Motores turbinados de tratores

Turbinar o motor de um trator certamente é uma tentação para muitos produtores. No entanto, para se obter o efeito desejado, deve-se ir além da simples sobrealimentação de ar no sistema de combustão.

Ainda, muitos agricultores, no momento da aquisição, levam em consideração o motor dos tratores agrícolas como referência para comparações, onde as principais especificações observadas dizem respeito à marca e ao modelo do motor, ao número de cilindros, ao volume interno deslocado (cilindrada), à aspiração e aos valores de torque e potência. Estes valores representam as principais características do desempenho do motor e são conhecidos por meio de ensaios dinamométricos.

O grupo de pesquisa do Laboratório de Agrotecnologia (Agrotec), vinculado ao Núcleo de Ensaios de Máquinas Agrícolas (Nema) da UFSM, trabalha na consolidação de uma proposta ampla de trabalho, visando imprimir uma rotina de ensaios que melhor caracterizem os tratores utilizados na região. A partir da realização deste tipo de avaliação em tratores pode-se obter, por exemplo, a realidade encontrada no momento da execução de uma operação agrícola.

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A fim de aumentar a potência de um motor aspirado, geralmente abaixo de 80cv, alguns agricultores contratam empresas especializadas que disponibilizam kits para a sobrealimentação de ar, os quais podem ser instalados em motores de tratores novos ou usados. Esta prática proporciona um aumento da potência do motor a um baixo custo, o que resulta em uma boa relação custo-benefício, uma vez que estes kits servem para introduzir no cilindro um volume de ar superior ao correspondente à aspiração natural.

O compressor centrífugo, do tipo turbocompressor, popularmente chamado de turbo, é um sistema que aproveita a energia dos gases de escape para movimentar uma turbina, instalada na entrada do sistema de admissão de ar do motor. Essa turbina faz a sucção do ar atmosférico (oxigênio) e o conduz, sob pressão, para o interior do cilindro, obtendo-se assim maior potência para um mesmo volume interno deslocado.

De acordo com alguns pesquisadores, a maior quantidade de ar possibilita um melhor funcionamento do motor diesel, e isto oferece, entre outras, a vantagem de poder utilizar combustíveis de pior qualidade para aumentar a potência do motor, pois quanto maior é o volume de ar admitido, mais fácil se obtém a combustão total da carga de combustível.

Contudo, para se conseguir ganhos significativos de potência do motor, além do aumento do volume de ar, obtido por meio da adição do kit, também se faz necessário incrementar o volume de combustível injetado na câmara de combustão. Estas modificações fazem com que o consumo específico de combustível seja reduzido, em função da melhor relação estequiométrica (mistura ar/combustível), proporcionando aumento da eficiência térmica do motor.

Devido à necessidade de quantificar o efeito da adição do turbo no desempenho de um motor agrícola, foi desenvolvido um trabalho que teve como objetivo determinar os valores de torque, a potência e o consumo de combustível, com diferentes configurações do sistema de alimentação de ar e de combustível do motor.

COLETA DE DADOS

O experimento foi realizado utilizando um trator da marca Massey Ferguson, modelo MF 4275, equipado com motor Perkins, modelo 1104A-44 de quatro cilindros, 4,4L de volume deslocado, aspiração natural com potência e torque máximo de 75cv e 275Nm, respectivamente, sob a norma ISO TR 14396, segundo informações do fabricante. A bomba injetora de combustível que equipa o motor é mecânica do tipo rotativa, da marca Delphi.

Para os testes, utilizou-se um freio dinamométrico móvel de correntes parasitas, marca EGGERS, modelo PT 301 MES. Por meio deste, coletaram-se os valores de torque e potência máxima do motor. O consumo de combustível foi medido por meio de um fluxômetro da marca Eggers, modelo FM3-100. Para a coleta de dados foi utilizado o software Eggers Power Control, que gerencia o uso do dinamômetro e do fluxômetro.

Antes de iniciar as avaliações, com o objetivo de atingir a temperatura ótima de funcionamento, utilizando o freio dinamométrico, foi imposta carga ao motor, pelo período de 20 minutos. Como as medições foram realizadas na TDP do trator, e considerando que segundo a norma Asae EP496.2 (2003) existem perdas de potência da transmissão do motor até a TDP (10%), esse percentual foi adicionado aos valores observados de torque e potência.

Foram realizadas intervenções no motor para poder estabelecer o fator configuração do sistema de alimentação de ar e de combustível: C1. O motor foi avaliado na sua configuração original de fabricação; C2. Foi realizada a regulagem da bomba injetora em uma bancada de testes, onde a carga de óleo diesel passou de 67ml a 800rpm da bomba injetora para 74ml (aumento de 10%); C3. Um kit para a sobrealimentação de ar, da marca Master Power, modelo APL 240, com pressão de admissão de 1bar, foi instalado após o serviço realizado na bomba injetora; C4. Com o turbo instalado, retornou-se à carga original de óleo diesel injetada pela bomba.

