UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
UNIDADE UNIVERSITÁRIA DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
MESTRADO STRICTO SENSU EM ENGENHARIA AGRÍCOLA
EFEITO DE DIFERENTES CARGAS E VAZÃO DE AR
ADMITIDO PELO MOTOR NO DESEMPENHO DE UM
TRATOR AGRÍCOLA
Fábio Souza Gomes
Anápolis-GO
Novembro 2013
i
EFEITO DE DIFERENTES CARGAS E VAZÃO DE
ARADMITIDO PELO MOTOR NO DESEMPENHO DE UM
TRATOR AGRÍCOLA
FÁBIO SOUZA GOMES
Orientador: Professor D.Sc. Elton Fialho dos Reis
Dissertação
apresentada
à
Universidade Estadual de Goiás – UEG,
Unidade Universitária de Ciências Exatas
e Tecnológicas de Anápolis como parte
das exigências do Programa de PósGraduação em Engenharia Agrícola –
Sistemas Agroindustriais, para obtenção
do título de MESTRE
Anápolis-GO
Novembro 2013
Gomes, Fábio Souza.
Efeito de diferentes cargas e vazão de ar admitido pelo
motor no desempenho de um trator agrícola – 2013.
62 f. il.
Orientador: Prof. DSc. Elton Fialho dos Reis.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual de Goiás.
Mestrado Stricto Sensu em Engenharia Agrícola, 2013.
Bibliografia.
1. Máquinas Agrícolas2. Ensaio de Tratores. 3. Emissão de
Gases. I. Título.
ii
iii
Aquele que padeceu na cruz morreu a nossa morte,
nos deu o dom gratuito da vida e que é digno
de toda honra e toda glória, Senhor Cristo Jesus, dedico.
À minha querida esposa Márcia, e meus filhos
Matheus e Anna Louise, dedico.
iv
AGRADECIMENTOS
À Deus criador do céu e da terra, pelo dom da vida.
À Universidade Estadual de Goiás, em especial ao departamento de Engenharia Agrícola bem
como ao Departamento de Pós Graduação de Engenharia Agrícola.
Ao Professor Dsc. Elton Fialho dos Reis, meu orientador, pelo acolhimento, paciência e
prontidão que sempre teve comigo, eu imputo meus sinceros sentimentos de gratidão.
Ao Fundo de Amparo à Pesquisa do estado de Goiás (FAPEG), pelo suporte financeiro.
A minha maravilhosa esposa, Márcia, que soube me entender quando não podia lhe dar a
devida atenção, nos momentos que estava envolvido na construção deste trabalho.
Aos professores do programa de Pós Graduação: Itamar, Roberta, Sueli, Ivano, Honorato.
Aos colaboradores da Universidade Estadual de Goiás: Waldeir, Vandoir, Rodney e João,
pelo apoio na realização do experimento.
A secretária executiva do programa, Eliete, pela presteza, gentileza e simpatia dispensada a
mim em todo o período do curso.
Ao colega de SENAI e também aluno do programa, Márcio José, pela parceria.
Aos alunos do mestrado, Sanches e Gustavo, pela colaboração.
Ao ex Diretor da FATEC SENAI Roberto Mange, Francisco Carlos, e ao atual Diretor Aroldo
dos Reis, pelo apoio.
Aos colegas da FATEC SENAI Roberto Mange, Waldir, Sergio, Baltazar, Ricardo, Bruno e
Cleide pelo apoio e colaboração.
Ao Professor Hamilton, colega de SENAI e Professor da Universidade Estadual de Goiás,
pelas primeiras orientações sobre os Programas de Pós Graduação desta Universidade.
E finalmente a minha família materna: as minhas irmãs, a minha mãe que me ensinou a trilhar
nos caminhos da ética e da moral, e ao meu pai pelos primeiros conselhos quando ainda eu era
criança, o meu muito obrigado.
v
SUMÁRIO
LISTA DE QUADROS......................................................................................................... VII
LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ VIII
LISTA DE FIGURAS............................................................................................................ IX
RESUMO................................................................................................................................ XI
ABSTRACT .......................................................................................................................... XII
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 3
2.1. Aspectos gerais ................................................................................................................ 3
2.2. Utilização de motores diesel na agricultura ..................................................................... 4
2.3. Ensaios de tratores agrícolas ............................................................................................ 6
2.4. Eficiência energética de motores em tratores agrícolas ................................................... 7
2.5. Força de tração e potência na barra de tração .................................................................. 8
2.6. Sistema de alimentação do motor .................................................................................. 11
2.7. Dinâmica dos gases de admissão em motor de combustão interna ............................... 12
2.8. Emissão de gases no processo de combustão em motores ............................................. 13
3. MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 15
3.1. Caracterização das máquinas ......................................................................................... 15
3.1.1. Trator ensaiado ..................................................................................................... 15
3.1.2. Trator utilizado como cargas de reboque ........................................................... 15
3.1.3. Velocidade de operação ........................................................................................ 16
3.2. Característica da pista de ensaio .................................................................................... 16
3.3. Combustível utilizado .................................................................................................... 17
3.4. Determinação da força na barra de tração...................................................................... 17
3.5. Sistema de aquisição de dados ....................................................................................... 18
3.6. Determinação da variação da entrada de ar para o motor .............................................. 19
3.6.1. Determinação da vazão de ar admitido pelo motor ........................................... 19
3.7. Delineamento experimental ........................................................................................... 20
3.8. Determinação do consumo de combustível ................................................................... 20
vi
3.9. Determinação do desempenho do trator ........................................................................ 21
3.9.1. Potencia disponível na barra de tração ............................................................... 21
3.9.2. Consumo horário de combustível ........................................................................ 22
3.9.3. Consumo específico de combustível ..................................................................... 22
3.9.4. Rendimento na barra de tração ........................................................................... 23
3.9.5. Patinagem da roda motriz do trator .................................................................... 23
3.10. Determinação das emissões de gases de combustão pelo motor ................................. 23
3.11. Análise estatística ........................................................................................................ 24
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................................... 25
4.1. Desempenho do conjunto mecanizado........................................................................... 25
4.1.1. Consumo horário de combustível ........................................................................ 25
4.1.2. Consumo específico de combustível ..................................................................... 27
4.1.3. Patinagem nos rodados do trator ......................................................................... 29
4.1.4. Rendimento da potencia na barra de tração ...................................................... 30
4.2. Emissões de gases de combustão pelo motor ................................................................ 32
4.2.1. Temperatura dos gases de emissão ...................................................................... 33
4.2.2. Emissão de Oxigênio (O2) ..................................................................................... 35
4.2.3. Emissão de monóxido de carbono ........................................................................ 37
4.2.4. Emissão de óxidos de nitrogênio (NOx)............................................................... 39
5. CONCLUSÕES................................................................................................................... 42
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 43
ANEXO .................................................................................................................................... 49
vii
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 - Características de funcionamento de um motor ciclo Diesel (adaptação de Reis
et al., 1999) ................................................................................................................................. 5
viii
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Propriedades do diesel automotivo tipo B utilizado no motor para a realização
dos ensaios ................................................................................................................................ 17
TABELA 2 - Resumo do quadro da análise de variância das variáveis, consumo horário (CH),
consumo específico (CE), patinagem dos rodados do trator (PT) e rendimento na barra de
tração (RTB) ............................................................................................................................. 25
TABELA 3 - Resumo do quadro de análise de variância das variáveis temperatura (TEMP),
oxigênio (O2), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx) ............................. 33
ix
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1- Fluxo de ar e do combustível em um sistema de alimentação de um motor diesel
(VARELLA, 2010) ................................................................................................................... 11
FIGURA 2- Ensaio na pista de concreto com o trator ensaiado e trator de reboque para
simulação da carga.................................................................................................................... 16
FIGURA 3- Sistema de acoplamento na barra de tração equipada com mecanismo de proteção
para a célula de carga................................................................................................................ 18
FIGURA 4 - Esquema de aquisição de dados para determinação da força na barra de tração do
trator ensaiado, (DELMOND, 2009). ....................................................................................... 19
FIGURA 5 - Estrutura montada para restrição da entrada de ar (diferentes vazões) e
anemômetro utilizado para medir a velocidade do ar. .............................................................. 20
FIGURA 6 - Conjunto para avaliar o consumo de combustível; A) Medidor instalado no
sistema de alimentação, B) Indicador do consumo de combustível colocado sobre o painel do
trator ......................................................................................................................................... 21
FIGURA 7 - Analisador de gases utilizado para medir a emissão de gases e eficiência de
combustão no escapamento. ..................................................................................................... 24
FIGURA 8 - Consumo horário de combustível em função das diferentes vazões de ar
admitido no motor nas cargas solicitadas na barra de tração. .................................................. 26
FIGURA 9 - Consumo horário de combustível em função das diferentes cargas na barra de
tração nas vazões de ar admitido pelo motor............................................................................ 27
FIGURA 10 - Consumo específico de combustível em função das diferentes vazões de ar
admitido no motor nas cargas solicitadas na barra de tração. .................................................. 28
FIGURA 11 - Consumo específico de combustível em função das diferentes cargas na barra
de tração nas vazões de ar admitido pelo motor. ...................................................................... 29
FIGURA 12 - Patinagem do rodado do trator em função da carga na barra de tração............. 30
FIGURA 13 - Rendimento na barra de tração em função das diferentes vazões de ar admitido
no motor para as diferentes cargas na barra de tração. ............................................................. 31
FIGURA 14 - Rendimento na barra de tração em função das cargas na barra de tração nas
diferentes vazões de ar admitido pelo motor. ........................................................................... 32
FIGURA 15 - Temperatura dos gases de emissão em função das vazões de ar admitido no
motor para as diferentes cargas solicitadas na barra de tração. ................................................ 34
x
FIGURA 16 - Temperatura dos gases de emissão em função das cargas na barra de tração nas
diferentes vazões de ar admitido pelo motor. ........................................................................... 35
FIGURA 17 - Emissão de O2 em função das vazões de ar admitido no motor para as
diferentes cargas solicitadas na barra de tração. ....................................................................... 36
FIGURA 18 - Emissão de O2 em função das cargas na barra de tração nas diferentes vazões
de ar admitido pelo motor. ........................................................................................................ 37
FIGURA 19 - Emissão de CO em função das vazões de ar admitido no motor para as
diferentes cargas solicitadas na barra de tração. ....................................................................... 38
FIGURA 20 - Emissão de CO em função das cargas na barra de tração nas diferentes vazões
de ar admitido pelo motor. ........................................................................................................ 39
FIGURA 21 - Emissão de NOx em função das vazões de ar admitido no motor para as
diferentes cargas solicitadas na barra de tração. ....................................................................... 40
FIGURA 22 - Emissão de NOx em função das cargas na barra de tração nas diferentes vazões
de ar admitido pelo motor. ........................................................................................................ 41
xi
RESUMO
EFEITO DE DIFERENTES CARGAS E VAZÃO DE AR ADMITIDO
PELO MOTOR NO DESEMPENHO DE UM TRATOR AGRÍCOLA
O trator agrícola é considerado a principal fonte de potência para a realização das operações
mecanizadas indispensáveis ao processo produtivo. A manutenção do sistema de alimentação
dos motores de ciclo diesel interfere diretamente na formação do elemento comburente a ser
admitido pelo motor, comprometendo a combustão. O objetivo desse trabalho foi avaliar em
uma pista de concreto o desempenho energético e a emissão de gases em um motor de ciclo
Diesel de um trator agrícola, utilizando diferentes cargas na barra de tração e vazões de
entrada de ar no sistema de alimentação. Para isso foi utilizado um delineamento inteiramente
casualizado constituído por diferentes cargas (2,7; 7,4; 11,9; 15,5; 20,5 kN) e diferentes
vazões de ar no sistema de alimentação do motor (0,077; 0,085; 0,099; 0,109 m3.s-1), com três
repetições. O experimento foi realizado em uma pista de asfalto com cem metros de
comprimento, nas dependências da Universidade Estadual de Goiás, campus de AnápolisGO, utilizando um trator da marca New Holland modelo TT4030, com tração dianteira
auxiliar, motor ciclo Diesel, e como reboque foi utilizado outro trator marca New Holland
modelo TM7010. Foi determinada a eficiência na barra de tração, patinagem, consumo
horário e consumo específico de combustível, emissões de monóxido de carbono, oxigênio,
óxidos de nitrogênio e temperatura de combustão, relacionado ao desempenho do conjunto
mecanizado. Os resultados obtidos mostraram que as vazões de ar admitidas pelo motor nas
proporções, 0,077 e 0,085 m³.s-1, aumentaram o consumo de combustível. O maior
rendimento na barra de tração e o melhor consumo específico ocorreram quando o trator
tracionou a carga de 20,5 kN. A patinagem e o óxido de nitrogênio (NOx) aumentaram com a
elevação das cargas na barra de tração. Houve redução na emissão de oxigênio (O2) para os
maiores valores de cargas na barra, e para maiores vazões teve tendência de aumento no
percentual de oxigênio. Já as emissões de monóxido de carbono (CO) aumentaram com a
diminuição da vazão de ar, e a temperatura de combustão foi maior para as vazões de ar de
0,077 e 0,099 m³.s-1 e para as cargas de 15,5 e 20,5 kN.
