CÁTEDRA: MECANIZACIÓN AGRÍCOLA

AYUDA DIDÁCTICA: CARACTERIZACIÓN DE UN MOTOR

Francisco Antonio Rosales

INTRODUCCIÓN

De entre las muchas características importantes de un tractor, se considera en esta ayuda didáctica las curvas características y potencia de su motor.

Que un tractor sea de una determinada potencia (100 kW por ej) significa que ese valor fue “homologado”, es decir, esta avalado por una medición realizada en algún organismo “oficialmente responsable”.

En otros países, la homologación de potencia en tractores se hace sobre la medida realizada en la toma de potencia (tdp) a su régimen normalizado (régimen de la tdp). En Argentina la potencia es homologada en el régimen nominal (o de potencia máxima).

Por tanto, en aquellos países, el régimen de la tdp es casi el mismo que el régimen nominal, mientras en Argentina el régimen nominal es normalmente bien superior al de la tdp.

En Europa, la limitación en la emisión de gases contaminantes obligó a modificar el diseño de los motores de tractores para reducir sus valores a los exigidos en las normas vigentes. Ello se produjo sin que se reduzcan las prestaciones, es decir, sin pérdida de potencia y sin aumento del consumo específico de combustible.

Puede decirse entonces que las razones para comprar tractores modernos son: mayor seguridad mayor confort mayor capacidad de trabajo mayor eficiencia menor consumo específico

SALIDAS DE POTENCIA EN EL TRACTOR

Los tractores pueden suministrar tres tipos de potencia: potencia mecánica, potencia hidráulica y potencia eléctrica.

Esto significa que la potencia mecánica generada en el motor del tractor, puede ser usada

como potencia mecánica, como potencia hidráulica o como potencia eléctrica.

La potencia mecánica es utilizada en los tractores a través de la toma de potencia (tdp) y de la barra de tiro, en caso de existir una polea, puede constituir una tercera forma de uso.

La potencia hidráulica se usa a través del levante de tres puntos y a través de las conexiones rápidas del sistema hidráulico.

La potencia eléctrica tomándola desde su acumulador.

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La forma más común de usar la potencia de un tractor, es a través de la barra de tiro, la cual es también la forma más ineficiente de usarla; la segunda forma de uso es con la tdp.

TIPO DE MOTOR USADO EN TRACTORES

El tractor es la máquina usada como fuente de potencia en la mayoría de las tareas agrícolas y un motor de ciclo Diesel es el que se encuentra en casi el cien por cien de los tractores; por esto, las consideraciones del presente trabajo están referidas sólo a este tipo de motores.

Se define genéricamente a un motor, como una máquina capaz de transformar algún tipo de energía en energía mecánica o en trabajo. Recordar que energía y trabajo tienen las mismas unidades de medición.

Los motores Diesel, pertenecen al grupo denominado motores térmicos de combustión interna. En los motores térmicos de “combustión interna” la energía calórica almacenada en los hidrocarburos es liberada a través de un provocado proceso de oxidación llamado combustión que se desarrolla en el interior del motor. Este proceso de oxidación, es exotérmico y esta acompañado y caracterizado por una violenta expansión de gases.

Puede conseguirse una ayuda visual del funcionamiento de un motor de combustión interna en cualquier enciclopedia de la Web.

Las diferencias entre los motores de ciclo Diesel y los de ciclo Otto a resaltar, son dos: la forma o manera de provocar la combustión (oxidación). la temperatura alcanzada por el aire al final de la carrera de compresión.

Ambas razones están muy relacionadas. En el caso de los motores Otto, como el aire no alcanza la temperatura de autoencendido de la nafta, ES NECESARIO el pasaje (“salto”) de una corriente eléctrica de alto voltaje entre los electrodos de una bujía para generar el proceso de oxidación o combustión.

En los motores Diesel como la temperatura del aire es mayor que la tº de autoencendido del gasoil, la combustión se consigue “automáticamente” al tomar contacto el gasoil con él.

Para conseguir aire con esa temperatura y producir el autoencendido o ignición del gasoil es necesario aumentar la relación de compresión del motor.

Se denomina “relación de compresión” al cociente entre el volumen “total” del cilindro (V1, en color verde en la figura) y el volumen “de la cámara de compresión” (v2, en amarillo en la figura).

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La relación de compresión es en otras palabras, el número de veces que el volumen total contiene al volumen de la cámara de combustión o lo que es igual: el número de veces que el volumen total se reduce durante la carrera de compresión.

Figura: representación de la relación de compresión

Con el objeto de identificar el efecto de las distintas relaciones de compresión en motores Diesel y Otto, se presenta el cálculo de una aproximación a la temperatura del aire al final de la carrera de compresión.

Se supone la existencia de dos motores de igual cilindrada: un Diesel con relación de compresión 17,4:1 y otro Otto con relación de compresión 8:1. La temperatura del aire es 17°C; la cilindrada del motor 7412 cc; el número de cilindros del motor 6 (seis). Según Poisson cuando se trabaja en un sistema cerrado, conociendo el volumen inicial (V1), el volumen final (V2) y la temperatura inicial (T1), la temperatura final de un gas comprimido puede conocerse a través de la siguiente expresión:

Despejando T2 y aplicando logaritmo la ecuación queda:

En el motor Diesel resulta una temperatura de 663,25°C, y en el Otto 403,08 °C. Las precauciones para realizar el cálculo son: repartir la cilindrada, determinar el volumen final con la relación de compresión, recordar que cuando se trabaja con gases en los cálculos se utiliza la temperatura absoluta y que la temperatura final obtenida aparece con el antilogaritmo.