Os valores médios das variáveis de desempenho do motor (Tabela 2) foram submetidos à análise estatística para verificar a significância das diferenças entre as quatro configurações avaliadas (C1, C2, C3 e C4), em um delineamento experimental inteiramente casualizado, com três repetições.

RESULTADOS DE TORQUE

O aumento de torque do motor está diretamente relacionado com o volume de combustível injetado no interior da câmara de combustão. Conforme pode ser observado na Figura 1a, o maior torque obtido foi na rotação de 1.200rpm, para as quatro configurações avaliadas.

Ainda, é possível constatar que o menor e o maior torques, respectivamente, foram obtidos na configuração original do motor (295,90Nm) e na configuração de turbo + bomba (361,17Nm). Neste sentido, é possível inferir que ao aumentar o débito de óleo diesel da bomba injetora e ao adicionar o turbo, houve um acréscimo de 22% no torque máximo do motor.

É importante ressaltar que a adição de turbo sem aumentar o volume de débito da bomba injetora (C4), não apresenta ganho significativo no torque quando comparado à configuração C2 (aspirado + bomba). No entanto, quando se analisam apenas estas duas configurações, por meio da Figura 1d, o consumo específico de combustível é menor na configuração C4. Isto é, com a adição de turbo sem o aumento do débito na bomba o motor trabalha de forma econômica, e sua capacidade de reação frente a uma sobrecarga momentânea será semelhante para ambas as configurações (C2 e C4).

RESULTADOS DE POTÊNCIA

Para o correto dimensionamento do conjunto mecanizado (trator + implemento), é de suma importância que se conheça o tipo de solo que serão realizadas as operações agrícolas, o implemento a ser tracionado e a potência do motor. Neste sentido, existe a possibilidade que se obtenham ganhos em potência quando se utilizam técnicas adequadas na intervenção mecânica como: adição de turbo e/ou aumento do débito de combustível da bomba injetora.

No entanto, muitas vezes, pode-se observar que na grande maioria dos tratores nos quais são instalados os kits de turbo, não há regulagem da bomba injetora, fazendo com que a mistura ar/combustível (relação estequiométrica) não seja adequada, implicando, desta forma, ganho nulo ou muito pequeno na potência nominal do motor.

Ao analisar a Figura 1b, é possível constatar que a potência máxima foi obtida na rotação de 2.100rpm do motor, para todas configurações utilizadas. De forma semelhante ao observado para o torque, a menor e a maior potência ocorreram nas configurações C1 e C3, respectivamente. Assim, justifica-se a importância de se configurar adequadamente a bomba injetora após adicionar o turbo.

É importante evidenciar que apenas a adição do turbo, sem intervenção na bomba injetora, representa ganho insignificante de potência em relação à configuração original do motor, resultando em acréscimo de 5,93%, pois é injetado na câmara de combustão um volume maior de ar, para uma mesma quantidade de combustível.

Ao considerar os valores médios, apresentados na Tabela 2, o ganho de potência em relação à configuração original (66,38cv), para a configuração C2 representa 1,13 vez maior (75,38cv), para a configuração C3 é de 1,23 vez maior (82,08cv), já para a configuração C4, apenas 1,07 vez maior (70,82cv). Lembrando que são valores médios, referentes a toda faixa de rotação do motor avaliada. O máximo valor de potência (92,93cv a 2.100rpm) foi obtido para a configuração C3 (turbo + bomba).

Consumo de combustível

Ao analisar a Figura 1c, percebe-se que com o aumento do débito da bomba injetora, com ou sem adição do turbo, tem-se um maior consumo de combustível, como pode ser observado na Tabela 2, visto que em ambas as configurações (C2 e C3) o consumo horário foi superior a 16L/h. No entanto, a título de comparação, deve ser levada em consideração a potência gerada pelo motor. Assim pelo fato de as configurações C2 e C3 apresentarem os maiores valores médios de potência nominal, 75,38cv e 82,08cv, respectivamente, estes maiores valores de consumo horário de combustível representam uma melhor conversão energética, quando comparado com as configurações C1 e C4.

Em suma, para ser avaliado e comparado o consumo de combustível de um motor agrícola, é importante que seja levado em consideração o consumo específico (Figura 1d), pois considera o consumo de combustível para gerar 1cv por hora. Desta maneira, como pode ser observado na Tabela 2, o menor consumo específico de combustível foi obtido na configuração C3 (turbo + bomba), que entrega maior potência do motor avaliado.

Considerações finais

Conclui-se que, a sobrealimentação de ar e combustível do motor, em relação à configuração original, proporciona aumento significativo do torque e da potência. Somente a adição de turbo não causa efeito significativo no desempenho do motor.

Ressalta-se a importância de ter prudência, seguindo, preferencialmente, a recomendação de cada fabricante, para evitar danos no chassi, nos componentes da transmissão do trator e no sistema de arrefecimento do motor.

Marcelo Silveira de Farias, José Fernando Schlosser, Alfran Tellechea Martini, Juan Paulo Barbieri, Nema – UFSM

Artigo publicado na edição 175 da Cultivar Máquina