Palavras-chave: barra de tração, motor diesel, consumo combustível, combustão.
xii
ABSTRACT
EFFECT OF DIFFERENT FLOW AIR FREIGHT AND ADMITTED BY
ENGINE PERFORMANCE OF A TRACTOR FARM
The tractor is considered the main source of power for the realization of the mechanized
operations, essential to the production process of a culture. The maintenance of the power
system of the diesel engines affects directly the formation of combustion element to be
admitted by the engine, affecting the results of combustion processes. The aim of this study
was to evaluate in a concrete track, energy performance and greenhouse gas emissions in a
diesel cycle engine of a tractor using different loads on the draw bar and flow rates of air
entering the supply system. For this we used a completely randomized design consisting of
different loads (2.7, 7.4, 11.9, 15.5, 20.5 kN) and different air flow in the power system of the
engine (0.077, 0.085, 0.099, 0.109 m³s-1), repeating the process three times. The experiment
was carried out in an asphalt with a hundred meter long track, on the premises of the State
University of Goiás, Anápolis Campus-GO, using a brand new tractor Holland Model
TT4030, front wheel assist, Diesel cycle motor, and for the trailer was used another brand
New Holland tractor model TM7010. We determined the efficiency of the drawbar, skating,
fuel consumption and specific fuel consumption, emissions of carbon monoxide, oxygen,
nitrogen oxides, combustion temperature and combustion efficiency, related to the
performance of mechanized set. The results showed that the air flow permitted by the engine
when the lowest proportions, 0.077 and 0.085 m³ s-1 increased fuel consumption. The biggest
performance in the drawbar and better specific consumption occurred when the tractor
traction load of, 20.5 kN. Skating and nitrogen oxide (NOx) increased with increasing loads
to the drawbar. There was a reduction in the emission of oxygen (O2) for values of loads at
the bar, and higher flow rates tended to increase the percentage of oxygen. The emissions of
carbon monoxide (CO) increased with decreasing air flow and combustion temperature was
higher for air flow of 0.077 and 0.099 m³.s-1 and loads of 15.5 and 20.5 kN.
Keywords: draw bar, diesel engine, consumption fuel, combustion.
1
1. INTRODUÇÃO
A industrialização brasileira sempre teve o agronegócio como fonte de obtenção de
recursos financeiros, representando atualmente 21% do PIB nacional, sendo que os setores de
produção de insumos agropecuários (agroindústria), a comercialização e, sobretudo a
produção em campo são os principais fatores que contribuem para a obtenção deste saldo,
sendo também responsável pela maior parte das nossas exportações.
E, para que se possa manter e aumentar este desempenho, na escala de produção,
especialmente, os trabalhos de preparo do solo, plantio, colheita e escoamento de grãos, é
fundamental o uso das máquinas agrícolas, principalmente os tratores agrícolas.
Estas máquinas, desde a criação dos motores de combustão interna têm substituído a
capacidade de força de trabalho humano, que é de apenas 0,1W de potência em média, por
valores maiores que 100 kW, dependendo do sistema de moto-propulsão de cada máquina.
Deste modo, pode-se atribuir a mecanização agrícola como o principal contribuinte para esta
amplitude de geração e otimização de trabalho no campo, porém com determinado dispêndio
de energia, oriundo dos combustíveis (diesel).
Assim, a mecanização também depende de fontes externas para geração de energia,
sendo a principal, o motor de combustão interna a quatro tempos. E, dentre os motores de
combustão interna considera-se como um dos mais versáteis e úteis para aplicação de sistema
de geração de força e trabalho em tratores agrícolas, o motor de ciclo diesel. Este por possuir
taxa de compressão elevada consegue gerar a combustão por compressão, e, também graças
ao poder calorífico do diesel, consegue-se uma maior eficiência em relação aos motores de
combustão por centelha.
Ocorre que, 30% dos custos da hora de trabalho de um trator agrícola são gastos com
combustível e, conforme demanda na produção agrícola, graças ao grande espaço de manejo
ainda existente, atualmente, aumenta-se mais, a aplicação de equipamentos mecanizados, com
conseqüente aumento de custos com matrizes energéticas. Nesta perspectiva, considerar
gastos com óleo diesel é ponto fundamental dos custos nos processos de produção agrícola.
A energia térmica que é fornecida à locomoção dos tratores agrícolas vem de um
processo cíclico e termodinâmico, onde a energia calorífica é transformada em energia
mecânica. Nesta transformação e transferência de energia no interior da câmara de combustão
de um motor, consideram-se alguns fatores (proporção de mistura ar + combustível) para que
2
a equação consumo mais desempenho seja igual a baixo custo de combustível, resultado que é
satisfatório tanto do ponto de vista econômico como ambiental.
Para que este resultado seja percebido no bolso do produtor e ao meio ambiente, tem
que se considerar o processo de combustão nos motores diesel, sobretudo a formação do
volume de entrada de ar comburente pelo sistema de filtragem, e a condução de ar para o
interior do motor.
Embora, nos últimos anos a engenharia que trata dos fenômenos fluidomecânicos ter
evoluído no dimensionamento dos sistemas de captação, canalização e filtragem do ar
comburente para o interior do motor, por outro lado, se não houver controle e manutenção
rigorosa nestes sistemas citado, pode-se não ter uma formação que tenda para o ideal, de uma
proporção de ar para uma determinada quantidade de combustível. Esta admissão pode sofrer
grande influência caso haja obstrução no elemento do filtro de ar, por exemplo, o que vai
comprometer o processo de combustão.
Diante do exposto, este trabalho foi realizado objetivando avaliar o desempenho
energético e a emissão de gases utilizando diferentes cargas na barra de tração e vazões de ar
admitido em um motor de ciclo diesel de um trator agrícola em uma pista de concreto.
3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Aspectos gerais
A mecanização na agricultura brasileira vem se tornando indispensável, considerando
o manejo de grandes áreas, como soja e cana de açúcar, e que sem a utilização do trator
agrícola seria inviável do ponto de vista operacional (ALVES, 2007). Este autor mostra ainda
que a manutenção adequada para prolongar o tempo de vida e evitar as interrupções não
programadas dos tratores agrícolas é imprescindível. Todavia sabe-se que a cultura brasileira,
sobretudo do ponto de vista dos empresários e produtores, é de não fazer manutenções
preventivas, bem como não avaliar o desempenho de seus implementos, sob afirmação de
dispêndio.
Em muitas regiões do Brasil, equipamentos agrícolas têm a sua utilização
comprometida, em razão da sua não-adequação às condições de trabalho. Este fato vem sendo
detectado por especialistas da área em contato com agricultores, quando em visita a
propriedades agrícolas, dias de campo, seminários e outros eventos (MANTOVANI, et al.
1999), estas condições ainda são encontradas com freqüência na atualidade.
O aumento da produção de grãos no Brasil que ocorreu nos últimos anos, fez com que
houvesse abertura de novas fronteiras graças ao intensivo aumento de máquinas e
implementos agrícola no processo produtivo (SALVADOR et al. 2009). Nesta perspectiva,
considerar gastos energéticos e manutenção dos equipamentos e implementos é ponto
fundamental dos custos dos processos de produção. Os gastos com combustíveis representam
cerca de 30% da hora de um trator agrícola, sendo este um problema mundial na agricultura
mecanizada, segundo Mattos et al., (1981).
De acordo com Monteiro et al. (2008), devido ao grande desenvolvimento econômico,
industrial e agrícola, ocorrido após a segunda guerra mundial os padrões de consumo de
energia se tornaram mais intenso, sobretudo as matrizes energéticas oriundas dos derivados de
petróleo. Ele afirma também que os tratores agrícolas podem ser ajustados adequadamente
pelo usuário, com a finalidade de aprimorar as suas condições de trabalho, eficiência e
economia durante as intervenções agrícolas.
