Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von Ackerschleppern im besonderen Hinblick auf die CO2-Emissionen

Abstract

Agricultural tractors are currently almost exclusively driven by diesel engines. By rising fuel prices and growing ecological awareness concerning CO2-emissions and preservation of fossil fuel resources the importance of fuel consumption has been increasing. Generally, the substitution of diesel by alternative fuel based on vegetable oil is possible, however the potential for the substitution is limited by the scarcity of agricultural farmland and categorized as low. The cost savings are not very big due to higher fuel consumption with bio fuel. Therefore, only the reduction of fuel consumption for different agricultural operations and if applicable the reorganisation of the production chains can contribute to a sustained reduction of fuel consumption and costs. In this thesis the basic influencing factors on fuel consumption of tractors are shown. Field tests are only of limited usefulness for the examination of single influencing variables. For those studies a model had to be developed. The presented model is based on the status of science concerning engine and transmission performances as well as tractive performance for agricultural tractors and is combined with the ASAE-Standard 497.4-model for the tractive force needed to pull the implement. As existing tyre-soil-models are only of limited use to predict tractive performance in the field and to deliver these values to the tractor model, an independent traction prediction model was developed. It is based on empirical equations, which were parameterized on the basis of numerous field tests. Furthermore, the influence of the fuel consumption for turning over in the headlands and for transportation work were investigated and considered in the model. The new model was implemented into the software Matlab to determine fuel consumption for different agricultural work and defined parameter variations. The calculated values were compared to the results of field tests with a special equipped tractor at the University of Hohenheim to validate the model. The model was used to investigate the influence of numerous influencing parameters, the effect on fuel consumption was shown and optimization strategies were developed. The saving potential by the optimization of the working process is up to 30 % for different implements, depending on the current state. For this purpose the tractive efficiency must be maximized by the correct weight of the tractor and the correct tyres, tractor and implement must be adjusted ideal, four wheel drive and differential locks must be used if necessary and the transmission ratio must be chosen to run the engine close to the optimum working point with the optimum engine load. Besides the process optimisation it is important to deliver standard values for the fuel consumption for different working operations and production chains for the practical use. For the presented model a large number of parameters has to be determined, thus it is of limited use to calculate standard values. Furthermore, it is too accurate for those calculations. Therefore, the model was used to obtain simplified equations for a quick and simple calculation of fuel consumption values, considering the major criteria of engine, transmission and tractive performance of the tractor as the drawbar pull and the needed PTO-power of the implement. On the basis of these equations, implemented into Microsoft Excel, the required standard values for fuel consumption can be calculated for different tractors with implements of different size and defined soil conditions. However, the required data of some implements are not complete. For the most important agricultural implements these parameters were determined by measurements or collected from KTBL- or FAT-values. The results for different operations and production chains are correlating well with values measured in the field. The effect of the field size or the distance between field and the farm yard on fuel consumption can be shown as well. The saving potential by changing the whole production chain (like zero tillage) is enormous, however, there are horticultural and economical external effects. As those economical effects can hardly be estimated, the conversion of the production chain has to be reviewed for the individual case. In the future the importance of fuel consumption will increase. Different saving strategies will gain in importance in order to optimize agricultural operations with respect to fuel consumption. The approach of this thesis can be used to show saving potentials, to develop optimization strategies and to calculate values for the fuel consumption of different agricultural operations.