No se puede conseguir aire con una temperatura mayor a la de autoencendido del gasoil con una relación de compresión inferior a 16/1. Cuanto mayor la relación de compresión mayor la temperatura del aire y más fácil el autoencendido.

Para analizar: ¿cómo se relacionan la temperatura del aire con el autoencendido y las propiedades de los combustibles: el número de octano (naftas) y cetano (gasoil)?

UTILIZACIÓN DE LA EXPANSIÓN DE LOS GASES

Para conseguir que la expansión de los gases resulte transformada en energía mecánica, se coloca como su receptor un pistón el cual resultará impulsado hacia abajo con un movimiento lineal (rectilíneo).

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Para poder utilizar en las ruedas el movimiento lineal conseguido en el pistón, éste debe ser transformado en movimiento circular. Para ello se emplea un sistema biela-manivela. En éste sistema, el pistón se une a la biela y ésta al codo del cigüeñal que hará las veces de manivela. Por la acción de estas tres piezas (pistón, biela, cigüeñal) el movimiento original rectilíneo, es cambiado a un movimiento circular (o rotativo) que será transmitido hasta las ruedas.

La expansión de los gases, genera una fuerza lineal, la cual aplicada en la manivela del cigüeñal se transforma en “par motor”.

COMO SE GENERA POTENCIA

Los gases al expandirse ejercen una presión sobre el pistón o lo que es igual generan una fuerza sobre la biela, que puede ser expresada como:

F = p . Sdonde: F= fuerza aplicada al pie de la bielap= presión de los gases (Pa)S= superficie del pistón (m2)

Es necesario marcar que la violencia de la expansión de los gases (es decir la fuerza ejercida por los gases sobre un pistón determinado), dependerá de la cantidad de combustible quemado. A mayor cantidad de combustible quemado, mayor fuerza obtenida y mayor régimen del motor.

Sin embargo, sólo parte de esta fuerza “original”, será transmitida por la biela al codo del cigüeñal. En efecto, a medida que el pistón desciende la biela forma con el eje vertical del pistón un ángulo cada vez mayor. La fuerza original “F” se separa en sus componentes Fb y Fc :

F = Fb + FcFb = fuerza sobre la bielaFc = fuerza sobre las paredes del cilindro

Figura: descomposición de la fuerza ejercida por los gases

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Fc es absorbida las paredes del cilindro provocando su ovalización, Fb es transmitida por la biela.

Pero en la unión de la biela con el codo del cigüeñal (parte inferior de la Figura 1), la fuerza Fb también se descompone. Allí, siguiendo la circunferencia descripta por el centro geométrico de la cabeza de la biela, sus componentes toman dirección radial (Fr) y tangencial (Ft) respectivamente.

Fb = Fr + Ft

La componente radial (Fr) es absorbida por las bancadas. Solo la componente tangencial (Ft) será útil en el proceso por originar un momento torsor que hará girar al cigüeñal. Recordar que la unidad de medición de fuerza en el SI (sistema internacional) es el Newton (N).

El resultado de la expansión de los gases (o de la combustión) es que el motor gira, entregando en el cigüeñal una cantidad de potencia cuyos componentes son el par motor y el régimen.

PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN A UN MOTOR

Para “IDENTIFICAR” un motor, es decir, para precisar sus prestaciones o capacidades, es necesario indicar cuales son sus aptitudes, las cuales se pueden establecer a partir de definir una serie de parámetros o variables.

No todas las variables permiten “caracterizar” (identificar) a un motor; por ej. “número de cilindros” que tiene un motor (4 cilindros por caso), permite una cuantificación correcta de una de sus parámetros, pero no todos los motores de cuatro cilindros tienen las mismas prestaciones.

Los parámetros más comúnmente usados para identificar un motor son: cilindrada, carrera, presión media efectiva, velocidad media del pistón, potencia específica.

La “cilindrada” unitaria media tiene un rango entre los 0,9 y 1,4 litros cilindro –1, en los tractores de origen japonés tienen una media de 0,5 litros cilindro –1, mientras John Deere tiene una media de 1,6 litros cilindro –1. La carrera tiene entre 110 y 130 mm. El diámetro entre 90 y 110 mm. La relación carrera/diámetro se mantiene entre 1,1 y 1,3. La presión media efectiva (PME, desarrollada en la cámara de combustión durante todo el ciclo) puede determinarse a través de ensayos o calcularse con la siguiente expresión:

)min/(*)(

)(*1224

utovueltasRégimenlCilindrada

kWPotenciaPME

Los valores de PME tienen un rango entre 6 y 14 kgf (cm2)–1.

La velocidad media del pistón puede calcularse con la siguiente expresión:

La VMP en el régimen de vacío máximo o régimen de corte es de10 m s –1 siendo la menor de 6 m s –1.

La potencia específica se define como el cociente entre la potencia homologada y la cilindrada. Tiene en general una fuerte relación de tipo inversa con la vida útil del motor (a > potencia específica < vida útil) y en los últimos años pasó de 11 kW l –1 a 20 kW l –1 consecuencia de la mejora en el llenado de cilindros y de la combustión. Una diferencia en el “llenado” con la misma cilindrada, se origina en la turboalimentación con distintas grados de soplado.

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Pero para “CARACTERIZAR” un motor sin ninguna posibilidad de confusión, se usa la representación gráfica de cuatro parámetros: par motor, potencia, consumo horario de combustible y consumo específico de combustible.

