Der Flexfuel Traktor

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Für die Landwirtschaft bieten kaltgepresste, also selbst bzw. dezentral erzeugte und genutzte Pflanzenöle als Kraftstoffe gegenüber anderen Biokraftstoffen und fossilem Diesel erhebliche wirtschaftliche Vorteile bei gleichzeitig sehr hohem Treibhausgas-Minderungspotenzial, ohne im ethischen Widerspruch zur Nahrungsmittelproduktion zu stehen. Der monetäre Vorteil nimmt dabei mit steigender Betriebsgröße zu, ist jedoch derzeit stark abhängig von den politischen Rahmenbedingungen, in Deutschland insbesondere bezüglich der Energiesteuer und der Agrardieselrückvergütung. Aufgrund der unterschiedlichen Kraftstoffeigenschaften von konventionellem fossilem Diesel und reinen Pflanzenölen ist der Einsatz dieser Treibstoffe an die Anpassung der Motorhardware und -software gebunden, damit einerseits die volle Funktionalität, insbesondere die gewohnte Leistungscharakteristik, sowie die Zuverlässigkeit der Motoren gewährleistet bleibt und andererseits die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte mit allen Kraftstoffen, nicht nur wie gesetzlich gefordert mit Diesel, eingehalten werden. Aus diesen Prämissen ergibt sich der Wunsch, das aus dem PKW-Bereich bekannte Flexfuel Konzept von Ethanol-Ottomotoren auf den Dieselmotor in Landmaschinen zu übertragen, wozu im Rahmen dieser Arbeit grundlegende Untersuchungen durchgeführt wurden. Dazu wurden zunächst die Verbrennungseigenschaften der Kraftstoffe Diesel, Raps-, Sonnenblumen-, Jatropha- und Leindotteröl untersucht und einander gegenüber gestellt. Als vorteilhaft für das angestrebte Flexfuel Konzept erwies sich die Tatsache, dass sich die Pflanzenöle insbesondere gegenüber Dieselkraftstoff untereinander sehr ähnlich verhalten. Die gesetzlich limitierten Emissionen konnten mit allen Pflanzenölen mit derselben, für Rapsöl entwickelten Software eingehalten werden. Dadurch ist es möglich einen Flexfuel Motor mit nur zwei Software-Kennfeldern, einem für Diesel und einem für Pflanzenöl, zu realisieren. Im nächsten Schritt wurden Mischungen von Pflanzenöl- und Dieselkraftstoff hinsichtlich ihrer Verbrennungseigenschaften untersucht, um diejenige Mischungsstufe zu bestimmen, bei welcher eine Umschaltung zwischen den derzeit verfügbaren zwei Kennfeldern erfolgen sollte. Die wichtigsten Kriterien hierbei sind die Leistung und die limitierten Emissionen. Als idealer Umschaltpunkt wurde ein Gemisch aus 40% Pflanzenölanteil und 60% Dieselkraftstoff identifiziert. Im Dieselbetrieb, bzw. bis zu diesem Pflanzenölanteil im Kraftstoff, kann der Motor mit einem Dieselkennfeld betrieben werden. Bei höheren Pflanzenölanteilen wird auf die Pflanzenölcharakteristik umgeschaltet. Auf diese Weise werden der Toleranzbereich der Motormaximal- bzw. -nennleistung sowie die Grenzwerte für die limitierten Emissionen jederzeit eingehalten. Abschließend wurden die Möglichkeiten der Kraftstofferkennung geprüft, wozu neben den genannten Pflanzenölen und Diesel auch Biodiesel mit einem Hydraulik- und Motorölsensor untersucht wurde, der die Dichte, die dynamische Viskosität und die Permittivitätszahl misst. Bei der für die Versuche anfänglich eingestellten Kraftstofftemperatur von 40 °C können Diesel, Biodiesel und Pflanzenöl mit zwei beliebigen der drei Messgrößen des Sensors sicher unterschieden werden. Bei steigender Viskosität der Kraftstoffe nimmt jedoch der Fehler deutlich zu und damit die Detektionssicherheit soweit ab, dass für einen erweiterten praxisrelevanten Temperaturbereich die Nutzung aller drei Messgrößen erforderlich wird. Dies gilt insbesondere, wenn nicht nur Reinkraftstoffe, sondern, wie im praktischen Einsatz zu erwarten, auch unbekannte Mischungen dieser Kraftstoffe vorliegen und erkannt werden sollen. Über einen Temperaturbereich von 25 bis 60 °C können mit den ermittelten Fehlern Mischungsstufen von Diesel und Pflanzenöl von 10 bis 20% sicher unterschieden werden. Insgesamt wurden die Grundlagen geschaffen, einen aktuellen Common Rail Motor in einen Kraftstoff-flexiblen Motor umzuwandeln. Dabei dienen derzeit zwei Kennfelder zur Anpassung der Verbrennungsparameter an den jeweiligen Kraftstofftyp. Sollten in Zukunft mehrere Kennfelder zur Verfügung stehen, bzw. sogar eine Interpolation zwischen diesen ermöglicht werden, können die Ergebnisse der Untersuchung von Kraftstoffmischungen weiter genutzt werden. Zukünftig werden die Einsparung von Treibhausgasen, sowie die weitere Reduzierung der limitierten Abgaskomponenten durch die Abgasstufen 3b und 4 auch den Einsatz von Pflanzenölkraftstoffen immer stärker beeinflussen. Im EU Projekt 2nd VegOil wurden in Bezug auf die neu eingeführten Abgasnachbehandlungssysteme vielversprechende Ergebnisse erzielt, nach denen Pflanzenölkraftstoffe der zweiten Generation auch in Motoren mit Abgasnachbehandlungssystem eingesetzt werden können.