Zum Antrieb von Ackerschleppern werden heute fast ausschließlich Dieselmotoren eingesetzt. Durch die gestiegenen Kraftstoffpreise und das wachsende Umweltbewusstsein bezüglich CO2-Emissionen und Ressourcenschonung gewinnt der Kraftstoffverbrauch zunehmend an Bedeutung. Die Substitution von Diesel durch alternative Kraftstoffe auf Pflanzenölbasis ist grundsätzlich möglich, dennoch wird das Substitutionspotenzial aufgrund von Anbauflächenknappheit als gering eingestuft und die Kosteneinsparung ist durch höheren Kraftstoffverbrauch bei der heutigen Preissituation trotz der Mineralölsteuerbefreiung gering. Folglich können nur die Einsparung von Kraftstoff bei den verschiedenen Arbeitsgängen und gegebenenfalls eine Umstellung der Produktionsverfahren nachhaltig zur Verbrauchs- und Kostensenkung beitragen. In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch aufgezeigt. Da Feldversuche sich nur begrenzt zur Untersuchung von Einzelparametern eignen, wurde ein Modell entwickelt, um derartige Betrachtungen durchführen zu können. Das vorgestellte Modell basiert auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft zum Motor-, Getriebe-, und Laufwerksverhalten von Ackerschleppern und wurde mit dem Verfahren zur Zugkraftberechnung unterschiedlicher Geräte nach dem ASAE-Standard 497.4 kombiniert. Da sich vorhandene Reifen-Boden-Modelle nur eingeschränkt zur Vorhersage des Triebkraftverhaltens unter Praxisbedingungen für das Gesamtmodell eignen, wurde ein eigenes Reifen-Boden-Modell entwickelt. Dieses ist aus empirischen Gleichungen aufgebaut, welche anhand zahlreicher Messungen parametrisiert wurden. Des Weiteren wurden der Einfluss des Verbrauchs zum Wenden und für Transportfahrten zum Feld untersucht und im Modell berücksichtigt. Das neue Modell wurde mit dem Programm Matlab umgesetzt, um das Verbrauchsverhalten bei unterschiedlichen Arbeiten für definierte Parametervariationen bestimmen zu können. Die Validierung erfolgte durch den Vergleich mit Messergebnissen, die bei der Bodenbearbeitung mit einem entsprechend ausgestatteten Schlepper durchgeführt wurden. Mit dem Modell wurden der Einfluss einer Vielzahl von Einzelparametern untersucht, die Auswirkungen auf den Verbrauch gezeigt und Optimierungsmöglichkeiten entwickelt. Das Einsparungspotenzial durch die Optimierung des Arbeitsprozesses bei unterschiedlichen Arbeiten liegt je nach Ist-Zustand bei bis zu 30 %. Hierzu muss der Laufwerkswirkungsgrad durch richtige Ballastierung und entsprechende Reifenwahl maximiert werden, Zugfahrzeug und Gerät müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, Allradantrieb und Differenzialsperren müssen bei Bedarf zugeschaltet werden und die Getriebeübersetzung muss so gewählt werden, dass nahe dem optimalen Betriebspunkt des Motors gefahren wird. Neben diesen Kriterien der Prozessoptimierung ist auch die Bereitstellung von Standard- Verbrauchswerten (Faustzahlen) für unterschiedliche Arbeiten und Produktionsketten von großer Wichtigkeit für die Praxis. Da für das vorgestellte Modell sehr viele Eingangsparameter bestimmt werden müssen und für eine Faustzahlenberechnung kein so genaues Modell erforderlich ist, wurden aus dem genauen Modell vereinfachte Gleichungen zur Verbrauchsberechnung abgeleitet. Diese ermöglichen eine schnelle und einfache Berechnung von Kraftstoffverbrauchswerten und spiegeln dabei das grundsätzliche Motor-, Getriebe- und Triebkraftverhalten des Schleppers gut wider. Auch der Zug- und Zapfwellenleistungsbedarf der Geräte wird berücksichtigt. Anhand dieser Gleichungen, die in ein Excel-Modell umgesetzt wurden, können nun schnell und einfach Verbrauchswerte für unterschiedliche Arbeiten berechnet werden. Bei den benötigten Daten für die verschiedenen Geräte treten allerdings noch Lücken auf, die es zu beheben gilt. Für die wichtigsten ackerbaulichen Arbeiten wurden bereits Parameter anhand von Messungen und auf Basis der KTBL- und FAT-Werte bestimmt. Die Ergebnisse für unterschiedliche Arbeiten und Produktionsketten zeigen gute Übereinstimmung mit gemessenen Verbrauchswerten. Ebenso kann deutlich der Einfluss von der Schlaggröße oder der Feldentfernung auf den Verbrauch gezeigt werden. Das Einsparungspotenzial durch Umstellung der Produktionskette (z.B. auf Minimalbodenbearbeitung) ist erheblich, dennoch sind die pflanzenbaulichen Auswirkungen groß, die wiederum betriebswirtschaftliche Folgen haben. Da solche externen Effekte kaum abgeschätzt werden können, sind Aussagen zur Veränderung der Produktionskette zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs für den Einzelfall zu überprüfen.