Rech (2010), também comenta que o ajuste e controle da eficiência dos motores de
combustão interna têm importância fundamental, tanto sobre o ponto de vista econômico
4
quanto ao aspecto ambiental, e Lopes et al. (2008), mostram também que o consumo de
combustível é uma ferramenta de grande utilidade técnica para comparar tratores, máquinas e
implementos agrícolas. Assim, afirmam que, para uma determinada demanda de energia
motriz em um trator agrícola, quanto maior a eficiência de combustão menor será o consumo
de combustíveis e emissão de gases nocivos, sobretudo com conseqüente viabilidade
econômica.
2.2. Utilização de motores diesel na agricultura
Segundo Filho et al. (2010), uma das principais funções dos tratores agrícolas é
transformar a energia contida no combustível e fornecê-la, através da barra de tração, para
tracionar máquinas e implementos agrícolas, e o responsável por esta transformação é o motor
de combustão interna de ciclo diesel.
A utilização de motores diesel na agricultura é irrefutável devido sua robustez,
confiabilidade, maior desempenho e tempo de vida prolongado, apresentando menor consumo
e rendimento superior quando comparados aos motores de combustão por ignição elétrica, o
ciclo de Otto (MACHADO, 2003).
No Quadro 1 são apresentados algumas características de um motor de ciclo diesel,
que equipam os tratores agrícola, adaptado por Reis et al. (1999).
5
QUADRO 1 - Características de funcionamento de um motor ciclo Diesel (adaptação de Reis
et al., 1999)
Óleo diesel
Tipo de combustível
Óleos vegetais
Éster de óleos vegetais
Taxa de compressão
16 a 33:1
Destinação/aplicação
Aplicados em trabalhos que exigem elevados torque e potência
(altas cargas) a baixas e médias rotações
Processo de combustão
Combustão espontânea
(calor de compressão)
Rotação (média) de
potência máxima
Abaixo das 3000 rpm
Admissão
Ar atmosférico, na quantidade limitada pela cilindrada e
aproximadamente constante em toda a faixa de utilização do
motor
Relação de mistura
(RAC ou lambda)
Combustão/angulo
Temperatura dos gases
de combustão
Controle de potência
Ampla faixa de variação (15:1 a 100:1) sempre lambda > 1
Injeção de combustível sempre APMS (10 a 21º)
De 450 a 580 ºC
Variação de combustível por ciclo de injeção
Sistema de injeção de
combustível
Por meio de bomba de injeção mecânica (bomba injetora) ou
sistema Common Rail (injeção eletrônica Diesel)
Número de cilindros
Rendimento
termomecânico
1 a 8 cilindros ou mais
Até 40%
Percebe-se no quadro que não há limite no ato de admissão de ar para o interior do
cilindro, e que a relação lambda tem uma amplitude de 15:1 a 100:1. A temperatura dos gases
de exaustão tem valores relativamente menores, quando comparado com outros ciclos
termodinâmico, e isto demonstra que o calor oriundo da combustão é melhor aproveitado na
geração do trabalho motriz.
Segundo Squaiella (2010), os motores diesel têm peculiaridade de serem econômicos,
fortes e robustos quando comparado com os demais motores à combustão interna. Esses
motivos fizeram deles a principal opção utilizada em veículos automotores destinados ao
transporte de carga. Este mesmo autor acrescenta ainda que para atender legislações que
controlam as emissões de poluentes, desempenho, rendimento do motor com baixo consumo
6
de combustível, as indústrias do setor vem investindo no desenvolvimento de novas
tecnologias para se manter competitivas no mercado.
2.3. Ensaios de tratores agrícolas
O trator por meio de seu conjunto motriz tem como finalidade, converter a energia
química, por meio da combustão, em trabalho mecânico rotativo para as rodas e demais
pontos: Barra de tração, tomada de potência e sistema de levante hidráulico. Estes
mecanismos permitem movimentar, tracionar máquinas e implementos, durante as atividades
de campo. E, a realização dos ensaios, considerando estes pontos, em pista de teste (solo
rígido) permite que seja feito comparações, tendo como base parâmetros de rendimento como
a força de tração, patinamento, consumo de combustível, entre outros (RUSSINI, 2012). Este,
afirma ainda, que seguindo procedimentos pré-estabelecidos de ensaios, os experimentos de
pista com tratores agrícolas, têm por objetivo gerar relatórios com resultados, o que torna
possível comparar seu desempenho, independente do lugar onde foram feitos os testes.
As normas específicas para os ensaios com tratores instrumentados com equipamentos
eletrônicos, ainda não existem, porém os ensaios devem ser realizados dentro de padrões, nos
quais os dados expressem confiabilidade e representam condições reais dos parâmetros
avaliados (RUSSINI, 2012). O objetivo do ensaio de um determinado modelo de trator é
controlar e comparar valores que assumem os parâmetros representativos de seu desempenho,
estes devem estar perfeitamente definidos, assim como as condições instrumentais para sua
mensuração. Em suma, nas subáreas do ensaio de máquinas agrícolas não existe lugar para
generalizações, sejam elas, metodológicas ou operacionais (MIALHE, 1996).
De acordo com Fiorese (2011), com alguns dados fornecidos pelos fabricantes de
tratores, ou medidos nos ensaios, tais como: potência e torque, rotação do motor, além de
outros valores de ordem ponderal e física, como diâmetro das rodas motrizes; permite-se
calcular algumas variáveis vinculadas à movimentação e atuação da máquina, tais como a
velocidade teórica de deslocamento, força de tração, consumo, torque nas rodas motrizes entre
outros. Mialhe (1996), afirma também que a partir da realização do ensaio na barra de tração,
podem-se obter parâmetros quantitativos relativos à força de tração, velocidade, consumo
específico, patinagem, potência disponível na barra de tração, coeficiente de tração e
rendimento na barra de tração.
Filho et al. (2010), avaliaram a capacidade de um trator em desenvolver força de
tração ao tracionar 25 kN em quatro velocidades de deslocamento, em três condições distintas
7
de solo. Yanai e Silveira (1999), com base em dados levantados em ensaios de tratores, em
pista de concreto, analisaram o desempenho de cinco tratores agrícolas com tração dianteira
auxiliar. Quando compararam estes dados com a versão de tração simples, concluíram que o
uso da tração dianteira causou um aumento de 33,3%, em média na força de tração e, de
13,9% no consumo horário. Já, Masiero et al. (2011), com o objetivo de determinarem o
rendimento enérgico na barra de tração de diversos tratores agrícolas, em situações específicas
de pista, utilizaram uma unidade móvel para simular cargas dinâmicas no trator ensaiado. Nos
ensaios em pista, os números de força de tração foram gerados a partir de uma célula de carga,
e os de combustível por meio de um medidor de fluxo de combustível eletrônico.
Monteiro et al. (2013), afirmam que, uma das maneiras de se obter informações,
principalmente no que diz respeito ao seu desempenho de tração, o rendimento na barra de
tração é freqüentemente o mais usado para comparar ou avaliar tratores. Eles avaliaram o
rendimento de um trator agrícola com diferentes relações de peso/potência, sob diferentes
regimes de cargas aplicadas na barra de tração.
Almeida et al. (2010), avaliaram o desempenho energético de um conjunto trator
semeadora de precisão, sob diferentes marchas e rotações do motor. Eles utilizaram a 6a
marcha com 1500 rpm, a 5a com 1900 rpm, a 4a com 2200 rpm e a 5a novamente a 1500 rpm.
Concluíram que o escalonamento das marchas influenciou a velocidade de deslocamento, e o
desempenho (potência exigida) foi influenciado pela rotação do motor com conseqüente
incremento do consumo específico de combustível.
2.4. Eficiência energética de motores em tratores agrícolas
De acordo com Sodré (2008), a eficiência dos motores de combustão interna depende
diretamente do aproveitamento dos fenômenos inerciais e transientes que ocorrem no sistema
de admissão e exaustão do motor. Afirma ainda que estes sistemas possuem dimensionamento
e configurações geométricas diferenciadas, com a finalidade de atender os objetivos do
projeto, tais como a curva de potência, curva de torque e curva do consumo específico de
combustível desejado.
Monteiro et al. (2013), compararam o desempenho energético de um trator em função
da variação do lastro sólido. Para a realização do experimento utilizaram uma Unidade Móvel
de Ensaio (carro dinamométrico de tração) na barra de tração, estando equipado com sensores
de rotação nas rodas motrizes, fluxômetro para avaliação do consumo horário de combustível,
célula de carga de 100 kN para determinação da força de tração e um sistema de aquisição e
8
armazenamento de dados. Eles analisaram dados de consumo específico em função das
subseqüentes relações entre o peso e a potência do trator. Os resultados mostraram que não
houve diferença de consumo específico de combustível entre condições de lastragem.
Cunha et al. (2012), avaliando o desempenho energético, com diferentes proporções de
diesel e biodiesel, em um trator e grade aradora na operação de preparo periódico de solo,
verificaram que a força de tração e a potência na barra de tração reduziram quando aumentou
a concentração de biodiesel e profundidade de trabalho, e que houve uma diminuição do
consumo específico com o aumento da profundidade de trabalho, ou seja com o aumento da
carga. Avaliação com resultados semelhantes foi encontrado por Lacerda (2012).
Serrano (2007), avaliou o desempenho energético de tratores agrícolas e implementos
em trabalho, e observou que o consumo específico é um parâmetro previsível e pouco variável
em determinadas condições de trabalho, tal como em regime semelhante de funcionamento do
motor, com um nível de utilização da potência acima dos 60%. Sendo que em operações de
mobilização do solo, podem ser esperados valores para o consumo específico do motor em
torno de 265 gkWh-1 em um regime de aproximadamente 80% do regime nominal, que
funcione em condições que não exigem toda a potência do trator procurando otimizar o
consumo de combustível. E, cerca de 300 gkWh-1 em regime nominal, utilizado em operações
que exigem muita potência com uma menor eficácia em termos de consumo de combustível.
Russini (2012), avaliando o desempenho energético de tratores em campo, explica que
valores de potências desenvolvidas na barra de tração são baixos em determinados momentos,
quando a eficiência na barra de tração diminui. Explica ainda que este comportamento pode
refletir no consumo específico de combustível, uma vez que o valor mássico de combustível
nesta grandeza é que determina o consumo.
Rodrigues et al. (2011), ao avaliarem a demanda energética em um trator na
implantação da cultura do sorgo forrageiro, após determinarem os parâmetros de velocidade
média, força média na barra de tração e potência média na barra de tração, capacidade teórica
de campo e consumo de combustível, concluiu que o consumo horário de combustível não foi
influenciado pelos sistemas de manejo e foi inversamente proporcional ao aumento da
velocidade de trabalho. A variação da velocidade na operação de semeadura não proporcionou
acréscimo nos valores da força de tração média na barra do conjunto trator-semeadoraadubadora.
