Otra componente que ayuda a definir el
desempeño de un equipo agrícola es la efectividad del consumo de potencia
empleada. En este sentido el tractor es un protagonista, y también lo son otros
equipos autopropulsados como las cosechadoras, las pulverizadoras, las
picadoras de forraje.
La potencia es el trabajo realizado en la
unidad de tiempo. Y el trabajo, técnicamente hablando, es “la aplicación de una
fuerza a través de una distancia”. Los parámetros unidades del trabajo mecánico
son fuerza x distancia y potencia es trabajo por unidad de tiempo.
El problema de las unidades de potencia se
presentó por primera vez en Inglaterra con el desarrollo de la máquina de
vapor. En la última porción del siglo XVIII James Watt deseó medir en términos
concretos –el caballo vapor. Hizo una serie de determinaciones y encontró que
un caballo promedio para la época podía levantar 336 libras de carbón de una
mina a la velocidad de 1 pie por segundo. Luego el mismo Watt aumentó en un 50%
esa cantidad para cubrir posibles errores y quedó definido que el valor es de
550 lb x 1 pie/seg.
Esa fue la medida utilizada desde entonces como
unidad de potencia, 1HP = 550 lb x 1pie / seg.
Luego aparecieron otras formas de expresión de
acuerdo a diferentes normalizaciones.
La potencia
se calcula, con la multiplicación de
dos parámetros: cumpa por régimen. Ambos parámetros se miden en los bancos de
pruebas de motores o “frenos de taller”.
FIGURA Freno de Prony. Origen de los bancos de prueba. En él se mide la cupla,
el régimen y el consumo de combustible. Y relevan las curvas características
del motor.
La potencia es igual al producto de la cupla
por el régimen.
P = M
x n
Donde:
P
es potencia.
M es
cupla.
n
es régimen.
Esta es la manera como se calcula la potencia en la
toma de potencia del tractor y en el
volante de inercia del motor. La toma de potencia se verá más adelante. Esta
manera de calcular la potencia se aplica a los órganos de máquinas que giran
para entregar esa potencia.
La potencia
disponible que ofrecen los distintos modelos, y la misma puede expresarse
según diversas normas de
determinación o de ensayo. Cada una de ellas ha sido desarrollada por una
asociación cuya sigla siempre acompaña al valor de potencia expresado.
Por ejemplo la potencia SAE (Society of Automotive Engineers, de Estados Unidos)
es la que tradicionalmente entrega el motor desprovisto de embrague, filtro de
aceite, silenciador, alternador, bomba de agua, etc. En realidad, si es así no
expresa la potencia totalmente disponible para el trabajo.
Por ello se ha popularizado la llamada potencia SAE Neta más apropiada debido a que
expresa la potencia que entrega el motor provisto de todos los mecanismos
necesarios para su funcionamiento. Otro ejemplo es la potencia DIN (Deutsche Industrie Norm, de Alemania), que es la que entrega el extremo del
cigüeñal con el motor totalmente equipado. Es la real disponible para el
trabajo. Otra expresión de potencia es la potencia
IRAM (Instituto Argentino de Racionalización de Materiales) que utiliza el INTA en sus ensayos en el Instituto de Ingeniería
Rural
de Castelar, y es la entregada en la toma de potencia. Se rige según la
norma IRAM 8.005. Cuando se
considera la potencia de un tractor debe tenerse en cuenta, entonces, en qué
condiciones está determinada. Finalmente se halla la norma ISO (International Standard
Organization) con la que se busca unificar todos los sistemas de medida y
que expresa la potencia con todos los órganos accesorios del motor instalados,
al igual que en la norma DIN.
Por otro lado también se debe tener en cuenta
que a cada norma corresponde un sistema
diferente de unidades. A manera de ejemplo se ven algunos en la Tabla siguiente. también se expresan sus equivalencias.
De acuerdo con las equivalencias expresadas en
el referido cuadro, el CV es 1,4 % más potente que el HP. Pero si se tienen en
cuenta las diferencias en las condiciones
de ensayo o norma (si están o no
descontados algunos órganos del motor que consumen potencia como el alternador,
la bomba de agua, etc.) la diferencia
entre la potencia SAE y la potencia DIN puede alcanzar el 10 % aproximadamente.
En otras palabras y para hacer números redondos, si un motor dispone de 100 HP
SAE su potencia disponible para el trabajo será de unos 90 CV DIN.
FIGURA Distintas potencias en un tractor, según los puntos donde se determina dicha potencia. Algunas son del motor (indicada y efectiva).
Otro aspecto que hasta aquí no se ha
mencionado, es en cual punto del tractor
se determina la potencia. Las potencias que a menudo se mencionan son: la potencia efectiva o al volante motor,
es la que entrega el motor en su volante de inercia y es la que figura en los
folletos; potencia en la toma de
potencia, es la que entrega la toma de potencia y resulta algo menor que la
anterior y también se la suele informar en folletos comerciales; potencia en la barra de tiro, es la
que se obtiene en la barra del tractor y resulta sensiblemente menor que las
otras debido a que está influida por el patinamiento y la resistencia a la
rodadura, puntos que serán analizados más adelante. La potencia a la barra es
la que en realidad se aprovechará en muchas oportunidades de uso del tractor.
