La energía química del combustible se convierte en energía mecánica en el motor; esta energía mecánica se transmite a las ruedas y permite que el

Transcripción

1 La energía química del combustible se convierte en energía mecánica en el motor; esta energía mecánica se transmite a las ruedas y permite que el tractor avance, pero en el recorrido se producen pérdidas, según se indica en este diagrama. Para conseguir la máxima eficiencia hay que minimizar las pérdidas. En las condiciones de campo, cerca del 50% de la energía que proporciona el motor se pierde en el recorrido. Una gran parte de ella en el sistema rueda-suelo. La eficiencia energética de un tractor agrícola se valora en términos de gramos de combustible que se necesitan para producir un CVh (o bien, g/kwh). Cuando se realizan trabajos de campo, esta eficiencia habría que cuantificarla en términos de litros de gasóleo consumido por ha trabajada. Seguidamente se analizan algunas de las mejoras tecnológicas que sirven para aumentar la eficiencia energética de los tractores agrícolas.

2 La capacidad de tracción de un tractor agrícola está relacionada con su peso. Normalmente, trabajando en suelo agrícola, se recomienda que el esfuerzo de tracción realizado no supere la mitad del peso del tractor para que este sea eficiente (bajo consumo energético) La potencia en tracción es el producto de la fuerza de tracción por la velocidad real de avance. Esta depende del peso del tractor y de la potencia que suministra el motor. La potencia de tracción de un tractor que no avanza es nula. Toda la potencia que suministra el motor se pierde. En el gráfico se representa las pérdidas de potencia que se producen en el recorrido del motor a las ruedas. La potencia de tracción en el ejemplo de un tractor de simple tracción es del 64% de la que suministra el motor 3

3 La potencia del motor térmico cambia con el régimen de funcionamiento. Se mide utilizando frenos dinamométricos en el propio motor o en la toma de fuerza del tractor que lo monta. La unidad de medida de la potencia es el caballo de vapor: potencia necesaria para elevar una masa de 75 kg venciendo la fuerza de la gravedad a una velocidad de 1 m/s. Las curvas características de un motor incluyen, además de la potencia, el par motor y el consumo de combustible. Balance energético de un motor: La potencia del motor depende del caudal de aire que entra en los cilindros. Sobre este aire se inyecta el combustible. La cantidad de combustible está limitada para reducir el consumo específico y limitar las emisiones de gases de escape. 5 6

4 El llenado de aire no es uniforme en todo el rango de velocidades de rotación, lo cual hace que cambie la potencia disponible. La potencia desarrollada por el motor en cada momento viene condicionada por los diferentes parámetros que se indican en el esquema. Para conseguir la máxima eficiencia hay que ajustarlos en cada punto de funcionamiento del motor. Para que la combustión en un motor diesel sea buena es necesario que haya aire en exceso. En caso contrario se producen humos en el escape y la eficiencia energética se reduce. Hay que considerar que un aumento de la eficiencia energética va unida al aumento de las emisiones de NOx, que están limitadas por los reglamentos sobre gases de efecto invernadero. 7

5 La variación del par motor es una consecuencia de la cantidad de aire que llega a los cilindros y del combustible que se inyecta en cada momento. El mejor llenado y máxima eficiencia se consigue a un régimen medio que está próximo a la zona en el que el motor suministra el par máximo Los motores de los tractores agrícolas disponen de un regulador multirégimen(mecánico o electrónico). El conductor establece con un acelerador el régimen al que desea trabajar y el sistema de inyección del tractor aumenta o reduce la inyección para mantenerlo entre unos límites reducidos (línea azul de puntos). Si la resistencia aumenta por encima de ciertos valores, (punto rojo) el motor reduce su régimen de funcionamiento hasta alcanzar el régimen de par máximo. 10