2.5. Força de tração e potência na barra de tração
9
O desempenho na barra de tração de um trator depende da potência do motor, das
condições de cargas e pesos sobre os rodados, da altura da posição dos engates da barra e da
superfície do solo (ASAE D497.4, 2000).
Segundo Soranso (2006), para se caracterizar o desempenho de um motor de
combustão interna, utilizam-se as curvas de torque, potência e consumo específico de
combustível, tendo como parâmetros a velocidade de giro do motor. E, a maneira mais
comum de utilização destes parâmetros em tratores, principalmente a potência e o consumo
do motor, é por meio da barra de tração devido a sua versatilidade. Com os resultados obtidos
destas grandezas permitem traçar as curvas de torque e potência do motor ensaiado.
De acordo com Marquez (1980), a força tratora transmitido aos rodados é conduzida
por meio do sistema de transmissão (caixa de marcha, diferencial e conjunto de reduções
finais). Assim, em um ensaio de pista o produto entre esforço na barra de tração e velocidade
de deslocamento do trator, obtém se a potência motora de tração.
Existem diferenças entre o desempenho de tração e o desempenho do trator. O
desempenho do trator é proporcional ao desempenho dos mecanismos de tração, mas não
igual a ele; portanto, para se obter o desempenho de tração é necessário conhecer a potência
disponível no dispositivo de tração, (MONTEIRO, et al. 2013).
Segundo Schlosser (1996), a tração é a força que um trator desenvolve ao tracionar
uma carga (implemento), e o ponto do trator utilizado para pôr à disposição do implemento a
potência motriz é a barra de tração. Afirma ainda que este acoplamento é único, e o sentido
desta força é em linha horizontal na direção do trator, ou paralela quando o implemento
estiver sobre o nível do solo, assim estas forças formam componentes que influenciam de
diversas maneiras a transferência de peso que se traduz no trator.
De acordo com Mialhe (1980), a tração é definida como uma força de propulsão
proveniente dos rodados interagindo diretamente com um ponto de ligação a ser tracionado, e
que o sistema de tração dos tratores tem como finalidade converter a força rotativa dos
rodados em forças lineares aos implementos. Afirma também que, a força de tração deverá ser
suficiente para vencer a resistência oferecida à movimentação do próprio trator, bem como
deslocar a carga imposta à barra de tração de acordo coma as velocidades impostas ao
trabalho.
Este mesmo autor acrescenta que uma vez determinada a força tratora, por meio da
barra de tração, torna-se necessário obter a eficiência na aplicação desta carga de arraste, ou
seja, analisar, os parâmetros de força medidos na barra de tração com o tempo. Para tanto,
lançamos mão da grandeza potência.
10
Segundo Marquez (1980), a potência pode ser definida como a capacidade de realizar
um trabalho em uma unidade de tempo, em outras palavras, uma mesma força pode ser capaz
de realizar trabalho mais rapidamente ou mais vagarosamente, sendo que no primeiro caso
haverá uma maior potência que no segundo. Essa força tem que ser realizada a certa
velocidade e adequada ao trabalho que deseja executar.
A determinação da potência de tração pode ser realizada por meio da medição de
esforço de tração, através de instrumentos eletrônicos de aquisição de dados em tempo real
dos esforços de tração, patinamento, velocidade de avanço, etc. (MARQUEZ, 1980).
Monteiro et al. (2013), utilizaram parâmetros de potência na barra de tração para
avaliarem seu rendimento na barra de tração em um trator agrícola, levando em conta as
diferentes relações entre o peso/potência sob diferentes regimes de carga aplicados na barra de
tração, verificaram que a relação de peso e potência de 50 e 55 NkW-1, para as cargas
aplicadas na barra de tração de 25 a 30 kN e 35 a 40 kN, apresentaram diferença expressiva
entre as médias, sendo que o maior rendimento da barra de tração foi obtido para a carga de
25 a 30 kN.
De acordo com Mialhe (1996), para um trator tracionar seu implemento agrícola,
necessita de uma força para quebrar a resistência imposta pelo implemento, além de produzir
uma velocidade considerada ideal na realização do trabalho. Sendo que, os ensaios para
tratores de pneus são realizados em pistas de concreto e os ensaios para tratores de esteira são
realizados em pista de terra batida,também se utilizam comboio para levantamento de
características do motor, servindo como freio para determinação das resistências aos
rolamentos.
Conforme este mesmo autor pode ser utilizado um comboio (um ou mais tratores
engastado na barra de tração do trator ensaiado) para levantamento das características do
trator, servindo como freio e também para determinação da resistência ao rolamento. Desse
modo, a partir da realização do ensaio na barra de tração, podem-se obter parâmetros
quantitativos relativos à força de tração, velocidade, consumo horário e específico, potência
disponível na barra de tração, coeficiente de tração e rendimento na barra de tração.
De acordo com Russini (2012), um trator agrícola pode ser comparando por meio de
ensaios dinamométricos diretos ou com ensaios em pista. Variando cargas na barra de tração,
ele comparou resultados de desempenho de um trator por meio de ensaios dinamométrico
convencional e em pistas, verificando por meio da análise de correlação, utilizando os valores
obtidos e estimados, demonstrou que houve um elevado coeficiente de correlação entre a
11
potência de tração observada no campo e pista, em relação à potência estimada, (0,99 e 0,98)
respectivamente.
2.6. Sistema de alimentação do motor
Segundo Mialhe (1980), nos motores diesel, que equipam os tratores agrícolas, o ar é
succionado através de um filtro purificador, para o interior dos cilindros, onde em alta
compressão dos êmbolos, se inflama com o óleo combustível. E, sob a ação dessas pressões
(dos êmbolos) (subida, compressão; e descida, força de trabalho), é que garante à árvore de
manivelas a força motriz tratora.
De acordo com Varella (2010), o sistema de alimentação dos motores de combustão é
responsável pelo suprimento de ar e combustível ao motor, sendo o sistema de alimentação
diesel composto por dois circuitos: o circuito de ar e o circuito de combustível. A Figura
1exemplifica o fluxo do ar e do combustível em um sistema de alimentação diesel.
FIGURA 1- Fluxo de ar e do combustível em um sistema de alimentação de um motor diesel
(VARELLA, 2010)
12
Segundo Heywood (1988), o escoamento do ar a ser admitido para o interior do motor
depende do modelo ou desenho dos dutos e coletores de admissão, bem como do sincronismo
do motor para abrir as válvulas de admissão, sendo que com um desenho específico do duto,
consegue-se a admissão de um determinado vórtice no interior do cilindro.
Esta análise, que determina o regime permanente de escoamento de descarga de
admissão de ar para o motor, é definida pela capacidade de aspiração de um motor de
combustão interna em relação à aspiração sob condições ideais de escoamento (RECH, 2010).
Ainda, de acordo com Leontsinis (1988), o processo de combustão em motor se dá em
alguns milésimos de segundo, no momento em que o combustível deve se misturar com o ar,
vaporizar-se e, em seguida sofre a auto-ignição e queima-se completamente, desse modo, o
sistema de condução do volume de ar, determinará o gradiente de admissão deste ar. Logo,
qualquer obstrução neste sistema pode causar redução no desempenho do motor de ciclo
Diesel, principalmente em condições de tratores em campo.
2.7. Dinâmica dos gases de admissão em motor de combustão interna
Segundo Souza (2010), durante o processo de admissão do ar nos motores de
combustão interna, percebe-se que o escoamento do ar não é ideal, isso quer dizer que, o
volume que é introduzido no interior do cilindro não é totalmente ocupado, em função de sua
massa específica e perdas de carga ao longo do sistema de admissão de ar, conseqüentemente,
estes valores ínfimos no processo de admissão compromete diretamente o desempenho e a
potência do motor.
A constituição da quantidade de ar e combustível, no interior do cilindro é fator
preponderante para controle e eficiência da combustão interna, e que as características iniciais
do escoamento deste ar são determinadas pelo sistema de admissão (CRUZ, 2005). Este alega
ainda que em um ciclo termomecânico, em um motor, na ausência da combustão, ou seja,
durante o processo de admissão e compressão, o escoamento do fluido (ar) passa por uma
série de processos, antes de ser preparado para queima; sendo que estes processos para
condicionamento da mistura à queima, abrangem a dosagem de combustível em função da
massa de ar admitida, e o escoamento dentro do cilindro em sua compressão.
De acordo com Pinheiro e Valle (1995), o ar é fator determinante na eficiência da
combustão, controlando volume, temperatura e a entalpia dos produtos da combustão. Afirma
ainda que um grande excesso de ar é indesejável porque diminui a temperatura das chamas,
13
reduzindo assim a eficiência térmica, por outro lado se for baixo pode resultar em uma
combustão incompleta e aumentar as emissões de monóxido de carbono (CO).
Segundo Lourenço (2010), em motor diesel, naturalmente aspirado, aumentar a carga
significa aumentar uma quantidade de combustível na mesma proporção de ar a uma rotação
constante. E continua afirmando que, quanto maior a quantidade de combustível queimado,
mais calor é gerado e pode-se observar um aumento significativo de temperatura no cilindro.
Maiores temperaturas produzem energia suficiente para que ocorram os mecanismos de
reações químicas, causando assim maiores formações de óxidos de nitrogênio (NOx).
De acordo com Sodré (2008), a forma geométrica do coletor de admissão está
relacionada com a energia cinemática do fluido a ser escoada para o interior do motor, que
graças a isso, possui influência na capacidade de preenchimento dos cilindros (rendimento
volumétrico do motor). A energia cinética da massa de ar que entra no cilindro possui uma
correspondência com o comprimento e a área da seção transversal do tubo de admissão.
Afirma ainda que para velocidades mais baixas de rotação do motor, o conduto que adota um
maior comprimento, proporciona um maior grau de enchimento do motor, e para velocidades
de rotação mais elevadas estes dutos possuem comprimentos menores, uma vez que o efeito
inercial tem maiores intensidades de força.
Segundo Heywood (1988), a eficiência dos motores de combustão interna depende
diretamente do aproveitamento dos fenômenos inerciais e transientes que ocorrem no sistema
de admissão e exaustão do motor. Diz também que, o ar no interior do conduto de admissão
possui uma energia cinética, e esse “conteúdo energético”, se oportunamente aproveitado,
pode determinar uma maior compressão no interior do cilindro exatamente no momento em
que a válvula de admissão se fecha. Desse modo cria-se então uma fonte de sobre-alimentação
natural devido à inércia dos gases de admissão, melhorando a eficiência volumétrica.
