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DE NUEVOLOS MOTORES

Los motores están

permanentemente de

actualidad. Durante los

últimos años, los

fabricantes se han visto

obligados a afrontar

importantes inversiones

para adecuar la oferta a

las exigentes directivas

que han ido entrando en

vigor. La próxima, en lo

que se refiere a los

tractores agrícolas de

menos de 130 kW, sitúa

en 2012 el horizonte para

adaptarse al nivel deemisiones 3B, lo que está

suponiendo laincorporación de nuevas

tecnologías.

LU/S MÁRQUEZ

on la entrada delmotor diésel en lostractores agrícolas,se inicia un camino

del que no se han separado losfabricantes a lo largo de su histo-

ria. La robustez y la simplicidad

constructiva de los primeros mo-

tores diésel permitieron despla-zar a sus 'competidores', aunquela eficiencia en el aprovecha-miento del combustible era baja,pero tampoco oponían resisten-cia a la utilización de gasóleo debaja calidad, o incluso a un acei-te vegetal.

Cuando se pasa de los moto-res 'semidiésel', en los que la ig-

nición se consigue al pulverizarel gasóleo sobre una superficiecaliente (cabeza del cilindrol, alos de inyección por presión conprecámara, el diseño y la fabrica-ción de la bomba inyectora y delos propios inyectores, encarecela fabricación del motor, pero a lavez se hace más eficiente en elaprovechamiento del combusti-

74DICIEMBRE 2008 agi0(f'C/NCQ

eble y aumenta su potencia espe-cífica. Esta evolución continúacon la inyección directa, que aúnmejora las prestaciones y haceque el motor reduzca su consu-mo específico, pero también quesea más exigente en la calidaddel combustible que necesita pa-ra su funcionamiento.

Con el paso del tiempo se ha

podido apreciar que los motores

para los tractores agrícolas au-

mentan en potencia y su consu-

mo específico se reduce año

tras año. La eficiencia del motor

mejora como consecuencia del

aumento de la presión de inyec-ción y de la incorporación del tur-

bocompresor con refrigeración

del aire de admisión. Esto era

una consecuencia de la mejora

de la mezcla del combustible

con el aire en los cilindros, lo que

debe de hacerse en un periodo

de tiempo muy corto, y el mejor

Ilenado de los cilindros en unos

motores en los que la cantidad

de aire necesaria para conseguir

una buena combustión tenía queser muy superior a la imprescin-dible para suministrar el oxígeno

que se precisaba para la misma.En estas circunstancias, cuan-

do se ensayaban motores, ade-más de la potencia máxima que

podían suministrar, la determina-ción de su consumo específico

servía para valorar su eficiencia

energética. Cuando se intentaba

'sacar más potencia' el consumo

específico aumentaba, a la vezque los humos (partículas del

combustible sin quemar) en el es-cape indicaban claramente que se

estaba sobrepasando los límitesde lo razonable.

I La limitación de humosen el escape

La limitación en los humos en

el escape fue la referencia para

verificar la eficiencia de los moto-res, a la vez que se controlaban

las emisiones a la atmósfera, ylos fabricantes optimizaron los di-seños para conseguir, dentro de

agrorécnica

los límites establecidos, la máxi-ma eficiencia. Si bien la limitaciónestablecida sobre los humos im-pedía superar determinados nive-les de potencia en función de lacilindrada, salvo que se aumenta-ra la sobrepresión del 'turbo', elbajo nivel de humos indicaba queel motor era eficiente por su me-nor consumo específico.

Estas fueron las reglas quese aplicaban hasta los finales delsiglo XX, pero se puede decirque las autoridades administrati-vas las cambiaron de golpe, yaque decidieron aplicar a los mo-tores de los vehículos extravia-rios, como los tractores agríco-las, las limitaciones que teníanprogramadas para los vehículosque circulan por las carreteras ylas calles de las ciudades (vehí-culos viarios).

Pero los motores para auto-

móviles y camiones y para trac-

tores agrícolas no son iguales, ya

que en un tractor se necesita po-

tencia y par motor a bajo régi-

men de funcionamiento, paratrabajar a régimen constante y aalto nivel de carga durante mu-

chas horas por día, mientras que

en el vehículo de carretera el ré-

gimen de funcionamiento delmotor es elevado (la demanda

o.so0.55

0.50

,^ 0.45

^ 0.40

^ 0.35V

^0.30

a 0.250.20

0.1 s0.10

0.05

o.oo

de potencia aumenta con la velo-

cidad de marcha) y generalmen-

te trabaja con cargas y régimen

de funcionamiento variable.

De esta forma los motoresde los tractores agrícolas, que enlos últimos tiempos habían teni-do una importancia secundariaen la investigación aplicada querealizan los fabricantes de tracto-res, se convirtieron, de un día pa-ra otro, en el punto crítico de lasempresas para competir en elmercado de los países más de-sarrollados, que son los que im-pusieron las limitaciones.