6 La potencia se calcula en un diagrama de Par motor/régimen de funcionamiento como producto de estas dos magnitudes. En un motor convencional cuando el par resistente aumenta se dice que funciona en régimen de sobrecarga. La potencia se reduce, pero el par que suministra aumenta. El motor es una máquina térmica que convierte la energía del combustible en energía mecánica. La potencia (energía en la unidad de tiempo) que puede proporcionar varía en función del régimen del motor, con un máximo que coincidía con el régimen nominal en los motores antiguos, pero que en los modernos está cerca de los dos tercios de éste régimen. Esto indica que no hay que acelerar el motor al máximo para obtener su máxima potencia. El sistema de regulación del motor modifica la inyección para que este proporcione un par motor que venza la resistencia que se opone a su rotación. Esto se puede representar en gráficos como los de la figura. En el primero de ellos se representa la potencia, que va aumentando con el régimen de giro para llegar a un valor máximo. En este momento se produce el corte de la inyección. La medida de la potencia del motor (bien directamente al volante, o en la toma de fuerza) se realiza con un freno dinamométrico, en el que se mide el par motor y el régimen de funcionamiento. La potencia en cada punto de funcionamiento es el producto del par medido por el régimen correspondiente (equivalente cuantitativamente a la superfice del rectángulo que se gorma con ese punto y los ejes coordenados). 11

7 En función de la posición del acelerador (régimen de funcionamiento elegido) y de la carga, la potencia que suministra el motor varía y con ella el consumo de combustible Para aumentar la potencia de un motor hay que incrementar su cilindrada. Sin variar la cilindrada se puede aumentar la cantidad de aire que llega a los cilindros (potencia) mediante la turboalimentación. Además el empleo del turbo mejora la combustión en el motor, lo que hace aumentar la eficiencia energética.

8 Utilizando la turboalimentación se pueden conseguir aumentos en la potencia suministrada por el motor como se indica en el gráfico. En los motores modernos con sistema de inyección electrónica las curvas características cambia de forma y la potencia máxima se consigue a un régimen inferior al nominal. La reserva de par motor en porcentaje es muy elevada. Los consumos específicos de combustible se minimizan cuando el motor trabaja aproximadamente al 80% de su potencia máxima con un régimen del 80% del nominal. En los motores modernos con inyección electrónica los motores ofrecen curvas características de tipo potencia constante que suministran más potencia a un régimen reducido que al régimen nominal del motor. En estos motores se puede instalar un sistema que proporcione dos curvas de potencia diferentes (potencia dual). Para valorar energéticamente el motor de un tractor se utiliza la medida del consumo específico de combustible en los puntos marcados en el diagrama de la derecha.

9 La normativa que establece limitaciones para la emisión de gases contaminantes en los motores de los tractores agrícolas ha obligado a introducir sistemas de inyección con alto nivel tecnológico. El más utilizado es el conocido como common rail, basado en la inyección electrónica del gasóleo contendido en un depósito a presiones que superan los 1000 bar. En la inyección convencional la presión de inyección aumenta con el tiempo. En le sistema common rail la presión se mantien constante y se puede interrumpir varias veces en el ciclo

10 Ahora los fabricantes de motores han tenido que introducir mejoras tecnológicas para para reducir las emisiones contaminantes manteniendo la eficiencia de los motores (menor consumo de combustible) lo que no resulta sencillo, ya que la mejora de le eficiencia de un motor hace que aumenten los NOx emitidos en el escape. En el esquema se presentan las diferentes mejoras tecnológicas que permiten reducir las emisiones de gases contaminantes en el escape

11 Curvas características de un motor moderno con inyección electrónica en el que se aprecia el intervalo de potencia constante y de par máximo, que se corresponde con el consumo específico mínimo. Una parte de la potencia se pierde en suministrar el aire que se necesita para la refrigeración de motor. Los nuevos diseños de los ventiladores con sus carenados complementan lo que fueron los sistemas de accionamiento viscoso, para ajustar las temperaturas en las diferentes zonas del motor. 21

12 Las pérdidas dependen del tipo de transmisión y del nivel de carga. Pueden variar entre el 4 y el 15% y son mayores a medida que aumenta el número de pares de engranajes que intervienen en cada situación (marchas cortas y largas) Los fabricantes han tenido, por una parte, que aumentar el número de relaciones del cambio para conseguir que el motor pueda funcionar en los puntos de bajo consumo específico; por otra reducir las pérdidas de potencia modificante los sistemas de lubricación. La automatización de las cajas de cambio con escalones como sin escalones, permiten mantener el régimen del motor más apropiado sin que sea necesaria la intervención del conductor. Cuántas relaciones del cambio se necesitan para que el tractor sea eficiente?. Es importante el número de relaciones del cambio entre 4 y 12 km/h (trabajos de campo)

13 Las diferentes operaciones agrícolas exigen velocidades de trabajo diferentes y demandan que el motor proporcione potencias diferentes, como se indica en la figura. El consumo específico de combustible es diferentes en los distintos puntos de funcionamiento del motor. Tampoco conviene comprar un tractor con 200 CV de potencia de motor para solo utilizar 100 CV.