2.8. Emissão de gases no processo de combustão em motores
As emissões de gases de escapamento, oriundos de veículos automotores, são
categorizadas em emissões de escapamento e emissões evaporativas. As emissões de
escapamento ocorrem quando há o lançamento na atmosfera dos gases provenientes da
combustão completa dióxido de carbono (CO2), e incompleta hidrocarbonetos (HC),
monóxido de carbono (CO), óxido de nitrogênio (NOx) e material particulado. As emissões
evaporativas, constituídas de HC, ocorrem quando há a evaporação de combustível na
14
operação do veículo, nas variações de temperatura, tanto do motor quanto do ambiente e no
reabastecimento (HEYWOOD, 1988).
De acordo com Ferreira et. al., (2008), a identificação de uma fonte de poluição
atmosférica depende, antes de tudo, dos referenciais para definir os agentes poluidores e seus
efeitos sobre homens, animais, vegetais ou outros materiais, assim como dos critérios para
medir a freqüência da ocorrência dos poluentes e seus efeitos. Diz ainda que muitos estudos
sobre emissão, transporte e deposição dos poluentes atmosféricos têm sido feitos buscando-se
soluções para o controle e a diminuição da poluição do ar, e que nas últimas décadas, grande
parte das pesquisas tem sido voltada para responder questões relacionadas aos efeitos dos
poluentes sobre o meio ambiente.
O Programa de controle de Poluição causada por veículos automotores estabelece os
limites máximos de emissão para motores e veículos novos, bem como as regras e exigências
para o licenciamento, fabricação de uma configuração de veículo ou motor, e para a
verificação da conformidade da produção nacional de veículos automotores, visando à
redução da emissão de poluentes na atmosfera. Segundo SANTOS et al. (2011), a Resolução
nº 18, de 1986, que instituiu o Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos
Automotores (Proconve), tem como objetivos principais a redução dos níveis de emissão de
poluentes por veículos automotores. Neste sentido, a comunidade acadêmica tem contribuído
com a aferição e mensuração dos gases emitidos pós-combustão.
Braun et al. (2003), avaliaram os efeitos tóxicos agudos dos gases de exaustão de
motores de combustão interna que liberam quantidade suficiente de monóxido de carbono que
pode causar a morte por intoxicação, quando funcionando em ambientes fechados ou inalados
em grandes quantidades. Este mesmo autor afirma ainda que por esse motivo, a emissão de
CO foi uma das primeiras a ser alvo das regulamentações. Além dos efeitos tóxicos agudos, a
poluição oriunda dos motores de combustão pode causar, em longo prazo, doenças
respiratórias, como o câncer do trato respiratório e a fibrose pulmonar, devido à presença de
outros compostos nocivos orgânicos ou inorgânicos, além do CO, afirma ainda.
Reis et al. (2013) avaliaram a emissão dos gases O2, CO, CO2, NOx e SO2 emitido
pelo escapamento de um grupo gerador de ciclo Diesel, concluíram que, embora houvesse um
aumento no consumo, o uso do biodiesel em
concentrações maiores
reduziu
consideravelmente a emissão da maioria dos gases poluentes e se obteve praticamente anulada
a emissão de enxofre para concentrações acima de 65% de biodiesel.
15
3. MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi conduzido nas dependências da Universidade Estadual de Goiás,
S/N, Anápolis – GO, coordenadas geográficas de 17º43'19'' latitude Sul e 48º09'35'' longitude
Oeste e altitude de 1017 m. Segundo a classificação de köppen, o município de Anápolis- GO
apresenta clima Aw, com características climáticas quentes, úmidas a semi-árido. A
temperatura média anual do ar é de 25,0°C, e o mês de junho apresenta a menor média de
temperatura mínima do ar (20,5°C), enquanto o mês de setembro apresenta a maior média de
temperatura máxima do ar (31,4°C). Sendo que no ato dos ensaios a temperatura ambiente era
de 32 ºC, e a pressão atmosférica de 89 kPa ( 9075,47 kgf/m²)
Os ensaios foram realizados na pista central de acesso a Universidade Estadual de
Goiás, pista de concreto (asfalto), sem declividade, com um comprimento total de 150 m,
sendo utilizados 100 m para o ensaio.
3.1. Caracterização das máquinas
3.1.1. Trator ensaiado
Para a realização dos ensaios foi utilizado um trator agrícola da marca New Holland
modelo TT4030, ano 2010, com 430 horas de trabalho, tração dianteira auxiliar, massa total
com lastros de 3830 kgf, motor ciclo diesel de quatro cilindros, com aspiração natural de ar,
sistema de injeção de combustível com bomba injetora rotativa, sistema de arrefecimento a
água, cilindrada total de 3908 cm3 com potência nominal segundo a NBR 1585 de 55,1 kW
(75 cv) e rodados equipados com pneus diagonais dianteiros e traseiros, no ato dos ensaios o
trator.
As garras do pneu estavam acima de 60% do tamanho original com pressão de
inflagem de 115,7 kPa. A temperatura de trabalho do motor (sistema de arrefecimento) foi de
82 ºC, e a do óleo do motor (sistema de lubrificação), 65 ºC, sendo esta medida por um
termopar instalado nos filtros de óleo.
3.1.2. Trator utilizado como cargas de reboque
16
Para converter a força rotativa motriz dos rodados em força linear de arraste na barra
de tração, foi utilizado um trator New Holland modelo TM7010– 141 cv (104 kW) atrelado
por meio de um cabo de aço de 19 mm como reboque, com distância entre três e quatro vezes
a distancia entre eixos do trator ensaiado (MIALHE, 1980) e (RUSSINI, 2012).
FIGURA 2- Ensaio na pista de concreto com o trator ensaiado e trator de reboque
para simulação da carga.
3.1.3. Velocidade de operação
A velocidade de operação, no arraste do reboque, foi calculada a partir da equação
descrita por Fernandes et al. (2007), sendo obtida por meio do tempo gasto necessário para o
conjunto mecanizado percorrer o percurso útil de cada parcela experimental. A velocidade
media do conjunto foi de 4,65 ± 0,24 km h-1.
3.2. Característica da pista de ensaio
A pista de ensaio utilizada no trabalho oi à pista central da Universidade Estadual de
Goiás. A pista é plana e com declividade próxima de zero na transversal, com 150 metros de
comprimento, onde foi utilizado para os ensaios 100 m, recoberta com capa asfáltica.
17
3.3. Combustível utilizado
O óleo diesel utilizado para a realização do ensaio foi obtido na rede de abastecimento
local, sendo classificado pela agência nacional de petróleo (ANP) como diesel automotivo
interior ou tipo B com teor de enxofre não diminuído, sendo o mesmo indicado para o uso em
motores ciclo diesel em geral.
Os dados da Tabela 1 foram retirados da empresa IPIRANGA PRODUTOS
PETROLEO SA, que estão em conformidade com a Resolução ANP 65, de 9/12/2011. Os
mesmos informam as características analisadas nos boletins de conformidade, emitidos por
laboratório contratado pela empresa, e também analisado pela própria distribuidora.
TABELA 1 - Propriedades do diesel automotivo tipo B utilizado no motor para a realização
dos ensaios
Propriedades
Valor
Aspecto
Límp./Isento
Cor visual
Amarelo a castanho
Ponto de fulgor mínimo (ºC)
38,0
-1
Cond. Elétrica mínima (ps. m )
25,0
Massa específica (Kg.m-3), a 20º C
820,0 a 880,0
3.4. Determinação da força na barra de tração
Para as medições da força de tração na barra, foi utilizada uma célula de carga da
marca Excel, modelo RS-5000, construída em aço de baixa liga, com tratamento térmico e
propriedades mecânicas controladas, apresentando formato em “S”, com temperaturas de
utilização entre -5 a 60 ºC e alimentação entre de 6 a 10 Vcc, instalada conforme Figura 3. A
capacidade nominal desta célula de carga é de 50 kN, com possibilidade de sobrecarga
admissível para atuações esporádicas e eventuais de até 150% da carga nominal. Os valores
de força de tração foram obtidos diretamente em Newton (N) e coletados e armazenados pelo
sistema de aquisição de dados.
As variações de marchas no trator de reboque provocaram trações diferenciadas na
célula de carga montada na barra de tração do trator ensaiado, e essa variação de tração foram
convertidas em uma diferença de potencial. Os valores de diferença de potencial foram
coletados por um datalloger que por sua vez foram convertidos em unidades de força. Para
adquirir os valores das respectivas forças de tração na barra pela célula de carga, foi utilizada
a Equação de calibração proposta por Cunha, (2011), equação linear y = 190,14 x + 113,78.
18
FIGURA 3- Sistema de acoplamento na barra de tração equipada com mecanismo
de proteção para a célula de carga.
3.5. Sistema de aquisição de dados
Os dados foram armazenados em um datalogger, modelo CR800 da marca Campbell
Scientific INC, com capacidade de monitorar e gravar os dados obtidos em campo, sendo
alimentado por uma bateria de 12 volts e 7 Ah. O sistema de leitura, aquisição e
armazenamento dos dados podem ser visto na Figura 4. O esquema de montagem compreende
a caixa de aquisição de dados (controle e armazenamento dos dados), sensor (célula de carga)
e o computador para a conversão e armazenamento dos dados obtidos.
A aquisição dos dados foi realizada por meio de um programa desenvolvido pelo
software PC 200 W version 4.0, disponibilizado pela empresa Campbell Scientific INC.
19
FIGURA 4 - Esquema de aquisição de dados para determinação da força na barra de
tração do trator ensaiado, (DELMOND, 2009).
3.6. Determinação da variação da entrada de ar para o motor
Para variar a entrada de ar no processo de combustão foram acomodados na entrada do
filtro de ar, quatro tubos com diâmetros internos variados. Estes tubos foram utilizados para
restringir a entrada principal de ar no início do filtro, conforme Figura 5. Para tanto, esta
variação restritiva foi de 20, 40, 60 e 80%, em relação ao diâmetro original, desse modo
foram construído quatro adaptadores que corresponderam às respectivas variações
determinadas. O objetivo da instalação destes tubos restritivos foi provocar perdas de carga
para que fossem coletados valores diferenciados de vazão de ar.
3.6.1. Determinação da vazão de ar admitido pelo motor
Para mensurar a quantidade de ar que foi admitido, um anemômetro portátil, da marca
Minipa, de palheta giratória com 100 mm e capacidade para medição entre 0,25 a 5 m.s-1 foi
instalado logo após a saída de cada adaptador. Desse modo com os valores de velocidade do
ar e volume de cada área se obteve os valores de vazão de ar, conforme Equação 1.