Cada uno de estos parámetros es graficado en un eje de coordenadas usando siempre en las abscisas el régimen del motor (número de vueltas por minuto). A continuación, se desarrollan las particularidades más importantes de cada uno de éstos cuatro parámetros.

RÉGIMEN DEL MOTOR

El régimen es el número de vueltas por unidad de tiempo, con el cual gira un motor para una determinada posición del acelerador y es consecuencia del equilibrio conseguido entre la fuerza de empuje de los gases y las fuerzas que se oponen a éste giro.

Entre las fuerzas que se oponen al giro del cigüeñal, pueden distinguirse:1. las relacionadas al motor propiamente dicho (internas)2. las relacionadas con el trabajo impuesto o “cargas” que el motor debe vencer (externas).

1) Resistencias internas (propias del motor)Las resistencias propias del motor se deben fundamentalmente al rozamiento y pueden

distinguirse: pérdidas por rozamiento en cojinetes, pistón, cigüeñal, etc. pérdidas por accionamiento de los sistemas que asisten al funcionamiento del motor:

bombas de agua y aceite, ventilador etc. pérdidas por rozamiento con el aire (despreciables)

Estas pérdidas son propias del mismo motor, dependientes de los materiales de construcción, relación de compresión, presión de lubricación, viscosidad del aceite y otras. Pero son casi independientes de la carga “externa” impuesta al motor.

2) Resistencias externasEs el esfuerzo que debe vencer para que el vehículo avance. Si el tractor avanza “solo” es

decir sin arrastrar a ningún implemento, la fuerza que deba hacer, será la necesaria para AUTOTRANSPORTARSE.

Si el tractor arrastra un implemento, por ejemplo un cincel, entonces el esfuerzo necesario que debe hacer su motor será el de autotransportarse más el que el cincel le exija.

Todos los motores funcionan dentro de un rango de regímenes y son cinco los regímenes que se usan como referencia:

1) Régimen de ralentiEs el límite de revoluciones por debajo del cual el motor no es capaz de vencer su momento

resistente.

2) Régimen máximo en vacío Es la velocidad de rotación del motor acelerado a fondo con la transmisión en punto neutro

(muerto).

3) Régimen nominal del motorEs la velocidad de rotación del motor, especificada por el fabricante, para el funcionamiento

continuo del mismo a plena carga, es decir, entrega su máxima potencia.

4) Régimen de cupla máxima (o par motor máximo)Es la velocidad de rotación del motor en la que genera su valor máximo de par motor.

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5) Régimen de la toma de potencia (normalizado)Es la velocidad de rotación del motor en el que la toma de potencia gira “normalizada” a 540 v

min–1 (eje de 6 acanaladuras) y/o en 1000 v min–1 (eje de 21 acanaladuras). Los tractores pueden disponer de una o de las dos velocidades de rotación.

El rango de regimenes está delimitado por un régimen mínimo (ralentí, el número1) por debajo del cual el motor no funciona (en realidad funciona, pero no en la forma óptima) y un régimen máximo (vacío máximo, el número2) por arriba del cual tampoco funciona (en realidad funciona, pero con serio riesgo de averías).

Dentro del rango se identifican tres regímenes importantísimos: el régimen en el cual ese motor entrega la potencia máxima el régimen en el cual ese motor entrega el par motor máximo el régimen en el cual la toma de potencia gira a un régimen preestablecido (540 ó 1000 v

min –1.

Estos cinco regímenes: ralenti, par motor máximo, tdp, potencia máxima y vacío máximo, son usados SIEMPRE para comparar las prestaciones de los distintos motores.

Cuando el motor gira en ralentí (regula en “vacío”, sin aceleración), la cantidad de combustible que quema es la necesaria para establecer el equilibrio con las pérdidas internas, es decir, con las resistencias propias del motor. En otras palabras: cuando el motor funciona en ralentí, es porque ha vencido todas sus resistencias internas.

Cuando se quema más combustible (se acelera y deja de estar en ralenti), el exceso de energía liberado será usado en aumentar el régimen con que gira el motor. Por ello acelerando al máximo y estando el vehículo estático (sin tener que vencer carga externa) alcanzará el MAYOR RÉGIMEN de giro posible, llamado “régimen de vacío máximo”.

A continuación se presenta en una figura su disposición. El color de letras es la posición del régimen.

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Representación de los 5 regímenes usados en las comparacionesTORQUE O PAR MOTOR

En la página anterior, se estableció que la expansión de los gases genera una fuerza que actúa en el cigüeñal. Al considerar que ésta fuerza es aplicada tangencialmente a una distancia (el radio) dada, se define el momento torsor en el cigüeñal.

Se usan como sinónimos del momento torsor: cupla motriz, torque, par motor y momento torsor.

Por definición, cupla es un par de fuerzas de igual intensidad pero de sentidos contrarios, que pueden originar un movimiento giratorio en algún punto sobre el plano comprendido entre las fuerzas.

Una llave “cruz” usada para aflojar las tuercas de la rueda de un auto es ejemplo de “cupla normal”. Una llave para aflojar tuercas en L y las bisagras en las puertas son ejemplos de “cuplas especiales”.

El par motor es otra cupla especial porque “una” de las fuerzas actuantes pasa por el centro de giro. Las fuerzas actuantes en la cupla del par motor son: la fuerza tangencial transmitida por la biela y la resultante de la reacción de las bancadas, cuya recta de acción pasa por el eje del cigüeñal.

