La potencia de las turbinas en los motores Diesel

Optimizar y aumentar la eficiencia de los motores de la maquinaria agrícola se ha vuelto cada vez más atractivo para el mercado y los productores rurales. Estas máquinas son los principales motores del campo, ya sea en trabajos individuales o acompañadas de un implemento, y en esta combinación se requiere mayor potencia, lo que obliga al productor a buscar un rendimiento que se ajuste a la operación prevista.

Como la reserva de par, el rendimiento de la barra de tiro y la toma de fuerza influyen en el buen funcionamiento del tractor agrícola, estas características relacionadas con el par son las primeras en analizarse. Ya sea hora de mejorar la maquinaria de la propiedad o de adquirir otras nuevas, el productor debe considerar las necesidades de su trabajo y observar atentamente las especificaciones técnicas de las máquinas, ya que elegir equipos del tamaño correcto es crucial para el éxito de las operaciones.

Actualmente, el motor de combustión interna Diesel es el principal utilizado en la agricultura, debido a sus características únicas, debido a su funcionamiento basado en la explosión derivada de la mezcla de aire y combustible a alta temperatura. La explosión constante genera un mayor período de trabajo y una capacidad de torque superior, característica fundamental en una máquina cuyo propósito es proporcionar potencia.

En los catálogos de fabricantes de tractores agrícolas es común entre las clasificaciones de motores incluir valores de reserva de par, siendo una característica que define su versatilidad de uso, es decir, la capacidad de aumentar el par a medida que disminuye la rotación del motor debido a un esfuerzo adicional. . Cuanto mayor sea esta reserva, mejor será el motor para su uso en operaciones agrícolas.

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Reserva de par

La reserva de par es la diferencia entre el par máximo del motor y el par máximo de potencia que se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

RT (%) = ((TM - TPM) / (TPM)) x 100

Donde:
RT - Reserva de par
TM - Par máximo
TPM: par a potencia

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En un motor atmosférico convencional, el aire llega a los cilindros bajo presión atmosférica y, en el caso de los motores turbo, se utiliza una turbina para suministrar aire a presión a partir de los gases de escape. De esta forma, el motor diésel con turbocompresor puede tener una reserva de par superior al 15%, lo que genera ganancias operativas y energéticas.

El concepto detrás del turbocompresor es el uso de gases que serían eliminados en el escape para dirigirlos al motor, esto aumenta la presión dentro de los cilindros, lo que optimiza la combustión y, en consecuencia, genera más torque. Los turbocompresores más conocidos son los de geometría fija (conocidos popularmente como simples), biturbo y de geometría variable. Todos parten del mismo principio de funcionamiento, pero cada uno tiene sus particularidades.

Los motores sobrealimentados pueden generar temperaturas elevadas que no son ventajosas para el sistema, ya que cuanto mayor es la temperatura del aire, menor es su masa específica y, en consecuencia, hay una disminución de la cantidad de oxidante, lo que perjudica la explosión. Como resultado, el sistema de suministro requiere de un intercambiador de calor intermedio, conocido como Intercooler, su función es reducir la temperatura del aire comprimido para que su densidad y la eficiencia del turbocompresor sean mayores.

MOTOR TURBO DE GEOMETRÍA FIJA

El turbocompresor de geometría fija consta de una sola turbina, que capta el aire de la atmósfera y lo presuriza, aumentando la densidad del aire y dirigiéndolo a la entrada del cilindro del motor. El tamaño de esta turbina puede variar con el torque deseado, y la potencia generada será acorde a su tamaño (las turbinas grandes generan mayores potencias), sin embargo, se deben observar las características dimensionales al momento de la adquisición, por ejemplo, turbinas más grandes. resultan en períodos más largos para alcanzar el par máximo.

MOTORES BITURBO

El motor biturbo tiene una mayor eficiencia respecto a un monoturbo de geometría fija, ya que ofrece un elevado par a bajas revoluciones. Como su nombre indica, su finalidad es utilizar dos turbinas, pudiendo ser una buena opción en los casos en los que no se desea o no es viable el uso de una turbina de gran tamaño. El funcionamiento se basa en dos turbinas del mismo o diferente tamaño, que proporcionan potencia más rápidamente, ya que el par máximo se alcanza a bajas velocidades. Las configuraciones pueden ser paralelas o secuenciales.

El biturbo paralelo tiene dos turbinas del mismo tamaño, que no están conectadas entre sí, por lo que los flujos de aire sólo se unen en el intercooler, si el motor lo tiene, o en el tubo de admisión. La ventaja de este sistema es que alcanzará la misma cantidad de par que una turbina grande, pero a bajas velocidades.

Una alternativa disponible en el mercado es el biturbo secuencial, que cuenta con dos turbinas de diferentes dimensiones, donde la pequeña ofrecerá un alto par a bajas y medias velocidades, ya que, por su tamaño, alcanza más rápidamente el punto de eficiencia, y la más alto alcanzará su punto máximo a medias y altas revoluciones, manteniendo la eficiencia del motor. Este sistema tiene otra diferencia, que son las válvulas de bypass, presentes en la admisión y el escape. La ventaja de este proceso es que el motor mantendrá un par constante, alcanzando su punto máximo rápidamente a bajas revoluciones y permaneciendo estable.

GEOMETRÍA VARIABLE

El turbo de geometría variable tiene una mayor eficiencia respecto al de geometría fija, ya que minimiza el turbo lag, también conocido como turbo retardo, que comprende el periodo que la turbina se desarrolla hasta alcanzar su punto de eficiencia. Este sistema le permite soportar un alto flujo de gases, a través de las aletas móviles estando orientadas para abrir y cerrar. Cuando el motor está a bajas revoluciones, el flujo de aire es menor, en consecuencia las aletas se cierran para aumentar la presión del gas y el motor alcanza su eficiencia rápidamente. Con alta presión de gas, estas aletas se abren para aliviar el motor, manteniendo un par constante.

El equipo del Laboratorio de Adaptación de Tractores Agrícolas (Lata-UFPR) realizó investigaciones con turbinas en diferentes condiciones de campo. Con el fin de demostrar la eficiencia de sistemas variados, permitiendo el correcto dimensionamiento de conjuntos mecanizados.

Oiole et al. (2019), con el objetivo de evaluar el desempeño energético de un tractor agrícola en operación de grada intermedia en dos pendientes y tres configuraciones de ancho, utilizaron el modelo T6050 serie Plus, de New Holland, con una potencia nominal (ISO TR 14396) de 93 kW, equipado con turbina de geometría fija. Observaron que la presión turbo más alta se lograba con la configuración de manómetro cerrado en un área plana, lo que resultaba en un aumento en la eficiencia termodinámica.

Strapasson Neto et al. (2020), al evaluar la interferencia del número de válvulas de control remoto en uso en el sistema operativo y el desempeño energético de un tractor, utilizaron el modelo Magnum 340, de Case IH, con potencia nominal (ISO TR 14396) de 250kW y potencia extra de 275kW, equipado con una turbina de geometría variable y ruedas dobles en la parte delantera y trasera. Observaron que la turbina de geometría variable con válvula de control remoto presentó resultados superiores, debido al aumento de la eficiencia energética, consecuencia de la mayor presión de la turbina y la disminución del consumo específico de combustible.

Gabriel Ganancini Zimmermann
Thais Alves dos Santos
Filipe Afonso Inglés
William Santiago de Mendonça
Daniel Savia
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