Q=VxA
(1)
20
Onde:
Q - Vazão de ar para o interior do motor, (m3.s-1);
v - Velocidade de deslocamento do ar, (m.s-1); e
A - Área do adaptador conforme percentual derestrição (m2).
FIGURA 5 - Estrutura montada para restrição da entrada de ar (diferentes vazões) e
anemômetro utilizado para medir a velocidade do ar.
3.7. Delineamento experimental
Para avaliação do desempenho energético e a emissão de gases do motor de ciclo
diesel do trator foi utilizado diferentes cargas na barra de tração e vazões de entrada de ar no
sistema de alimentação. Para isso montou-se um delineamento inteiramente casualizado no
esquema fatorial 5x4, constituído por diferentes cargas na barra de tração do trator (2,7; 7,4;
11,9; 15,5 e 20,5 kN), e diferentes vazões de ar admitido pelo motor (0,077; 0,085; 0,099 e
0,109 m3.s-1), com três repetições.
3.8. Determinação do consumo de combustível
Para determinação do consumo de combustível, utilizou-se um medidor de vazão de
combustível da fabricante Oval Corporation, modelo FLOWMATE OVAL M-III LSF41L0M2, alimentado por corrente contínua e tensão entre (12~24 V), faixa de temperatura de
21
trabalho entre -20 e 80ºC e vazão permitida de 1 a 100 Lh-1, conforme Figura 6. O princípio
de funcionamento consiste em contabilizar a quantidade de volume de combustível por
unidade de tempo. Neste caso, o fluxômetro é munido de duas engrenagens ovais que ao
completarem uma volta, deslocam 1mlde combustível gerando um pulso elétrico.
Um indicador visual, fabricado pela TechMeter denominado LTC, foi instalado sobre
o painel de instrumento do trator. Os pulsos gerados pelo fluxômetro eram transmitidos para
indicador, e este foi configurado para receber 1 pulso por ml. Desse modo os dados de
consumo de combustível foram medidos em valores de unidades em mililitros.
A)
B)
FIGURA 6 - Conjunto para avaliar o consumo de combustível; A) Medidor instalado no
sistema de alimentação, B) Indicador do consumo de combustível colocado sobre o painel do
trator
3.9. Determinação do desempenho do trator
3.9.1. Potencia disponível na barra de tração
A potência na barra de tração foi determinada conforme Monteiro et al., (2013) e
Maziero et al. (2006), utilizando a Equação 2, em função da força de tração e da velocidade
de deslocamento do trator.
Desse modo, a potência na barra de tração foi calculada, de acordo com a Equação 2:
Pb =
(2)
22
Onde:
Pb – Potência na barra, (kW);
Fm – Força de tração média, (kN); e
V – Velocidade de deslocamento (km.h-1).
3.9.2. Consumo horário de combustível
Os pulsos elétricos gerados pelo fluxômetro foram convertidos em volume,
considerando a vazão de 1 ml (pulso-1) e o tempo gasto na parcela. O cálculo do consumo
horário de combustível foi feito de acordo com a Equação 3:
(3)
Ch =
Onde:
Ch - consumo horário, (L.h-1);
Np - número de pulsos do medidor de combustível, (ml); e
t - tempo de percurso da parcela, (s).
3.9.3. Consumo específico de combustível
O consumo específico de combustível foi determinado conforme Equação 4:
Ce =
Onde:
Ce- Consumo específico de combustível, (gkWh-1);
Ch- Consumo horário, (L.h-1);
Pb- potência média na barra de tração, (kW); e
- densidade do combustível, (gL-1).
x
(4)
23
3.9.4. Rendimento na barra de tração
O cálculo do rendimento na barra de tração foi de acordo a Equação 5:
Rbt =
x 100
(5)
Onde:
Rtb - Rendimento na barra de tração, (%);
Pb - Potência na barra de tração, (kW); e
Pm - Potência no motor (de acordo com dados do fabricante), (kW).
3.9.5. Patinagem da roda motriz do trator
A patinagem das rodas motrizes do trator foi determinada comparando o número de
voltas do trator sem carga com o número de voltas do trator com carga, durante o percurso de
100 m da pista de ensaio. Ao passar pelo ponto inicial foi feita uma marcação na roda e
acompanhada, contando o número de voltas completas realizada pelo pneu, até o fim da
parcela onde foi feita outra marcação e medida a distâncias entre as marcações acompanhando
o perímetro do pneu.
3.10. Determinação das emissões de gases de combustão pelo motor
Para a realização do experimento foi utilizado um monitor ambiental de combustão e
de emissão de gases da marca KANE, modelo 940 portátil, acoplado ao sistema de exaustão
do trator, Figura 6. O equipamento permitiu a aquisição dos dados de temperatura dos gases
de exaustão e análise simultânea de três parâmetros oxigênio (O2), monóxido de carbono
(CO) e óxidos de nitrogênio (NOx).
24
FIGURA 7 - Analisador de gases utilizado para medir a emissão de gases e eficiência de
combustão no escapamento.
3.11. Análise estatística
Os dados obtidos no experimento foram submetidos à análise de variância aplicandose teste F a 5% de probabilidade. Por se tratarem de dados quantitativos, os mesmos foram
avaliados por meio de análise de regressão. Foi utilizado para a realização das análises
estatísticas o programa computacional Sisvar e para fazer os gráficos o software Excel.
25
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Desempenho do conjunto mecanizado
O resultado da analise de variância para as variáveis relacionadas ao desempenho
operacional do trator estão apresentados na Tabela 2. A carga e a vazão de ar quando
analisado isoladamente, provocaram efeito significativo nas variáveis descritas, exceto a
vazão de ar para a patinagem do trator, que era o esperado. Já a interação entre a carga na
barra de tração e a vazão da entrada de ar no sistema de alimentação do motor apresentou
interação significativa para consumo horário (CH), consumo específico (CE) e rendimento na
barra de tração (RBT), com isso foi feito o desdobramento da interação para estes fatores.
TABELA 2 - Resumo do quadro da análise de variância das variáveis, consumo horário (CH),
consumo específico (CE), patinagem dos rodados do trator (PT) e rendimento na barra de
tração (RTB)
FV
GL
Quadrado Médio
CH
CE
*
PT
RBT
242,06
2,71NS
6,09NS
-
2753,63*
9,08*
5,98*
-
3,66
25,75
2,27
469, 436
6, 969
26, 697
Carga
Vazão
Carga x Vazão
Resíduo
4
3
12
40
78,99
2,59*
1,16*
-
597248,09
3545,01*
1207,79*
-
CV
-
2,71
Média
-
6, 687
*
*
* Significativo a 5% de probabilidade pelo teste de F.
CV: Coeficiente de variação da parcela (%).
4.1.1. Consumo horário de combustível
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de entrada de
ar no consumo horário de combustível, como apresentado na Tabela 2. A Figura 8 mostra o
comportamento do consumo horário da vazão de ar para as diferentes cargas. Observa-se que,
de acordo com as equações, há tendência de aumento do consumo horário à medida que as
cargas atuam com menores valores de admissão de ar.
A carga de 20,5 kN, na vazão de 0,085 m³.s-1 consumiu 11,29 Lh-1, esta mesma carga,
na vazão de 0,110 m³.s-1, consumiu 8,98 Lh-1, logo uma diferença de 20,46% a mais no
26
consumo quando a vazão de ar foi menor. Já para a carga de 15,5 kN, nas respectivas vazões
acima, o consumo foi de 7,07 e 8,07 Lh-1, com 12,4 % a mais no consumo na menor vazão de
ar. Portando, quando o trator foi tracionado nas maiores cargas 15,5 e 20,5 kN, na vazão de
0,109 m³.h-1 obteve-se o melhor consumo, conforme as equações apresentadas.
O maior consumo horário ocorreu quando o trator tracionava a maior carga, 20,5 kN, e
o menor quando tracionava a menor, 2,7 kN, resultado que era esperado, pois a demanda de
carga é proporcional ao consumo, conforme Yanaie Silveira (1999).
14,00
Consumo Horário L.h-1
12,00
y = 4566x2 - 926,1x + 56,23
R² = 0,949
20,5 kN
y = -254,3x2 + 35,75x + 6,836
R² = 0,769
15,5 kN
y = -52,58x2 - 9,849x + 7,896
R² = 0,985
11,9 KN
y = -600,9x2 + 95,00x + 1,498
R² = 0,666
7,4 kN
y = 721,6x2 - 139,1x + 10,40
R² = 0,876
2,7 kN
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0,070
0,080
0,090
0,100
0,110
0,120
Vazão de ar (m3 .s-1 )
FIGURA 8 - Consumo horário de combustível em função das diferentes vazões de ar admitido
no motor nas cargas solicitadas na barra de tração.
O comportamento do consumo horário de combustível em função das cargas aplicadas
pela barra de tração para as diferentes vazões de ar pode ser visto na Figura 9. Nota-se que
todas as vazões mantiveram um comportamento bastante conservador. As linhas de tendência
apontam para o aumento do consumo horário de acordo com as intensidades das cargas, ou
seja, conforme aumenta as cargas também aumenta o consumo horário, resultado que era
esperado.
Conforme as equações geradas, considerando a carga de 10 kN, e a vazão de ar 0,077
m³.s-1, houve um consumo de 5,84 Lh-1. Analisando esta mesma carga para uma vazão de
0,109 m³.s-1 o consumo foi de 3,79 Lh-1, proporcionando uma diferença de 35% no consumo
da mesma carga em vazões de entrada de ar diferentes.
27
14,00
y = 0,000x + 2,101
R² = 0,937
Consumo Horário (L.h -1 )
12,00
0,109 m³.s-1
10,00
8,00
6,00
y = 0,000x + 2,716
R² = 0,992
0,099 m³.s-1
y = 0,000x + 2,579
R² = 0,992
0,085 m³.s-1
y = 0,000x + 2,617
R² = 0,987
0,077 m³.s-1
4,00
2,00
0,00
0
5000
10000
15000
20000
25000
Carga (N)
FIGURA 9 - Consumo horário de combustível em função das diferentes cargas na barra de
tração nas vazões de ar admitido pelo motor.
4.1.2. Consumo específico de combustível
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor no consumo específico de combustível, como apresentado na Tabela 2. A
Figura 10 apresenta o comportamento do consumo específico de combustível da vazão de ar
dentro da carga.
Considerando a carga de 15,5 kN, na vazão de 0,110 m³.s-1, o consumo específico foi
de 327,3 gkWh-1, e esta mesma carga com uma vazão de 0,077 m³.s-1 proporcionou 352,2
gkWh-1 de consumo específico, conforme os modelos apresentados para estas cargas. Desse
modo, se observou 7,1% a mais no consumo específico quando trator tracionava na carga de
15,5 kN, na menor vazão de entrada de ar no sistema de alimentação do motor.