La magnitud de una cupla, esta determinada por la medida de una de las fuerzas (son iguales) multiplicada por la distancia perpendicular entre las dos, es decir:

par motor = fuerza * distancia

en unidades del SI será: cupla (N m) = fuerza (N) * distancia (m).

En un motor, el valor del par motor (PM) generado será entonces, equivalente a la fuerza tangencial (Ft) multiplicada por la distancia entre el eje del cigüeñal y el centro geométrico de la cabeza de la biela (la manivela).

PM = Ft * rdonde:PM = par motor (Nm)Ft = fuerza tangencial (N)r = radio de giro (m)

El par motor obtenido tiene como características principales, las siguientes:

a) depende de la fuerza tangencial en la biela (Ft). Esta, obedece a la cantidad de combustible quemado. La cantidad de combustible quemado es a su vez dependiente (o proporcional) de la cantidad de combustible inyectado (o ingresado al cilindro) y de la eficiencia de la combustión. Siendo la eficiencia de la combustión limitada por la cantidad de oxígeno presente (eficiencia volumétrica).

b) depende del desarrollo de la carrera de expansión: producida la combustión, a medida que el pistón se acerca al punto muerto inferior aumenta el volumen ocupado por los gases, lo cual disminuye la presión que ejercen.

c) depende del ángulo formado por los ejes de la biela y la manivela: la combinación de ángulos entre pistón – biela y manivela – cigüeñal afecta la F transmitida según la siguiente ecuación que expresa el valor de Ft es:

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α = ángulo formado por la biela con el eje vertical del pistónβ = ángulo formado por la manivela con el cigüeñal

Como resultado de éstas características mencionadas, el PM generado sobre el cigüeñal es pulsante, sobre todo si, además, se considera que durante la carrera de expansión el pistón tiende a acelerarse y durante la carrera de compresión tiende a frenarse, como consecuencia del trabajo necesario para comprimir los gases.

Con el objeto de minimizar este defecto, es que los motores poseen en un extremo del cigüeñal una “masa inercial” (el “volante”). Este tiene como función principal uniformar los cambios en la velocidad de giro del cigüeñal ya mencionados y los producidos cuando se encuentra en los puntos muertos.

Para conocer los valores de par motor que un motor entrega, se realizan los denominados “ensayos dinamométricos”, en los que se usa algún dinamómetro rotativo, como el “freno de Prony”.

El ensayo consiste en acelerar al máximo el motor sin someterlo a carga. En esta condición, el motor alcanza el MAYOR valor de régimen posible; en este instante como el motor gira en vacío o lo que es igual no vence NINGUNA CARGA EXTERNA, el par motor generado será cero.

A continuación se “carga” al motor con el objeto de realizar la mayor cantidad posible de lecturas del par motor, régimen y consumo de combustible. La representación de los valores de par motor y régimen obtenidos con el dinamómetro de rotación puede ser como la que se observa en la figura que sigue.

Todas las curvas par motor, potencia y consumo de combustible SE LEEN DE DERECHA A IZQUIERDA. Comienzan en el régimen de vacío máximo.

Entre el régimen de vacío máximo (1900 v min -1 en la figura) y el régimen de potencia máxima (1800 v min -1), queda establecida la ZONA DE ACCIÓN DEL REGULADOR o ZONA DE USO DEL MOTOR.

Para definir la zona de acción del regulador, debe tenerse en cuenta que hay dos tipos aceleraciones en los motores de tractores:

una es voluntaria y la realiza el tractorista con el acelerador de mano o el de pie la otra es involuntaria y la realiza la bomba a través del “regulador de combustible” en

forma automática (sin intervención del operario).

La aceleración involuntaria (o sea el quemado de más combustible), comienza cuando el motor debe vencer una carga externa y termina cuando el motor entrega la máxima potencia. Por lo tanto la ACCIÓN DEL REGULADOR (producir la aceleración involuntaria o ingreso extra de gasoil) se extiende entre el régimen de vacío máximo (1900 v min -1 en la figura) y el régimen de potencia máxima (1800 v min -1),

Se aprecia que la magnitud del torque en la zona de acción del regulador es siempre creciente. La razón es que en el cilindro se quema cada vez MÁS COMBUSTIBLE (agregado por el regulador).

La condición para que el motor entregue un par motor siempre creciente, es que la carga externa sea también siempre creciente. Si la carga externa crece, el par motor que genera el motor debe crecer también, de lo contrario el motor se plantaría (dejaría de funcionar) al no poder vencer la exigencia impuesta.

La respuesta del motor se conoce y es desplazarse sobre la curva de par motor. Si al llegar al régimen de potencia máxima la carga externa que el motor debe vencer sigue creciendo, el régimen continuara cayendo (por el aumento de la carga externa), el par motor sigue también creciendo hasta llegar a su máximo valor en las 1500 v min -1.

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Representación del par motor generado en algún motor

La razón del aumento del par motor hacia la izquierda del régimen de potencia máxima, es un aumento en la cantidad de oxígeno disponible para quemar el gasoil. Debe diferenciarse entonces: que el incremento del par motor en la zona de acción del regulador es por un aumento en la cantidad de gasoil quemado; mientras que a la izquierda del régimen de potencia máxima, el aumento es por una mayor disponibilidad de aire para quemar el gasoil (el incremento de combustible termina en el régimen de potencia máxima).

A la izquierda de la figura se encuentra el régimen en el cual un motor entrega el máximo valor de par motor y está alrededor del 70% del régimen nominal.