14 Se puede conseguir la misma potencia del motor a distinto régimen de funcionamiento, pero esto exige un cambio de marchas suficientemente escalonado, y la atención del conductor para cambiar en el momento oportuno, lo que normalmente exige disponer de un cambio en carga con dos o más escalones. El aumento del número de escalones puede producir un aumento de las pérdidas en la transmisión. Este es un ejemplo de la reducción del consumo de combustible que se puede conseguir eligiendo la relación del cambio más apropiada para que el motor funcione cerca del punto de óptimo consumo.

15 La selección de la relación del cambio se puede hacer utilizando la caída de vueltas que se produce en régimen de trabajo con respecto al del motor sin carga en una determinada posición de acelerador que depende de la demanda de potencia del apero. Monitores para ayudar al conductor a elegir la relación del cambio más apropiada. Indica cuando hay que elegir una relación más larga o más corta y el régimen del motor más apropiado en función del mapa del motor.

16 Con el cambio en carga se puede pasar entre las diferentes relaciones del cambio sin interrumpir la transmisión del movimiento entre el motor y las ruedas. Los relaciones entre las que se consigue el cambio en carga se sitúan en la parte delantera de la caja para que el par transmitido por el conjunto sea más bajo.

17 Utilización de engranajes planetarios para conseguir varias relaciones de transmisión en una unidad compacta. Mayor coste de fabricación y baja eficiencia en algunas de las relaciones. Con diferentes sensores se detecta el régimen de funcionamiento del motor y la velocidad de avance, o el par transmitido por un eje, para seleccionar la relación del cambio más eficiente en función del régimen del motor. Se selecciona la relación del cambio más alta deseada y automáticamente se ajusta a la más alta posible

18 Para conseguir un cambio sin escalones se puede utilizar una transmisión hidrostática en serie. Hay que combinarla con una caja mecánica, ya que el rango de variación es pequeño para lo que se necesita en un tractor agrícola manteniendo un buen nivel de eficiencia. El turboembrague (transmisión hidrodinámica) permite adaptar el par motor a la carga en función de la velocidad de avance. El rango de velocidades es relativamente bajo y la eficiencia energética se reduce. Otra alternativa que permite utilizar las transmisiones hidrostáticas es la división de potencia entre dos ramas en paralelo que se juntan a la salida.

19 Una de las opciones es utilizar un sistema de planetario a la entrada de la caja que divide la transmisión de la potencia. Una de las ramas es totalmente mecánica y la otra es hidrostática con bomba y motor. La transmisión hidrostática se diseña para conseguir la máxima eficiencia ya que por ella se transmite la mayor parte de la potencia que proporciona el motor. Esta caja se caracteriza por su pequeño tamaño y su simplicidad constructiva. Para conseguir alto nivel de eficiencia (bajas perdidas en la transmisión) se necesita incluir dos relaciones mecánicas en serie (campo-carretera). Así se consiguen valores de eficiencia similares a las transmisiones PowerShift en todo el rango de velocidades, a la vez que un cambio sin escalones.

20 Otra alternativa tecnológica es utilizar los sistemas de planetario sumador en que el ramal hidrostático y el mecánico se juntan en un planetario a la salida de la caja. Estas cajas dispone de varias etapas para minimizar las pérdidas de potencia en la transmisión. Con las cajas del tipo CVT se consigue que el motor funciones en las condiciones de mínimo consumo suministrando la potencia necesaria para la velocidad real de avance que se necesita en una determinada operación agrícola. Hay diferentes estrategias de gestión que también se utilizan en los cambios automáticos con cajas de cambio en carga.

21 Generalmente derivan de cajas del tipo PowerShift con engranajes planetarios, incluyendo un módulo hidrostático lo que permite aumentar las series de fabricación reduciendo los costes de producción Con el doble embrague la transmisión del movimiento se realiza por diferentes zonas de la caja, que se alternan según la relación establecida. Menos elementos en movimiento con reducción de las pérdidas de energía en la caja. 41

22 Control electromecánico de la caja en alternativa a la electro-hidráulica. Dos primarios en paralelo con diferente escalón de entrada que actúan alternativamente al cambiar de marcha Transmisión diesel-eléctrica en un tractor para el movimiento de tierra. El motor acciona un generador eléctrico y la energía eléctrica producida sirve para alimentar a los motores eléctricos de las ruedas.