Pero no es práctico informar la misma debido a que es muy variable ya que depende
de gran cantidad de factores, como el suelo donde se trabaja, los rodados que
tiene el tractor y el desgaste que presentan, cómo está enganchado el
implemento que se tracciona, en qué condiciones se encuentra dicho implemento,
entre otras.
Otro parámetro importante es el par motor (cupla o torque), que indica la fuerza de giro del motor y que en el
tractor resulta relevante, tanto o más que la potencia, debido a que es una
máquina para entregar potencia pero con altos esfuerzos.
Existe otra manera de medir potencia que se
aplica a las máquinas que se trasladan para entregar potencia, como
es la potencia en la barra de tiro del tractor.
En este caso la fórmula será: P = fuerza x
velocidad.
Comparativamente, puede considerar una
camioneta que dispone de igual potencia que el tractor de la figura.
De allí que es interesante conocer la fuerza de
tracción que es posible obtener en la barra de tiro de un tractor y que esa
fuerza se origina en la cupla de su motor, es decir la fuerza de giro del
mismo, fuerza que luego es transmitida y aumentada por la transmisión del mismo
tractor.
También es importante la constancia con la que el tractor mantiene su fuerza de tracción
ante las variaciones en las condiciones de trabajo, y para comprender este
concepto lo mejor es seguir con nuestro ejemplo práctico: cuando un tractor
está trabajando en siembra, su motor tiende a girar a un régimen constante
porque, en principio, su acelerador de mano así lo determina. Si encuentra un
manchón de suelo más duro, el régimen disminuye algunas pocas vueltas y el
motor aumenta su fuerza de giro
debido a la acción del regulador de la bomba inyectora, que incrementa el volumen de gasoil enviado a los
inyectores. Así puede vencer el obstáculo, recuperar el régimen de
funcionamiento y continuar con el trabajo a la velocidad elegida por el
operador. Esta capacidad de superar picos de carga se llama reserva de par o de cupla y también se
la denomina capacidad de reacción.
Leer los folletos de un tractor
Cuando el folleto de un tractor señala que la
reserva de par de su motor es del 30 %, significa que ofrece un aumento de 30 %
entre el par al régimen de potencia
máxima y el valor de par máximo.
Por
ejemplo en el régimen de potencia máxima o potencia nominal, el motor entrega hasta
41,8 kgm de cupla, y la cupla máxima es de 54,3 kgm cantidad que equivale a un
30% más respecto de la cupla a régimen nominal. Tengamos en cuenta que no es
posible que el tractor trabaje al régimen de cupla máxima sin ser sometido a
una sobrecarga, ni siquiera en lapsos mínimos. Lo real es que puede trabajar a
regímenes algo menores al de potencia máxima, pero a medida que el régimen
disminuye el motor termina con sobrecarga y por ello es mejor que esta
situación dure pocos segundos o minutos, de lo contrario se generarán problemas
de temperatura y de lubricación. En esta circunstancia el operador
hace un cambio de marcha, colocando una velocidad menor en la caja. Cuando la
sobrecarga se extiende por períodos muy cortos, por pocos segundos, es superada
por la reserva de cupla del motor, y se dice que el motor tiene la capacidad de
reacción suficiente para sortear esa sobrecarga.
Figura Curvas características del motor diésel
Otro dato a tener en cuenta es la diferencia
entre el régimen de potencia máxima (régimen nominal) y el régimen de cupla
máxima, como se observa en la Figura.
Potencia
constante
La
reserva de cupla ayuda a compensar la baja elasticidad del motor, y en el mismo
sentido ayudan las cajas de cambio con buen escalonamiento de marchas y las sin
escalonamiento –que se verán más adelante-- y los motores de potencia constante. Con un control diferente de la inyección,
con el cual se logra una curva de potencia que se mantiene
prácticamente horizontal en un relativamente amplio rango de régimen.
Se tiende a mantener (constante) la potencia en su máximo
valor, cuando el régimen del motor ya no es el nominal. Así se logra una
elasticidad mayor renunciando a algo de potencia, es decir admitiendo una
potencia máxima menor a la que se puede lograr con el motor en cuestión.
Una forma de lograr potencia constante es con la inyección electrónica.
Inversiones en mejorar los escapes
Los fabricantes de motores han destinado la mayor parte de sus inversiones para reducir la emisión de gases contaminantes y de efecto invernadero. Esto obligados por los gobiernos de los países técnicamente desarrollados, es decir Europa y Estados Unidos.
Los desarrollos se enfocaron en:
Mejorar el manejo del aire de admisión (turbos post enfriados) (ver entrega del blog del 12/01/20)
Mejorar la inyección de combustible (inyección electrónica, en diferentes maneras)
Filtros y limpieza de los gases de escape
Otro dato importante es el consumo específico del combustible a potencia máxima, o bien lo que
consume el motor por unidad de potencia entregada. Una idea aproximada del
consumo específico en condiciones corrientes de campo es 134 g/CV h, o bien
0,16 l/CV h, aunque este valor es muy variable y depende no sólo del diseño del
motor sino también del tipo de labor entre otras cosas.