Dos aspectos importantes deben ser marcados: el crecimiento de la magnitud del par motor es mucho más rápido en la “zona de

acción del regulador” respecto a la zona comprendida entre el régimen nominal y el régimen de par motor máximo

como consecuencia la “zona de acción del regulador” es denominada también “zona de uso del motor”, pues allí éste puede superar fácilmente las exigencias de un mayor tiro.

La diferencia en la magnitud del par motor a régimen nominal y par motor a régimen de par motor máximo, establece una “pequeña capacidad” de superar más exigencias en el tiro. Esta capacidad se denomina “reserva de par” y es la “fuerza extra” que cada motor posee en una zona en la que no debe ser usado. La reserva de par se define como:

Representación de los valores que establecen la reserva de par motorUn valor elevado de reserva de par, puede resultar de un par motor demasiado bajo en el

régimen nominal o de un par motor máximo elevado. En cualquiera de los casos con certeza tendrá un elevado consumo específico en el régimen nominal.

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En otras palabras, como la reserva de par es dependiente de la eficiencia volumétrica, una alta reserva de par, implica un mal “quemado” de combustible en el régimen nominal, es decir, un elevado consumo específico cerca del régimen en el que el tractor debe ser usado.

Las reservas de par tienen un rango normal de entre 15 y 35 %. Otra forma de analizar el par motor es a través del “par motor específico” que resulta de dividir el par motor máximo en la cilindrada del motor.

POTENCIA DEL MOTOR

Por ser la expansión de los gases dependiente de la cantidad de combustible quemado (aceleración), existe una relación directa entre régimen y potencia.

Es decir: cuanto mayor es la aceleración (se quema más gasoil) más altos serán el régimen y la potencia generada. Si se parte del régimen de ralentí (el menor de todos) hay una relación directa de proporcionalidad entre aceleración, régimen y potencia generada-

Pero debe considerase, que un motor “entrega” potencia, cuando el par motor generado vence alguna carga externa (resistencia del cincel por ej.).

Cada marca y modelo de motor tiene una potencia máxima que ha sido establecida a un determinado régimen. El diseño del motor y el acelerador, definen el régimen en el que entregará la máxima potencia.

Como resultado de la combustión el motor genera una cupla motriz (PM) a un determinado régimen (n). La representación de los cambios en los valores de potencia generados es lo que se busca con los ensayos dinamométricos. Cada valor de potencia obtenido, resulta del producto entre el par motor y el régimen de cada lectura.

N = PM * n * K

donde K representa una constante que involucra lo inherente al análisis dimensional (unidades) con que se exprese cada uno de los parámetros de la expresión.

Algunos autores analizan la potencia en un movimiento rotativo, a partir de la potencia cuando el movimiento es lineal-

Cuando el movimiento es de tipo lineal, la potencia resulta del producto entre la fuerza lineal, la velocidad de desplazamiento y la constante K.

N = F * V * K

Cuando el movimiento es circular la potencia resulta del producto entre la fuerza tangencial, la velocidad tangencial (dependiente del radio) y la constante K:

N = Ft . Vt . KN = potencia (W)Ft = fuerza tangencial (N)Vt = velocidad tangencial (m/s)

La velocidad tangencial en el punto de aplicación de la fuerza tangencial será:Vt = 2 . π * r * n

60donder = radio de la manivela (m)n = régimen (v/min.)

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Reemplazando la velocidad tangencial, potencia es:

N = Ft . r . n . 2 . π / 60como PM = Ft . r

N = PM . n . K

en caso de expresar el par motor en Newton por metro (N m) y el régimen en vueltas por minuto, para expresar la potencia en W (watios): K será igual a 2 * π /60, es decir: 0,10472. En caso de expresar el par motor o régimen en otras unidades, el valor de K será otro.

Esta expresión permite “visualizar” la respuesta de los ejemplos mencionados de subir o bajar una pendiente. Como la potencia generada es “constante” (no se acelera ni se desacelera), al caer el régimen (n) el par motor (PM) aumenta como única forma de mantener el valor de potencia (lo cual constituye la explicación del ejemplo de las tres situaciones de manejo).

Los valores de potencia usados para graficarla resultan del producto entre el PM y el régimen en cada una de las lecturas hechas con el dinamógrafo.

Representación de la potencia generada en algún motor

En la zona de acción del regulador los valores de potencia medidos son siempre crecientes. A diferencia de la curva de par motor, los valores de potencia a la izquierda del régimen de potencia máxima disminuyen.

Si se representan los dos parámetros: potencia y par motor en la misma figura, se puede observar sus cambios y comprender mejor el funcionamiento de un motor. En el régimen máximo de vacío (2400 v min –1) ambos valen cero. En la zona de acción del regulador (hasta llegar al régimen nominal 2200 v min –1) ambos “crecen” en su magnitud.

A partir del régimen nominal (2200 v min –1), que la carga externa siga en aumento, provoca que el régimen continúe cayendo. Pero en estas circunstancias, mientras la potencia disminuye, el par motor sigue creciendo hasta llegar a su valor más alto en el régimen de par motor máximo (1680 v min –1).

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Representación del par motor y potencia en algún motor

Tipos de potencia

Es común encontrar en la bibliografía, referencias a distintos tipos de potencia “generadas” por el mismo motor. Con fines prácticos solo es útil la “potencia efectiva” o potencia que el motor entrega en el cigüeñal, sin embargo se distinguirá también una “potencia teórica” y una “potencia indicada”.

Potencia teórica

La potencia teórica (NT) es un cálculo basado en la cantidad de energía calórica almacenada en el combustible utilizado. Cada combustible tiene un “poder calórico” que deberá ser conocido.

