 32Km/h.

- Condiciones de la pista: la pista debe estar seca, limpia, lisa y no debe

exceder 0.5% de pendiente. La pendiente debe ser constante y la pista

recta. La superficie debe ser concreto o asfalto en buenas condiciones.

PREPARACIÓN DEL VEHÍCULO

- Utilización del vehículo: El vehículo debe tener al menos 3,218 Km

(2,000 millas) de operación, las llantas deben tener al menos un 75% de

labrado, y estar en buen estado, todas las llantas deben tener 161Km

(100 millas) de recorrido antes de la prueba.

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- Revisión del vehiculo:

- El vehículo debe ser inspeccionado para ajustarlo para cumplir las

especificaciones deseadas.

- Operar, observar y corregir, si es necesario, el mecanismo de la

mariposa del acelerador, para asegurar que ocurre apertura total.

- Peso del vehículo: Debe ser el peso del vehículo sin carga más 136 Kg

(300 Ib), incluyendo conductor e instrumentación.

- Presión de las llantas: La presión de las llantas frías debe ser la

recomendada por el fabricante.

- Calentamiento: El vehículo debe ser conducido al menos por 32Km

(20millas) a una velocidad promedio de 88Km/h inmediatamente antes

de la prueba. Puede utilizarse recorridos alternos, no debe transcurrir

más de 5min entre el calentamiento y el comienzo de la prueba.

DESARROLLO DE LA PRUEBA

Desarrolle las aceleraciones con acelerador a fondo en las siguientes condiciones:

- 0 - 48 Km/h (30mph). Registrar el tiempo recorrido.



- 402 m (1/4 milla). Registrar el tiempo recorrido.

- 0 - 5 s. Registrar la distancia recorrida.

- 64 - 97 Km/h (40 — 60 mph). Registrar el tiempo recorrido.

En vehículos con transmisión automática, realizar la aceleración con acelerador a

fondo.

En vehículos con transmisión manual, debe operarse para obtener un máximo

desempeño con el menor deslizamiento posible. La operación del embrague y los

cambios de marcha deben ser optimizados para el desempeño sin exceder la

máxima velocidad especificada para el motor.

IM-2006-II-07

59

La prueba de 64 - 97 Km/h debe empezar cuando se estabilicen los 64Km/h. En

vehículos con transmisión manual debe hacerse en el último y en el penúltimo

cambio.

DATOS DE PRUEBA

Correr un mínimo de 3 pares de pruebas, con cada par conducido en direcciones

opuestas. Cuando se experiencia una dificultad en una corrida, el par es excluido.

OPERACIÓN DE ACCESORIOS

- Luces apagadas.

- Ventilador debe estar en bajo.

- El aire acondicionado debe estar desconectado.

- El radio puede estar funcionando.

- Todos los demás accesorios eléctricos deben estar apagados.

- Las ventanas deben permanecer cerradas.

CÁLCULOS Reportar los promedios de las pruebas.

El coeficiente de variación (desviación estándar/promedio) no debe ser mayor al

3%. En la prueba de aceleración de 64-97 Km/h no debe ser mayor que 6%

proyecto de grado david andres delgado cepeda 199912094

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