Nota:
Para expresar en litros los 134 gramos de gasoil, se multiplica este último
valor por la densidad del referido combustible, la cual ronda los 850 gramos /
litro.
Otros aspectos que si bien hacen al diseño
central del motor, como su cilindrada, cantidad de cilindros, no necesariamente
influyen en la elección de un tractor.
Motores
turboalimentados
FIGURA Motor turboalimentado. Referencias: 1) filtro de aire; 2) toma de aire elevada; 3)
múltiple de admisión; 4) gases de escape; 5) múltiple de escape; 6) turbina
accionada por los gases de escape; 7) eje lubricado; 8) turbina accionada por
la turbina de admisión; 9) conducto de aire filtrado.
 |
| Motor turbo alimentado post enfriado |
Figura Turboalimentado post enfriado. Con un radiador ubicado luego del turbo compresor, se enfrían los gases de admisión. Así se enfrían dichos gases, y se le reduce el volumen a fin de tener más moléculas de oxigeno por unidad de volumen.
En un apartado específico nos dedicaremos al análisis de los motores turbo post enfriados y como fue el proceso de evolución de los mismos como un recurso de base para reducir la emisión de gases nocivos al ambiente. Es importante señalar que durante los últimos 30 años, la inversión en desarrollo en la eliminación de la emisión de gases nocivos fue la más alta entre las realizadas por los fabricantes de motores. Obligados por las legislaciones impulsadas por los países centrales. Otro aspecto en este sentido es el desarrollo de la reducción catalítica selectiva.
Common railOtro punto de utilidad para conocer mejor sobre las prestaciones de los tractores modernos, y más precisamente de sus motores, es lo referente al sistema de inyección denominado “common rail”, figura 1.9. El mismo ofrece algunos beneficios como por ejemplo un mejor comportamiento de la máquina ante las variaciones de carga y menor consumo de combustible, respecto de los motores con sistemas de inyección más tradicionales (con bomba inyectora lineal o rotativa) a igualdad de otras condiciones. Este sistema de inyección está compuesto por dos filtros, dos bombas y un conducto común que lleva el gasoil a los inyectores con 6 orificios de distribución cada uno. Cuando el combustible llega al cilindro, lo hace con unos 1.600 kg /cm2 de presión -- se recuerda que en motores de inyección “convencional” la presión es de unos 300 kg /cm2-- y distribuido uniformemente en finas gotas de tamaño uniforme. Una computadora a través de sensores ubicados en diferentes puntos del circuito define la cantidad necesaria de gasoil a inyectar en cada instante durante el trabajo del motor.
Figura Common rail Referencias: 1) válvula de admisión; 2)
inyector; 3) activación electrónica del inyector; 4) línea de gasoil; 5)
distribuidor (common rail); 6) bomba de inyección a ultra alta presión; 7)
filtro de gasoil; 8) retorno; 9) gasoil; 10 sensor de nivel de gasoil; 11) cigüeñal.
Con la inyección electrónica se maneja el el momento en que se inyecta el gasoil y el tiempo de duración de la inyección. Ya no es un momento y una inyección (punto 5 en el diagrama indicado). Pueden ser 7 inyecciones por ciclo.
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Referencias: Diagrama indicado, presión en función del volumen en la evolución del movimiento del pistón dentro del cilindro. A área de trabajo positivo; B área de trabajo negativo; AAE avance apertura escape; RCA retraso cierre admisión; RCE retraso cierre escape; AAA adelanto apertura de admisión; D pérdidas por inyección (se reducen con la electrónica); C pérdidas por calor; 1 y 2 adelanto y atraso cierre escape; 3 y 4 adelanto y cierre admisión; pa presión atmosférica. |
La reducción catalítica selectiva (SCR) es la
técnica en la que se utiliza un fluido para el sistema de escape, basado en
urea (DEF) y un convertidor catalítico, para reducir significativamente
emisiones de óxidos de nitrógeno. Es la tecnología para reducir las emisiones
de escapes al ambiente. Pequeñas cantidades de fluido para escapes diésel son
inyectadas al flujo caliente de gases de escape, donde se vaporiza y se
descompone formando amoníaco y dióxido de carbono. El amoníaco convierte los óxidos de Nitrógeno en Nitrógeno gaseoso
(N2) y agua (H2O).
La proporción de consumo respecto del diésel es
50:1, valor similar en los motores de toda marca.
No influye en los filtros y su duración. No es tóxico, ni contaminante ni
inflamable. Es corrosivo al latón cobre
y otros metales. No lo es al polietileno de alta densidad.
Figura. Escape con reducción catalítica selectiva.
Figura. Escape con reducción catalítica selectiva.
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El tubo de escape no limita la visión desde cabina |
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