La potencia que teóricamente es capaz de desarrollar un motor depende de: la cantidad de combustible que consuma en la unidad de tiempo. de la energía calórica que éste posea. de la transformación de la energía en trabajo mecánico.

Para convertir la energía calórica liberada en trabajo mecánico, se utiliza el factor llamado “equivalente mecánico del calor”, con un valor único de 425 mkg/Kcal para todos los tipos de motores. Conociendo el consumo horario (Ch) de un motor, el poder calórico del combustible utilizado (HU), y el equivalente mecánico del calor (EMC), puede determinarse la potencia teórica (Nt) a través de la siguiente expresión:

Nt(kW) = Ch(kg./h) . HU(kcal/kg.) . EMC(m kg/kcal) . 9,81(w/m kg/s)3600(s/h) . 1000(w/kW)

Potencia indicada

Para determinar la potencia indicada (Ni) de un motor se hace referencia a algunas de sus características particulares, por lo que resulta un valor mas cierto que el de la potencia teórica, pero

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como no se toma en cuenta las pérdidas de energía sigue siendo solo un valor sin importancia para el usuario común.

Para determinar la potencia indicada (Ni), es necesario conocer la presión media indicada (pr.me.in) que resulta del ciclo de trabajo, la superficie del pistón (S), su carrera (C), el número de cilindros (Tc), el régimen de giro (n) y si es un motor de cuatro o de dos tiempos es decir si da 2 vueltas o 1 vuelta para completar el ciclo (2 ó 1 v).

Ni = pr.me.in (kg/cm 2 ) * S (cm 2 ) * C (cm ) * Tc * n (v/min.) * 9,81 (w/mkg/s) 60 (s/min.) . 2 ó 1 (v) . 1000 (w/kw)

Potencia efectiva

Es la potencia medida en el volante del motor, o sea, es la cantidad de W o kW, de la que el usuario dispone. Quedó expresado ya, que para que un motor funcione debe vencer los rozamientos internos y externos. Los rozamientos internos (o propios del motor), constituyen una pérdida de potencia que debe ser superada para que este funcione; suelen ser expresados como “potencia de fricción” (Nf).

La potencia efectiva se mide con un dinamómetro.

Existen dos tipos de dinamómetros: los de rotación y los de tracción. Los de rotación, como su nombre lo indica, se utilizan cuando el movimiento es rotativo para conocer: el par motor, el régimen y los consumos de combustible. Los de tracción se utilizan cuando el movimiento es lineal; se intercalan entre la barra de tiro del tractor y el implemento arrastrado, para conocer la fuerza que el tractor desarrolla para tirar del implemento.

Existen distintos tipos de dinamómetros de rotación. El más antiguo es el freno de Prony, pero cualquiera sea el tipo de freno usado, con él se determinan: el par motor, régimen y consumo horario de combustible. Determinados el par motor y el régimen, pueden conocerse también la potencia y el consumo específico.

Los dinamómetros permiten trazar las curvas características de un motor, es decir, posibilitan dibujar las curvas del par motor, potencia y consumos de combustible. Según el procedimiento seguido se distinguen dos potencias efectivas la SAE y la DIN. A continuación se presenta en forma gráfica la diferencia entre ellas.

A su izquierda potencia SAE, a su derecha potencia DIN

La potencia SAE (Society of Automotive Engineers) se determina en un ensayo prescindiendo de los sistemas auxiliares al funcionamiento del motor y que consumen esfuerzo, como generador eléctrico, filtro de aire, silenciador de caño de escape, bomba de agua y ventilador. El enfriamiento del motor para su funcionamiento esta provisto de forma externa.

La potencia DIN (Deutsche Industrie Norm) se determina también con un ensayo en freno dinamométrico, pero el motor tiene funcionando a todos los sistemas que los asisten pero le restan potencia.

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Por ello: en un motor la potencia SAE será de 100 kW, mientras la potencia DIN será de hasta 85 kW aproximadamente (la disminución puede llegar hasta un 15 %).

Otras normas de ensayo de las CEE, las ISO y las OCDE.

Con el dinamómetro rotativo, además de la potencia efectiva SAE o DIN en el motor, puede determinarse la potencia efectiva en la tdp

con un dinamómetro de tracción se determina la potencia efectiva en la barra de tiro.

La tdp es la salida de potencia en la que el usuario puede disponer del más alto valor de potencia, o lo que es igual: la tdp es la salida de potencia con menores pérdidas. La norma oficial que rige para este ensayo es la IRAM 8005. La potencia que el tractor transmite en la toma de potencia tiene un rango de entre el 90 y el 96% de la potencia del motor con la aceleración que corresponde.

La potencia en la barra de tiro expresa la capacidad del tractor de arrastrar implementos ejerciendo diferentes fuerzas a distintas velocidades de avance. La potencia en la barra de tiro es altamente variable, debido a que la potencia generada en el motor debe ser llevada hasta las ruedas y aplicada al suelo a través de los neumáticos. Las determinaciones varían con el tipo y condición del suelo, por lo tanto el ensayo no es repetible ni comparable. Si la determinación se efectúa sobre una pista de hormigón (ensayos normalizados), los resultados pueden comparase, pero los valores no responden a una verdadera situación agrícola.

Un dinamómetro de tracción permite conocer la “fuerza” ejercida en la barra de tiro, para conocer la potencia en la barra de tiro, durante el mismo ensayo se debe determinar la velocidad con que avanza el equipo.

