O poder das turbinas nos motores a Diesel

A otimização e o aumento da eficiência dos motores de máquinas agrícolas vêm se tornando cada vez mais atrativos ao mercado e ao produtor rural. Essas máquinas são as principais forças motrizes no campo, seja em trabalhos únicos ou acompanhados de um implemento, e nesse conjunto se exige uma maior potência, o que acarreta ao produtor procurar o desempenho que se encaixe à operação destinada.

Como a reserva de torque, o rendimento da barra de tração e a tomada de potência influenciam no adequado funcionamento do trator agrícola, estas características relacionadas ao torque são as primeiras a serem analisadas. Seja na hora de aprimorar o maquinário da propriedade ou na aquisição de novos, o produtor deve considerar as necessidades do seu trabalho e observar atentamente as especificações técnicas das máquinas, pois a escolha do equipamento corretamente dimensionado é crucial para o sucesso das operações.

Atualmente, o motor de combustão interna a Diesel é o principal utilizado na agricultura, devido às suas características únicas, em virtude de seu funcionamento baseado na explosão proveniente da mistura de ar e combustível em alta temperatura. A explosão constante gera um maior período de trabalho e capacidade de torque superior, característica fundamental em uma máquina cuja finalidade é fornecer potência.

Em catálogos de fabricantes de tratores agrícolas é comum entre as classificações de motores estarem os valores de reserva de torque, sendo uma característica que define sua versatilidade de uso, ou seja, a capacidade de aumentar o torque à medida que ocorre a diminuição na rotação do motor devido a um esforço adicional. Quanto maior essa reserva, melhor é a adequação do motor ao seu uso nas operações agrícolas.

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Reserva de torque

A reserva de torque é a diferença entre o torque máximo do motor e o torque da potência máxima que pode ser calculada pela seguinte equação:

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

Onde:
RT - Reserva de torque
TM - Torque máximo
TPM - Torque na potência

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Em um motor aspirado convencional, o ar chega aos cilindros pela pressão atmosférica e, no caso dos motores turbo, uma turbina é usada para fornecer o ar pressurizado aproveitando os gases de escape. Desta forma, o motor Diesel com turbocompressor pode apresentar reserva de torque superior a 15%, o que gera ganhos operacionais e energéticos.

O conceito a que se atribui o turbocompressor é o aproveitamento dos gases que seriam eliminados no escape para direcionamento ao motor, isso aumenta a pressão dentro dos cilindros, que otimiza a combustão e, consequentemente, gera mais torque. Os turbocompressores mais conhecidos são de geometria fixa (popularmente conhecido como simples), biturbo e de geometria variável. Todos partem do mesmo princípio de funcionamento, porém cada um possui suas particularidades.

Os motores sobrealimentados podem gerar temperaturas elevadas que não são vantajosas ao sistema, pois quanto maior a temperatura do ar, menor sua massa específica e consequentemente há uma diminuição da quantidade de comburente, que prejudica a explosão. Em consequência disso, o sistema alimentador necessita de um permutador intermediário de calor, conhecido como Intercooler, sua função é diminuir a temperatura do ar comprimido para que sua densidade e a eficiência do turbocompressor sejam maiores.

MOTOR TURBO GEOMETRIA FIXA

O turbocompressor de geometria fixa é constituído de apenas uma turbina, que captura o ar da atmosfera e pressuriza, elevando a densidade do ar e direcionando para a entrada do cilindro do motor. O tamanho dessa turbina pode variar com o torque desejado, e a potência gerada será de acordo com o seu tamanho (turbinas grandes geram potências superiores), porém deve se observar no momento da aquisição as características dimensionais, por exemplo, turbinas maiores resultam em períodos mais longos para atingir o torque máximo.

MOTORES BITURBO

O motor biturbo possui maior eficiência em comparação a um único turbo de geometria fixa, visto que oferece um torque alto em baixas rotações. Como o próprio nome já sugere, tem por finalidade a utilização de duas turbinas, e pode ser uma boa opção em casos que não se deseja, ou não é viável, a utilização de uma turbina grande. O funcionamento se baseia em duas turbinas de igual ou diferentes tamanhos, que proporcionam força mais rapidamente, pois o pico do torque é atingido em baixas rotações. As configurações podem ser do tipo paralelo ou sequencial.

O biturbo paralelo possui as duas turbinas do mesmo tamanho, que não estão conectadas entre si, assim os fluxos de ar são unidos apenas no intercooler, caso o motor possua, ou na tubulação de admissão. A vantagem desse sistema é que atingirá a mesma quantidade de torque de uma turbina de grande porte, porém em baixas rotações.

Uma alternativa disponível no mercado é o biturbo sequencial, que dispõe de duas turbinas de dimensões diferentes, onde a pequena vai oferecer alto torque em baixas e médias rotações, visto que, devido ao seu tamanho, alcança o ponto de eficiência mais rapidamente, e a maior vai atingir seu pico em rotações médias e altas, mantendo a eficiência do motor. Esse sistema possui outro diferencial que são as válvulas by pass, presentes na admissão e escape. A vantagem desse processo é que o motor vai manter um torque plano, atingindo o pico rapidamente em baixas rotações e permanecendo estável.

GEOMETRIA VARIÁVEL

O turbo de geometria variável possui a maior eficiência em relação ao de geometria fixa, pois minimiza o turbo lag, também conhecido como atraso do turbo, compreendendo o período que a turbina desenvolve para alcançar o seu ponto de eficiência. Esse sistema permite suportar um alto fluxo de gases, mediante as aletas móveis serem orientadas a abrir e fechar. Quando o motor está em baixas rotações o fluxo de ar é menor, consequentemente as aletas se fecham para aumentar a pressão dos gases e o motor atingir sua eficiência rapidamente. Com a alta pressão dos gases, estas aletas se abrem para o alívio do motor, mantendo o torque constante.

A equipe do Laboratório de Adequação de Tratores Agrícolas (Lata-UFPR) conduziu pesquisas com turbinas em diferentes condições de campo. A fim de demonstrar a eficiência de sistemas variados, possibilitando o correto dimensionamento dos conjuntos mecanizados.

Oiole et al. (2019), com o objetivo de avaliar o desempenho energético de um trator agrícola em operação de gradagem intermediária em duas inclinações e três configurações de bitola, utilizaram o modelo T6050 série Plus, da New Holland, com potência nominal (ISO TR 14396) de 93 kW, equipado com turbina de geometria fixa. Observaram que a maior pressão do turbo foi atingida com a configuração de bitola fechada em área plana, resultando no aumento do rendimento termodinâmico.

Strapasson Neto et al. (2020), ao avaliarem a interferência do número de válvulas de controle remoto em uso no sistema operacional e desempenho energético de um trator, utilizaram o modelo Magnum 340, da Case IH, com potência nominal (ISO TR 14396) de 250kW e potência extra de 275kW, equipado com turbina de geometria variável e rodados duplos na dianteira e traseira. Observaram que a turbina de geometria variável com uma válvula de controle remoto apresentou resultados superiores, devido ao aumento da eficiência energética, consequência da maior pressão da turbina e diminuição do consumo específico de combustível.

Gabriel Ganancini Zimmermann
Thais Alves dos Santos
Filipe Afonso Ingles
William Santiago de Mendonça
Daniel Savi
Samir Paulo Jasper,
Lata - UFPR