De maneira análoga, para a carga de 20,5 kN, o consumo foi de 326,8 gkWh-1, para
vazão de ar de 0,110 m³.s-1, e 373,9 gkWh-1 para a vazão de 0,077m³s-1, o que corresponde a
12,6 % a mais no consumo específico quando o trator arrastava a carga de 20,5 kN na menor
vazão de ar no sistema de alimentação. Comportamento esse já justificado pelo consumo
horário.
28
Percebe-se também no comportamento da Figura 10 que, os melhores desempenhos
ocorreram com os valores de 20,5 kN, 15 kN e 11,9 kN de força de tração do trator, e o pior
para a menor carga, 2,7 kN.
As cargas 11,9 kN, 15 kN e 20,5 kN, são as que representariam os melhores
desempenhos nas condições de trabalho em campo, devido ao menor custo demandado por
kW h-1, ficando perto dos valores sugeridos por Serrano (2007).
Consumo específico kgWh -1
1000
900
y = 82085x2 - 16697x + 1181
R² = 0,992
11,9 KN
y = 45576x2 - 9232,x + 797,5
R² = 0,902
15,5 kN
y = 48473x2 - 9505,x + 821,5
R² = 0,988
11,9 KN
y = 63178x2 - 11930x + 980,4
R² = 0,706
7,4 kN
y = 11241x2 - 23896x + 2099
R² = 0,725
2,7 kN
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0,070
0,080
0,090
Vazão de ar
0,100
0,110
0,120
(m3 .s-1 )
FIGURA 10 - Consumo específico de combustível em função das diferentes vazões de ar
admitido no motor nas cargas solicitadas na barra de tração.
A Figura 11 apresenta o comportamento do consumo específico para as diferentes
cargas na barra de tração nas vazões de ar admitido pelo motor. Nota-se no comportamento do
gráfico que, os melhores desempenhos ocorreram com os valores das maiores cargas, e que o
consumo específico aumentou, para todas as vazões, à medida que diminuiu as cargas,
comportamento já justificado anteriormente.
De acordo com as equações dadas se observa que, para as vazões de 0,077 e 0,109
m³.s-1, na carga de 20,5 kN, o trator consumiu 449,00 e 383,00 gkWh-1, respectivamente,
proporcionando 14,7% na diferença de consumo. Ressaltando que a curva, Figura 10, para
demais pontos de carga na barra de tração, proporciona maiores valores de consumo nos
menores valores de vazão, argumento que pode ser comprovado pelas equações geradas.
A justificativa para este comportamento está no processo de admissão de ar, pois o
volume de ar não foi suficiente para preencher os cilindros quando as menores vazões eram
29
consideradas nas parcelas em campo, assim a formação da mistura ar e combustível foi
comprometida no processo de combustão, comportamento que concorda com Souza (2010) e
Cruz (2005).
1000
y = 3E-06x2 - 0,094x + 1063
R² = 0,982
0,109 m³.s-1
y = 3E-06x2 - 0,102x + 1084
R² = 0,933
0,099 m³.s-1
y = 3E-06x2 - 0,094x + 1063
R² = 0,982
0,085 m³.s-1
y = 4E-06x2 - 0,117x + 1189
R² = 0,922
0,077 m³.s-1
900
Consumo específico (kgW.h -1 )
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Carga (N)
FIGURA 11 - Consumo específico de combustível em função das diferentes cargas na barra
de tração nas vazões de ar admitido pelo motor.
4.1.3. Patinagem nos rodados do trator
O aumento da demanda de carga, provocado pelo trator reboque, apresentou
efeito significativo na patinagem do trator, de acordo com a Tabela 2. A Figura 12
mostra os valores da patinagem para as diferentes cargas aplicadas na barra de tração,
onde se pode observar que o aumento da carga promoveu acréscimo nos valores de
patinagem nos rodados de forma linear. A equação apresentada para estimar os valores
de patinagem foi significativa a 5% de probabilidade pelo teste t.
Os valores recomendados pela ASAE EP 496.2 (1999) indicam que para a
obtenção da máxima eficiência de tração, a patinagem deve estar compreendida na
faixa de 4 a 8 % para superfície de concreto, desse modo as cargas entre 2,7e 7,4 kN
proporcionam menores valores de patinagem, proporcionando melhor eficiência de
tração. Já os valores maiores de cargas apresentaram valores de patinagem acima dos
valores recomendados pela ASAE para pista de concreto (Asfalto).
30
FIGURA 12 - Patinagem do rodado do trator em função da carga na barra de tração
4.1.4. Rendimento da potencia na barra de tração
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor no rendimento da potência na barra de tração, como apresentado na
Tabela 2. A potência que chega à barra de tração é apenas parte da potência produzida pelo
motor, sendo que uma parte bastante expressiva, da potência motriz é dissipada na barra de
tração. Pode-se observar, na Figura 13, que a vazão de ar admitido pelo motor interferiu
pouco no desempenho da barra de tração.
Verifica-se que o menor rendimento na barra de tração ocorreu na menor carga 2,7 kN,
e o maior na maior carga, 20,5 kN, mostrando que houve melhor aproveitamento da potência
disponível na barra para as maiores cargas, já para as diferentes vazões de ar a alteração no
rendimento dentro das cargas apresentou-se praticamente constante, argumento que concorda
com Almeida (2010).
31
Rendimento na Barra de tração (%)
60
50
40
30
20
y = 8148x2 - 1693x + 131,6
R² = 0,862
20,5 kN
y = -3204x2 + 631,7x + 4,710
R² = 0,486
15,5 kN
y = -4033x2 + 704,1x - 2,311
R² = 0,931
11,9 KN
y = 917,3x2 - 207x + 28,97
R² = 0,448
7,4 kN
y = 550,3x2 - 88,64x + 10,22
R² = 0,699
2,7 kN
10
0
0,070
0,080
0,090
0,100
0,110
0,120
Vazão de ar (m3 .s-1 )
FIGURA 13 - Rendimento na barra de tração em função das diferentes vazões de ar
admitido no motor para as diferentes cargas na barra de tração.
O rendimento na barra de tração para as diferentes cargas nas vazões de ar
admitido pelo motor está apresentado na Figura 14, observa-se nesta que,
características semelhantes para as diferentes quantidades de ar admitido,
apresentando menores rendimentos para as menores cargas, e maiores rendimentos
para as maiores cargas, ou seja, para todas as vazões o desempenho na barra de tração
foi proporcional ao aumento da carga.
As equações dadas determinaram valores bastante discretos no comportamento
das cargas dentro das vazões. Para carga de 15 kN, comparando as vazões de 0,077 e
0,109 m³.s-1, se observou 5,1% a mais de desempenho da barra de tração quando o a
vazão era de 0,109 m³.s-1. Quando a carga foi de 20 kN se obteve 3,9% a mais de
rendimento para esta mesma vazão. Esta diferença foi devido à interferência de
admissão de ar no processo de combustão, pois a obstrução provocada no sistema de
admissão de ar proporcionou a queda do rendimento no motor quando se trabalhou
com menos ar, concordando com Leontsinis (1988).
O melhor valor de desempenho na barra ficou para a carga de 20 kN, valores
máximos considerados na barra de tração do trator ensaiado, que se aproxima dos
valores considerados por Monteiro et al., (2013).
Ressalta-se que em um motor de ciclo diesel, quando se aumenta a carga, o
sistema de injeção de diesel, através da bomba injetora, aumenta a injeção de
32
combustível, tornando a mistura mais energética, conferindo mais potência efetiva no ato da
combustão, conforme a proporção de ar admitido. Desempenhos semelhantes foram
encontrados por Lourenço (2010).
Rendimento na barra de tração (%)
60
y = 0,002x + 1,772
R² = 0,997
0,109 m³.s-1
y = 0,002x + 1,617
R² = 0,995
0,099 m³.s-1
y = 0,002x + 1,393
R² = 0,998
0,085 m³.s-1
y = 0,002x + 0,158
R² = 0,992
0,077 m³.s-1
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Carga (N)
FIGURA 14 - Rendimento na barra de tração em função das cargas na barra de tração nas
diferentes vazões de ar admitido pelo motor.
4.2. Emissões de gases de combustão pelo motor
O resultado da analise de variância para as variáveis relacionadas à emissão de gases
de combustão pelo motor do trator estão apresentados na Tabela 3. A carga e a vazão de
entrada de ar apresentaram efeito significativo de forma isolada e na interação entre as duas
variáveis. Assim, foi feito o desdobramento da interação entre os fatores.
33
TABELA 3 - Resumo do quadro de análise de variância das variáveis temperatura (TEMP),
oxigênio (O2), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx)
Quadrado Médio
FV
GL
TEMP
O2
CO
NOX
Carga
4
89865,35*
142,17*
59529,67*
354,57*
Vazão
3
9380,36*
24,38*
7445,95*
23,50*
Carga x Vazão
12
829,11*
1,60*
19055,99*
1551,84*
Resíduo
40
CV(%)
5,89
3,63
8,81
52,54
Média
283.83
12,42
302,87
37,58
* Significativo a 5% de probabilidade pelo teste de F.
CV: Coeficiente de variação da parcela (%).
4.2.1. Temperatura dos gases de emissão
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor na temperatura dos gases emitidos pelo escapamento, como apresentado
na Tabela 3. A Figura 15 apresenta o comportamento da temperatura de emissão dos gases
para as diferentes vazões de ar nas cargas aplicadas pela barra de tração. Verifica-se que na
carga de 20 kN obteve a maior temperatura de saída dos gases, para valores de vazão próximo
a 0,075 m3.s-1.
Este comportamento está relacionado à formação da mistura ar e combustível, pois as
cargas mais intensas demandaram um aporte energético mais efetivo (conforme demonstrados
pelos gráficos de consumo), assim, o calor liberado pela combustão, foi mais intenso devido
ao maior consumo de diesel nas solicitações de carga mais intensas. Desse modo a
justificativa mais aceitável para os maiores valores de temperatura está na formação de um
mistura mais rica, graças à diminuição da vazão de ar, concordando com Pinheiro e Valle
(1995).
34
y = 20355x2 - 40805x + 2407
R² = 0,957
Temperatura dos gases de descarga ( o C)
600
20,5 kN
500
y = 41772x2 - 6196x + 535,9
R² = 0,810
400
300
200
15,5 kN
y = 41548x2 - 6887x + 550,8
R² = 0,860
11,9 KN
y = 93922x2 - 15843x + 872,6
R² = 0,971
7,4 kN
y = 42318x2 - 7139x + 477,8
R² = 0,973
2,7 kN
100
0
0,070
0,080
0,090
0,100
0,110
0,120
Vazão de ar (m3 .s-1 )
FIGURA 15 - Temperatura dos gases de emissão em função das vazões de ar admitido no
motor para as diferentes cargas solicitadas na barra de tração.