CONSUMO DE COMBUSTIBLE

Cuando se acciona el acelerador, el régimen o velocidad del motor aumenta. El pasar desde el régimen de ralentí a un régimen mayor, se debe a que el quemado de una mayor cantidad de combustible libera más energía que es usada para aumentar el régimen.

El motor gira dentro de un rango de vueltas por minuto, por ejemplo 1000 v / min en el régimen de ralenti (cuando el motor “regula” sin ser acelerado) y 2400 v / min llamado en el “régimen de vacío máximo”.

El consumo de combustible es, como se dijo, proporcional al régimen del motor. Este consumo de combustible puede expresarse de dos maneras: como "consumo absoluto” llamado

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también consumo horario (Ch), o como “consumo relativo” a la potencia entregada llamado consumo específico (Ce).

El consumo horario de un motor es la cantidad de combustible utilizado durante una hora de funcionamiento a un régimen determinado con una carga dada y para una misma posición de la palanca del acelerador. Se expresa en l/h.

El consumo específico es la cantidad de combustible necesaria para generar la potencia de un CV (o kW) durante una hora a un régimen determinado. Se expresa en g/kW h.

Consumo específico

Por definición el consumo específico es la masa de combustible consumida por unidad de trabajo. Se mide en g/kWh (gramos consumidos para proporcionar un kilovatio durante una hora).

Para transformar la masa en volumen, hay que conocer la densidad normal del gasoil (está alrededor de 840 g/litro).

El consumo específico es una expresión del rendimiento de un motor ya que permite relacionar la energía absorbida (gramos de combustible con un poder calorífico conocido) con la energía mecánica generada (kW h).

El consumo de energía para la producción de trabajo mecánico, representa un elemento de máxima importancia en todas las operaciones agrícolas que requieran el uso de algún tipo de motor. Cuan menor es el consumo específico, mayor es el rendimiento.

En un motor ideal, el consumo de combustible sería proporcional a la velocidad del motor, ya que la cantidad de combustible inyectada en cada ciclo debería ser la misma. Por el mismo motivo: a) el par motor debería ser constante, b) la potencia proporcional a la velocidad y c) el consumo específico constante.

Otra forma de definir el consumo específico es hacerlo en forma inversa: la potencia dividida en el consumo horario. El resultado expresa la cantidad de kW generados por cada galón o litro de gasoil, por lo que un mayor valor numérico de consumo específico representa mayor eficiencia o rendimiento.

En la siguiente figura se grafica la curva de potencia (power) con el agregado de las líneas de isoconsumo con aceleración total (full throttle) y una aceleración menor (part throttle). Las líneas de isoconsumo, unen todos aquellos puntos en los que (obviamente), el consumo es igual.

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Las líneas de isoconsumo muestran que el mejor uso del combustible se presenta alrededor del régimen en donde el par motor máximo, zona en donde NO SE DEBE USAR EL MOTOR.

La mayor eficiencia volumétrica genera la mejor eficiencia en el uso del combustible.

Debe prestarse atención a los registros obtenidos en la zona de acción del regulador. Ellos son 16, 15, 14, 12 y 9 HP hora por cada galón de combustible. Analice y encuentre la razón por la cual los valores disminuyen mientras el régimen pasa de 2200 a 2400 vueltas por minuto.

A modo de ejemplo, en la figura se marcó el punto “A” en el cual el motor está trabajando con un consumo específico de 14 HP h / gal y genera el 70 % de su potencia (88 de los 127 HP).

Si se quiere mejorar la eficiencia con que trabaja, una posibilidad es utilizar la técnica “cambio arriba, acelerador abajo”. Así se pasa al punto “B” en donde el consumo específico de 16 HP h / gal y genera el 73% de su potencia (88 de los 121 HP).

Puede apreciarse en la figura que cuando se disminuye la aceleración (curva designada como “part throttle”) ocurre que la ZONA DE ACCIÓN DEL REGULADOR SE DESPLAZA hacia la izquierda y queda establecida por los nuevos regimenes de vacío máximo y potencia máxima (2000 y 1800 v/min respectivamente). Cuando se carga al motor la potencia crece hasta alcanzar la curva original, pero la máxima potencia generada será 121 HP y no 127 como con la aceleración máxima.

En la figura siguiente, se presenta el resultado de “cambio arriba – acelerador abajo” pasando de “a” hacia “b” y por lo tanto cambiando la línea de isoconsumo 14 por la de 16 HP h / galón.

En la próxima figura se grafican las curvas de par motor (torque) y potencia (power) con el agregado de las líneas de isoconsumo.

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En el dimensionamiento de un tractor la potencia de su motor se calcula para que trabaje en la zona de acción del regulador y entregue entre el 85 y el 95 % de su potencia en la tarea más “pesada”.

REPASO Y MAYOR COMPRENSIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

A diferencia de un automóvil, el motor de un tractor debe ser acelerado antes de ponerlo bajo carga. El esfuerzo que debe realizar el motor (o sea el par motor que debe generar) para vencer por ejemplo, la resistencia de un cincel DEBE ESTAR DISPONIBLE ANTES DE HACER EL ESFUERZO de lo contrario el motor se plantará. Debido a ésta característica, las curvas de un motor se “leen” de derecha a izquierda

Cuando se acelera el motor al máximo y el tractor esta estático, el régimen del motor llegará a su máximo (2400 vueltas en el ejemplo de la figura). Este número de vueltas recibe el nombre de “régimen de vacío máximo” en donde: como el par motor “entregado” es cero, la potencia generada será también cero.

