Jornada: Uso sostenible de los tractores agrícolas

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.
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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 de tracción de un tractor que no avanza es nula. Toda la
potencia que suministra el motor se pierde.
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
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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
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).
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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Utilizando la turboalimentación se pueden conseguir aumentos en la
potencia suministrada por el motor como se indica en el gráfico.
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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.
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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.
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En el esquema se presentan las diferentes mejoras tecnológicas que
permiten reducir las emisiones de gases contaminantes en el escape
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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.
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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)
¿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)
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.
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Las diferentes operaciones agrícolas exigen velocidades de trabajo
diferentes y demandan que el motor proporcione potencias diferentes,
como se indica en la figura.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
Otra alternativa que permite utilizar las transmisiones hidrostáticas es la
“división de potencia” entre dos ramas en paralelo que se juntan a la
salida.
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.
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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.
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.
Esta caja se caracteriza por su pequeño tamaño y su simplicidad
constructiva.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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Aplicación de las transmisiones eléctricas a diferentes tractores agrícolas
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Toma de fuerza infinitamente variable conseguida electrónicamente
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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.
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Sistemas con bombas de caudal variable para reducir las pérdidas en el
sistema hidráulico (load sensing).
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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
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El control de los aperos se realiza automáticamente para reducir el
patinamiento mejorando la eficiencia energética.
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Es posible programar diferentes sistemas que actúen de forma
automática (gestión de cabeceras, guiado automático, etc.)
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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.
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La eficiencia energética no solo depende de la que ofrece el motor, sino
que también influye la transmisión y los elementos de propulsión.
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.
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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.
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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.
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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.
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.
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Aumentando la superficie de apoyo se mejora la capacidad de tracción.
Los neumáticos radiales proporcionan mayor superficie de apoyo
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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.
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Aumentando la flexibilidad de los flancos del neumático se puede reducir
la resistencia a la rodadura, con lo que aumentaría la eficiencia en
tracción.
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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.
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También se ofrecen sistemas que permiten modificar la presión de inflado
con el vehículo en movimiento.
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.
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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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