En un periodo de menos de

10 años, para motores de menos

de 130 kW (177 CV) de potencia,

que son los más utilizados en los

tractores agrícolas, se pasa de

un limite de partículas en los ga-

ses de escape de más de 0.5

g/kWh a 0.2 g/kWh, pero, lo mas

importante, de 9 g/kWh de NOx

en el 1997 (Unión Europea), a só-

l0 4 g/kWh en el 2008.

Si a esto se le suma el calen-dario de reducción previsto, seexplica la preocupación de la in-dustria del tractor agrícola, y losrecursos que todos están dedi-cando en investigación y desa-rrollo para no quedar fuera delmercado.

FIGURA 1.- LIMITACIONES PARA LAS EMISIONES DELOS MOTORES EN LOS TRACTORES AGRÍCOLAS

0 ?' 2

EU Stage-3B > 130 kW (2011)US Tier-4 > 130 kW (2011)

EU Stage-1 (1997)US Tier-1 (2000)

EU Stage-2 (2004)US Tier-2 (2004)(Pc74kW)

3^, 4 5 6 7

NOx (g/kWh]

EU Stage-38 < 130 kW (2012)US Tier-4 < 130 kW (2012)

8 9 10

Fuente: CEMA - Agrievolution 2008

DICIEMBRE 2008

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Óxidos de nitrógeno enel escape de losmotores

En la combustión de un hi-drocarburo como es el gasóleo,el combustible presente en el ci-lindro del motor reaccionaría conel oxígeno del aire para dar C02y agua. En principio, el nitróge-no, que forma parte en un eleva-do porcentaje del aire que entraen el motor, debería de quedarinalterado.

Sin embargo, dada la rapidezen la que se realiza la mezcla y elproceso de combustión, la reac-ción no es tan perfecta. Apare-cen otros elementos como elC0, parte del combustible sinquemar, partículas procedentesde la combustión y óxidos de ni-trógeno (NOx), estos últimos co-mo consecuencia de la reaccióndel nitrógeno del aire por las al-tas temperaturas que se alcan-zan en la combustión. Dado quela temperatura alcanzada es máselevada a medida que aumentala eficiencia de los motores, losóxidos de nitrógeno siempretendrían que ir unidos a ellos.Hacer motores menos eficientespara reducir la emisión de óxidosde nitrógeno en los gases de es-

cape no es una solución quepueda agradar a los usuarios delos tractores.

La tecnología hace posiblediseñar motores más eficientesa la vez que se limitan las emi-siones, pero esto tiene un coste,y puede condicionar la 'fiabilidad'de los motores, especialmentecuando tienen que trabajar en si-tuaciones en las que el manteni-miento, o el combustible dispo-nible, no está a la altura que lanueva tecnología exige.

Muchos años de experienciahan puesto de manifiesto quelos motores con precámara ex-pulsan menos NOx que los mo-tores de inyección directa, peroconsumen algo más de combus-tible, a la vez que el movimientodel aire en contra de la inyeccióndel combustible favorece la mez-cla y una combustión completa.

^ LA TEMPERATURA

ALCANZADA ES MÁS

ELEVADA A MEDIDA QUE

AUM E NTA LA

EFICIENCIA DE LOS

MOTORES YTA MBIÉ N

LOS ÓXIDOS DE

N ITRÓ GE NO

Por otra parte, una inyecciónretardada disminuye la emisiónde óxidos de nitrógeno y el ma-yor retardo aumenta el consumode combustible. Así, la variaciónde 1° en el ángulo del cig Ĵeñalsobre el valor nominal de co-mienzo de la inyección puedeelevar las emisiones de NOx yde hidrocarburos sin quemar en-

tre el 5 y el 15%.

La elevada sensibilidad en lavariación del ángulo de inyecciónobliga a una regulación muy pre-cisa de los ciclos de inyección(preferentemente regulación

electrónica y marca en el cigiie-ñal), y se consigue gran precisiónsi el inicio de la inyección se mi-de directamente en el inyector.

Por otra parte, la temperatu-ra del aire aspirado afecta a laemisión de gases, por lo que elenfriamiento del aire comprimi-do en los motores turboalimen-tados es efectivo para reducir lasemisiones de NOx.

Un motor diésel necesita,para conseguir una combustióncompleta, contar con aire en ex-ceso, pero como alternativa sepuede recurrir a la retroalimenta-ción parcial de los gases de es-cape (válvula EGR1, de maneraque si el aire aspirado se mezclacon gases de escape se reducela entrada de oxígeno en la ali-mentación y se eleva su calor es-pecífico, lo que reduce la tempe-ratura de combustión (menor for-mación de NOx) y la cantidad degases de escape expulsados,aunque la cantidad de gases re-circulados debe de estar limitadapara disponer de oxígeno sufi-ciente en la cámara de combus-tión para el gasóleo inyectado.