23 Aplicación de las transmisiones eléctricas a diferentes tractores agrícolas Toma de fuerza infinitamente variable conseguida electrónicamente

24 Accionamiento de aperos y máquinas con energía eléctrica de alta potencia. Necesidad de desarrollar el sistema de comunicación ISO-BUS para controlar los motores eléctricos de los aperos. La necesidad de contar con la electrónica para la gestión del motor facilita la integración de todos los sistemas del tractor comunicándolos entre si por una línea de transmisión de información y órdenes (CAN-BUS). A partir de ella se puede establecer una línea de transmisión para aperos y otros sistemas externos (posicionamiento) mediante el protocolo conocido como ISO-BUS

25 El control de los aperos se realiza automáticamente para reducir el patinamiento mejorando la eficiencia energética. Es posible programar diferentes sistemas que actúen de forma automática (gestión de cabeceras, guiado automático, etc.)

26 La suspensión primaria del eje delantero no solo hace que aumente el confort en el puesto de conducción durante el transporte a alta velocidad, sino que ayuda a reducir el patinamiento en operaciones de tracción incluso con tractores de potencia media. La eficiencia energética no solo depende de la que ofrece el motor, sino que también influye la transmisión y los elementos de propulsión.

27 Resultados de los ensayos OCDE de dos tractores: motor y tracción en pista. La importancia de las transmisiones y de los neumáticos y el lastrado. Para la mejora de la eficiencia en tracción hay que elegir correctamente los sistemas de propulsión y lastar el tractor para que su masa permita aumentar su adherencia para vencer la resistencia que impone el apero sin aumentar excesivamente la resistencia a la rodadura.

28 La máxima eficiencia en tracción se consigue cuando las perdidas por rodadura se hacen similares a las que se producen por patinamiento. El lastrado y la selección de los neumáticos para soportar el peso del tractor condicionan la eficiencia. Cálculo de la resistencia a la rodadura en una rueda. 56

29 Coeficiente de adherencia en diferentes tipos de suelo. En función del coeficiente de adherencia de un suelo se puede calcular la masa del tractor para realizar un determinado esfuerzo de tracción. La máxima eficiencia se consigue cuando las pérdida de potencia por rodadura se hace casi igual a las perdidas por patinamiento

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36 Selección de los neumáticos en los tractores para aprovechar su potencia y limitar la compactación de los suelos. 72

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40 Calculo de las capacidades de carga de los neumáticos de un tractor de 100 CV con una masa de 2700 kg. La relación peso/potencia, o el concepto de velocidad crítica, ayudan a elegir el lastre necesario en función de la potencia desarrollada en operaciones de tracción. 79

41 La carga que puede soportar un neumático depende de la presión de inflado. Conviene trabajar con una presión de inflado reducida para minimizar la compactación del suelo. La capacidad de carga nominal (a 1.6 bar de presión) de los neumáticos traseros en los tractores de doble tracción (2+2RM) puede calcularse de forma aproximada multiplicando por 21 la potencia del motor expresada en CV. Aumentando la superficie de apoyo se mejora la capacidad de tracción. Los neumáticos radiales proporcionan mayor superficie de apoyo

42 También es importante el diseño de las garras del neumático para que penetren en el suelo y hagan que la inter garra se quede limpia cuando la garra sale del suelo. Aumentando la flexibilidad de los flancos del neumático se puede reducir la resistencia a la rodadura, con lo que aumentaría la eficiencia en tracción.

43 En la actualidad se ofrecen neumáticos que pueden trabajar con una presión de inflado constante (carretera/campo), aunque la eficiencia en tracción mejora si la presión se adapta al nivel de carga que gravita sobre el neumático. También se ofrecen sistemas que permiten modificar la presión de inflado con el vehículo en movimiento.

44 El tractor es una unidad energética incompleta. Sus parámetros de funcionamiento a que adaptarlos al apero utilizado. Aquí se presentan los resultados de una prueba real. En conclusión hay que adaptar el apero al tamaño del tractor y no desperdiciar con un apero inapropiado toda al potencia disponible en el tractor.

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