A Figura 16 apresenta a temperatura dos gases, contra os fatores cargas dentro das
vazões de ar. Pode-se observar um comportamento bastante conservador da evolução das
linhas de tendência das vazões na variável resposta temperatura. Esta correlação positiva pode
ser justificada devido ao volume de ar admitido pelo motor, ser insuficiente para atuar como
componente arrefecedor na combustão, proporcionando assim a formação de um material
mais energético, considerando neste caso, mais uma vez, a formação de uma mistura rica,
concordando também com Pinheiro e Valle (1995).
35
600
y = 0,011x + 136,5
R² = 0,982
0,109 m³.s-1
y = 0,011x + 135,7
R² = 0,978
0,099 m³.s-1
y = 0,012x + 140,2
R² = 0,987
0,085 m³.s-1
Temperatura (0 C)
500
400
300
200
y = 0,014x + 147,1
R² = 0,946
100
0,077 m³.s-1
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Carga (N)
FIGURA 16 - Temperatura dos gases de emissão em função das cargas na barra de tração nas
diferentes vazões de ar admitido pelo motor.
4.2.2. Emissão de Oxigênio (O2)
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor na emissão de oxigênio, como apresentado na Tabela 3. A Figura 17
apresenta as equações mostrando o comportamento da emissão de oxigênio nas diferentes
vazões de ar para cada carga aplicada pela barra de tração.
A carga de 20 kN apresentou a menor emissão de oxigênio, 5,36%; e a carga de 2,7
kN a maior emissão, 17,1%; de acordo com as equações geradas. Os comportamentos das
linhas de tendência, bem como as equações, apontam para um acréscimo da emissão de
oxigênio à medida que os valores da vazão de ar aumentaram, resultado que era esperado. A
justificativa para esta variação foi causada pelas restrições provocadas na entrada de ar, pois o
regime de escoamento de admissão de ar foi interrompido, diminuindo a capacidade de
aspiração do motor, argumento que concorda com Rech (2010) e Cruz (2005).
36
18
y = 34,25x + 13,32
R² = 0,742
20,5 kN
y = 63,64x + 8,830
R² = 0,887
15,5 kN
y = 67,42x + 6,291
R² = 0,903
11,9 KN
y = 87,70x + 2,565
R² = 0,782
7,4 kN
y = 149,7x - 6,175
R² = 0,766
2,7 kN
16
Emissão de O2 (%)
14
12
10
8
6
4
2
0
0,070
0,080
0,090
0,100
Vazão de ar
0,110
0,120
(m3 .s-1 )
FIGURA 17 - Emissão de O2 em função das vazões de ar admitido no motor para as
diferentes cargas solicitadas na barra de tração.
A variável resposta emissão de oxigênio, nos fatores cargas dentro das vazões de ar
estão apresentados na Figura18. Houve, de acordo com o gráfico, uma tendência de
correlação negativa para o comportamento das cargas dentro das vazões, ou seja, à medida
que a carga na barra de tração diminui, aumenta-se a emissão de oxigênio.
A emissão de oxigênio depende diretamente da reação de oxidação entre a quantidade
de oxigênio (contido no ar) e o carbono disponível naquela quantidade de combustível, assim,
a rotação do motor é quem determina o fluxo de ar comburente para o processo de queima, e,
a bomba injetora, também na dependência da rotação, tem a responsabilidade de dosar o
quantitativo de combustível suficiente para uma formação de uma mistura que seja ideal.
Portanto é aceitável afirmar, para este comportamento, que a rotação do motor
influenciou na admissão do ar e no débito de combustível, concordando com Almeida et al.,
(2010).
37
20
18
y = -0,000x + 18,37
R² = 0,990
0,109 m³.s-1
y = -0,000x + 18,29
R² = 0,998
0,099 m³.s-1
y = -0,000x + 18,04
R² = 0,994
0,085 m³.s-1
Emissão de O2 (%)
16
14
12
10
8
6
4
y = -0,000x + 18,01
R² = 0,977
2
0,077 m³.s-1
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Carga (N)
FIGURA 18 - Emissão de O2 em função das cargas na barra de tração nas diferentes vazões
de ar admitido pelo motor.
4.2.3. Emissão de monóxido de carbono
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor na emissão de monóxido, como apresentado na Tabela 3. A Figura 19
apresenta o comportamento da emissão de monóxido de carbono, da vazão de ar dentro da
carga.
Houve uma diferença de 60% na emissão de CO, quando se comparou as cargas de 2,7
kN, na vazão de 0,077 m³.s-1 com a carga de 20kN, na vazão de 0,109 m³.s-1 de acordo com as
equações geradas.
Nota-se que, conforme as linhas de tendência, quando as cargas atuaram com menores
valores de vazão de ar, aumentaram os níveis de emissão de monóxido de carbono. A
justificativa para este comportamento foi que o motor trabalhou com ar insuficiente no
processo de combustão, pôde ter havido deficiência na combustão, ocorrendo combustões
incompletas, contribuindo assim com o aumento nas emissões monóxido de carbono,
concordando com Heywood (1988).
38
700
y = -2197x + 451,3
R² = 0,902
20,5 kN
y = -3320x + 567,2
R² = 0,5
15,5 kN
y = -418,7x + 301,8
R² = 0,410
11,9 KN
200
y = -4164x + 712,3
R² = 0,687
7,4 kN
100
y = -8351x + 1183
R² = 0,762
2,7 kN
Emissão de CO (ppm)
600
500
400
300
0
0,070
0,080
0,090
0,100
0,110
0,120
Vazão de ar (m3 .s-1 )
FIGURA 19 - Emissão de CO em função das vazões de ar admitido no motor para as
diferentes cargas solicitadas na barra de tração.
A Figura 20 apresenta a performance da emissão de monóxido de carbono em função
da carga de ar para as diferentes vazões de ar. Observa-se que a vazão de ar interferiu na
emissão de monóxido de carbono, onde houve tendência de redução na emissão com o
aumento das cargas solicitadas na barra de tração. Nota-se que, de acordo com as linhas de
tendência e as equações geradas, houve maior concentração na emissão de monóxido de
carbono quando o motor apresentou menor solicitação de energia.
A justificativa mais provável para este comportamento está na melhora da eficiência
da combustão nas cargas mais intensas, isto se deve a uma maior rotação do motor que foi
mais exigido nas maiores cargas. Em um motor diesel, aumentar a carga significa aumentar a
quantidade de combustível a ser injetado, melhorando assim a queima do conteúdo
energético, de acordo com Lourenço (2010) e Heywwod (2008).
39
FIGURA 20 - Emissão de CO em função das cargas na barra de tração nas diferentes vazões
de ar admitido pelo motor.
4.2.4. Emissão de óxidos de nitrogênio (NOx)
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor na emissão de óxido de nitrogênio, como apresentado na Tabela 3. A
Figura 21 apresenta o desempenho da emissão de óxido de nitrogênio em função da vazão de
ar nas diferentes cargas. Observa-se que os valores de carga mais intensos promoveram um
maior nível de emissão de óxidos de nitrogênio.
A justificativa para este comportamento é que a formação deste gás se dá
principalmente com motor em carga, e para sua formação, necessita-se de concentrações
elevadas de oxigênio em altas temperaturas da câmara de combustão. Portanto, a Figura 17
comprova esta afirmação, pois a tendência das cargas na temperatura é análoga ao
comportamento das emissões de monóxido de carbono.
40
70
Emissão de Nox (ppm)
60
50
y = 4093x2 - 974,2x + 107,6
R² = 0,795
20,5 kN
y = 16461x2 - 2953x + 170,2
R² = 0,581
15,5 kN
y = 11273x2 - 2655x + 191,4
R² = 0,626
11,9 KN
40
30
20
y = -59477x2 + 10971x - 464,1
R² = 0,739
7,4 kN
y = 47134x2 - 8672x + 401,7
R² = 0,971
2,7 kN
10
0
0,070
0,080
0,090
0,100
0,110
0,120
Vazão de ar (m³.s-1 )
FIGURA 21 - Emissão de NOx em função das vazões de ar admitido no motor para as
diferentes cargas solicitadas na barra de tração.
Houve efeito significativo para a interação das diferentes cargas e vazões de ar
admitido pelo motor na emissão de óxidos de nitrogênio pelo motor, como apresentado na
Tabela 3. A Figura 22 apresenta o comportamento da emissão de oxido de nitrogênio em
função da carga para as diferentes vazões de ar.
A justificativa para este comportamento, conforme já mencionado anteriormente, se
deu devido ao aumento da temperatura nas solicitações de trabalho do motor, concordando
com Lourenço (2010) e Heywood (1988).
41
70
Emissão de NOx (ppm)
60
50
40
30
y = 0,002x + 9,662
R² = 0,989
0,109 m³.s-1
y = 0,002x + 14,43
R² = 0,588
0,099 m³.s-1
y = 0,002x + 4,709
R² = 0,818
0,085 m³.s-1
y = 0,002x + 13,95
R² = 0,715
0,077 m³.s-1
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Carga (N)
FIGURA 22 - Emissão de NOx em função das cargas na barra de tração nas diferentes vazões
de ar admitido pelo motor.
42
5. CONCLUSÕES
Nas condições em que foi desenvolvido este trabalho, pode-se concluir que:
A vazão de ar comburente quando admitida pelo motor nos menores valores, 0,077 a
0,085 m³.s-1 aumentou o consumo de combustível, principalmente para as maiores cargas,
20,5 e 15,4 kN.
A patinagem foi influenciada apenas pelas cargas, sendo que a maior carga, 20,5 kN
proporcionou a maior patinagem.
O rendimento na barra de tração foi maior quando o trator foi submetido a carga de
20,5 kN.
A temperatura de combustão aumentou com o acréscimo das cargas para as diferentes
vazões de ar.
Houve redução na emissão de oxigênio (O2) para os maiores valores de cargas
aplicados na barra de tração do trator. Já as maiores vazões de ar apresentaram tendência de
aumento no percentual de oxigênio.
Os menores valores de vazão, 0,077 e 0,085 m³.s-1 contribuíram para o aumento da
emissão de monóxido de carbono (CO). Já as maiores cargas influenciaram na redução da
emissão do monóxido de carbono.
O aumento do NOx, foi influenciado com acréscimo das cargas aplicadas na barra de
tração.
43
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49
ANEXO
50