También se puede recurrir altratamiento posterior de los ga-ses de escape empleando catali-zadores. AI ser un tratamiento'posterior' y en la salida de losgases de escape, se dispone delibertad para hacer el motor máseficiente, con menor consumoespecífico de combustible.

En los números dede Febrero de 2007 y de abril de

2006 se analizan las opcionesque actualmente se utilizan parareducir las emisiones de gases

de escape en los motores de lostractores agrícolas. Se puede ob-

tener estos artículos en:

http://vvww.mapa.es/es/minis-

terio/pags/Biblioteca/revistas/art d

atos.asp?articuloid=1694&codre-

vista=Agrotec

http://www.mapa.es/es/minis-terio/pags/Biblioteca/revistas/art d

atos.asp?a rticu Ioid=1540&cod re-vista=Agrotec

76DICIEMBRE 2008 agi0(éCIt1CQ

0

Objetivos: Euro 3B yI Euro 4

EI escaso tiempo que quedapara adaptar los motores de lostractores agrícolas al nivel de emi-siones 3B, que para los de menosde 130 kW de potencia entra envigor en el 2012, está obligando alos fabricantes a incorporar nue-vas tecnologías, como la reduc-ción catalítica de los gases de es-cape (SCRI que ya ha Ilegado almercado de la mano de AGCO Si-su en los Citius que equipan a lostractores Massey Fergusson de laserie 8600, así como en otrosmodelos de Valtra.

La tecnología utilizada, pro-cedente de Bosch, ya incorpora-da en motores de camión, recu-rre a la inyección precisa de ureaen un catalizador al que Ileganlos gases de escape proceden-tes del motor.

Los sistemas que se están

utilizando en motores para ca-

mión suelen incluir un cataliza-

dor de oxidación en el que el CO

se transforma en COZ y una par-te del monóxido de nitrógeno se

convierte en óxido de nitrógeno

(NOZ1, a la vez que se produce la

post-combustión de los hidrocar-buros no quemados IHC) que se

convierten en C02 y vapor deagua. Seguidamente se sitúa un

filtro de partículas, que puede re-

tener hasta el 90% de las partí-

culas sólidas que lo atraviesan yque se tienen que regenerar de

forma periódica y continua para

evitar que queden colmatados.En la última etapa se sitúa

un catalizador reductor selectivoque convierte los óxidos de ni-

trógeno (NOx) en nitrógeno mo-lecular (N2) y vapor de agua.

Los gases de escape de losmotores diésel, por su fuertepresencia de oxígeno, son oxi-dantes, por lo que hay que con-vertirlos en un medio reductorcon escasa presencia de oxíge-no, lo cual puede hacerse aña-diendo a los gases que Ilegan alcatalizador una solución acuosade urea que convierte el NOX en

FIGURA 2.- ESQUEMA DEL SISTEMA SCR CON INYECCIÓNDE UREA

^ ^Actuadores II II IIIII Sensores

Sensor de calidad AdBlue

Fuente: Bosch

^ CON EL SISTEMA

SRC SE PUEDEN

MEJORAR LAS

PRESTACIONES DEL

MOTOR, SIN QUE HAYA

QUEPREOCUPARSEDE

LAS EMISIONES DE NOX

O.UE SE PRODUCEN EN

CONDICIONES

DE MÁXIMA

EFICIENCIA

Nz dentro del catalizador reduc-tor selectivo (Figura 2).

Para determinar la cantidadde urea necesaria se utiliza unsensor de temperatura en la en-trada del catalizador y otro quesirve para determinar los resulta-dos obtenidos en los gases deescape, junto con un 'mapa' conlos NOx que se producen para lasdiferentes condiciones de funcio-

namiento del motor, situado en lamemoria de la Unidad Electróni-ca de Control (ECU). Pata evitarque los gases de escape puedansalir con restos de urea (amonia-co), en la última etapa el cataliza-dor oxida la urea para convertirlaen nitrógeno molecular y agua.

Con el sistema SRC se pue-den mejorar las prestaciones del

motor, sin que haya que preocu-parse de las emisiones de NOx

que se producen en condiciones

de máxima eficiencia, puestoque será eliminado antes de salir

a la atmósfera, a la vez que se

evita la recirculación de los ga-

ses de escape pre-enfriados, pe-ro hay que incluir en el tractor un

depósito para la urea, que seconsume en una cantidad aproxi-

madamente igual al 3% del ga-sóleo, contar con el espacio para

incorporar el catalizador SCR en

el escape y desarrollar la electró-

nica que hace posible el buenfuncionamiento del sistema. n

En el próximo número publicaremos la oferta actual demotores de los distintos fabricantes a partir de 75 kW.En el siguiente, nos ocuparemos de los de menorpotencia.

77ag^OlPCl1lCC( DICIEMBRE 200$