Al colocar una marcha y hacer que el tractor se desplace es decir cuando el tractor y/o el implemento requieren potencia, recién se entrega par motor y por tanto el motor comienza a generar potencia mientras el régimen cae.

El requerimiento de más y más potencia por parte del implemento es la causa de que la potencia aumente aunque el régimen este cayendo. La potencia aumenta hasta llegar a su máximo valor. Como se dijo el número de vueltas al cual un motor entrega su máxima potencia recibe el nombre de “régimen de potencia máxima” (2200 vueltas en el ejemplo)

Estos dos regímenes: el de vacío máximo y el de potencia máxima limitan lo que se conoce como ZONA DE ACCIÓN DEL REGULADOR O ZONA DE USO DEL MOTOR.

Este nombre surge porque al comenzar a caer el régimen el regulador de combustible de la bomba de inyección aumenta la cantidad de combustible inyectado y finaliza su acción (porque

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termina su capacidad de hacer ingresar más combustible) en el régimen en el cual la potencia es máxima.

En resumen: el regulador “trabaja” (hace ingresar gasoil extra) mientras el régimen cae desde las 2400 vueltas hasta las 2200 vueltas, a las que el motor entrega la máxima potencia (127 HP), o sea que en la zona de acción del regulador, la potencia aumenta de cero a 127 HP y el régimen cae de 2400 a 2200 vueltas por minuto.

Operar el motor con una carga parcial (exigirle menos del cien por cien de la potencia que puede entregar) significa que trabajará en algún punto sobre la parte con más pendiente de la curva, a la derecha del régimen nominal (dentro de la zona de uso).

El rango en v min –1 de esta zona, es de entre el 8 y el 10% de las vueltas del régimen nominal. La zona de acción del regulador, es la zona de utilización del motor (también se denomina zona de carga parcial).

En la figura, se pueden distinguir: el régimen de “vacío máximo” que es de 2400 v min –1

el régimen de “potencia máxima” (aquel en el que el motor entrega su máxima potencia 127 CV), que es 2200 v min –1.

el régimen de ralentí (debajo del cual el motor no funciona) que es de 1000 v min –1

¿Que ocurre cuando el motor no se acelera al máximo?, ¿la potencia generada es la misma? ¿los regímenes son iguales?.

La respuesta está en la siguiente figura: cuando el motor es accionado con el acelerador en alguna posición intermedia, el régimen de vacío no será 2400 sino de 2000 v min –1. Si la tarea lo exige alcanzará la curva de potencia pero será menos de 127 HP.

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El regulador de combustible actuará siempre “de la misma manera”. Ello significa que el regulador actuará siempre pero en el régimen que el operador seleccione cuando desplace la palanca del acelerador. Como la nueva velocidad del motor (régimen) será menor, la potencia generada no será la máxima.

El motor debe trabajar en la zona empinada de la curva a la derecha del régimen nominal o de potencia máxima. El motor no debe ser usado a la izquierda del régimen de potencia máxima.

COMPORTAMIENTO DEL MOTOR

Algunas de las características de los motores Diesel usados en tractores, ya mencionadas y que deben tenerse presente son:

la cantidad de aire que ingresa al cilindro es aproximadamente constante el combustible es inyectado “directamente” en el cilindro tienen una alta relación de compresión la ignición o quemado del combustible se origina en que la alta temperatura del aire al final de

la carrera de compresión es mayor que la temperatura de autoencendido del gasoil.

Un motor, para funcionar debe vencer los “rozamientos internos” y para arrastrar un implemento debe vencer la “carga externa” que este le impone.

La carga externa que soporta un motor, se define como el cociente entre la potencia que está desarrollando en un determinado régimen y la máxima potencia que puede desarrollar a ese mismo régimen (r). Se lo denomina normalmente “estado de carga” de un motor.

ELASTICIDAD de un motor es una variable que resulta del cociente entre sus valores de par motor y régimen según la siguiente expresión:

DondePM1 es el par motor en el régimen de potencia máximaPM2 es el par motor en el régimen de par motor máximoN1 es el régimen cuando la potencia es máximaN2 es el régimen cuando el par motor es máximo

La elasticidad de un motor tiene un rango de valores entre 1,5 (motor poco elástico) y 4,5 (motor muy elástico). Cuanto más elástico es un motor, mayor es su capacidad para superar

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variaciones extras de carga (o lo qua es igual no se detiene ante sobreesfuerzos) pero peor es el quemado de combustible en sus cilindros.

Ud. debe imaginarse conduciendo un vehículo con el motor girando a un régimen constante (no podrá acelerar ni desacelerar) y debe afrontar tres situaciones:

sobre una carretera con pendiente cero. debe subir un plano inclinado debe bajar una pendiente

en cada caso, el efecto sobre el régimen será distinto si se cumple la condición de régimen constante (no aumenta la aceleración).

En el primer caso no se produce variación alguna, el régimen permanece inalterado.

En el segundo, subir el plano inclinado representa una carga extra para el motor, se rompe el equilibrio entre el par motor generado y la carga externa con que avanzaba. El motor como respuesta, disminuirá su régimen (aumentando el par motor o fuerza) en un intento por conseguir otra situación de equilibrio.

En el caso tres, con el equilibrio también roto, pero por la situación inversa (disminución de la carga externa) el motor aumentará su régimen en busca siempre de un nuevo equilibrio.

El aumento del régimen es siempre consecuencia de una disminución en la carga impuesta o de una mayor cantidad de combustible quemado.

A la inversa la disminución del régimen, es consecuencia siempre de un aumento a la carga impuesta o disminución del combustible quemado.

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