Forschungs- und Innovationsprojekt MuSt5-Trak
Entwicklung und Feldtest eines Abgasstufe V Multi-Fuel-Traktors

An einem wolkenlosen sonnigen Tag. Im Vordergrund ein reifes Rapsfeld, an der Feldkante zwei grüne Traktoren welche sich gegenüberstehen, auf den ausgeklappten Unterlenkern steht ein mit gelblicher Flüssigkeit gefüllter Kanister. Zur rechten und linken anschließend an die Traktoren befinden sich Hecken beziehungsweise Bäume. Im Hintergrund sieht man weitere Felder und Wiesen, welche durch Straßen durchschnitten werden, dahinter ist Wald.
Auf Basis eines Serien-Dieseltraktors soll vom John Deere European Technology Innovation Center ein Multi-Fuel-Traktor der Stufe V entwickelt werden, welcher mit verschiedenen Kraftstoffen (Pflanzenöle, Biodiesel, Diesel) sowie mit Mischungen daraus gleichermaßen betrieben werden kann. Der Traktor wird dazu mit einem Kraftstofferkennungssystem und einer automatischen Anpassung der Motorparameter in Abhängigkeit vom jeweiligen Kraftstoff ausgestattet und im Praxiseinsatz getestet. Der Multi-Fuel-Traktor soll einen sicheren, effizienten und schadstoffarmen Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen und Kraftstoffmischungen gewährleisten. Dadurch sollen sich die Markteinführungschancen von Pflanzenölkraftstoffen in der Land- und Forstwirtschaft verbessern.

Ziel

Gesamtziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung eines Multi-Fuel-Traktors der Abgasstufe V, der eine größtmögliche Flexibilität bei der Wahl des Kraftstoffes sowie eine hohe Betriebssicherheit bietet und Hemmnisse beim Einsatz von Biokraftstoffen abbaut. Das Ziel des Teilvorhabens 1, welches vom Projektkoordinator John Deere bearbeitet wird, ist es, einen Detektionsalgorithmus für Kraftstoffe zu entwickeln, diesen an einem Motorenprüfstand zu testen und durch eine entsprechende Motorsteuerung auf einem Versuchsfahrzeug zu implementieren. Im Teilvorhaben 2, das vom Technologie- und Förderzentrum bearbeitet wird, werden Sensoren für die Kraftstofferkennung geprüft und bewertet und das Multi-Fuel-Konzept auf Versuchstraktoren im Feld erprobt. Ziel des Teilvorhabens 3, bearbeitet durch die Technische Universität Kaiserslautern, ist es schließlich, am Motorenprüfstand Sensortests und Optimierungen des Motorenbetriebs durchzuführen.

Methode

Die wesentlichen Arbeitspakete umfassen:

  • Evaluierung von Sensoren,
  • Modellentwicklung zur Kraftstoffidentifikation,
  • Emissions- und Leistungsmessung des Traktors im Multi-Fuel-Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen und Kraftstoffmischungen am Traktorenprüfstand sowie
  • Felderprobung der Traktoren im reinen Pflanzenölbetrieb und im Multi-Fuel-Betrieb.
Im Vordergrund grüner John Deere 6250R Traktor von unten nach oben aufgenommen mit Sonne über dem Traktordach im Hintergrund.

Projekttraktor John Deere 6250R

In einer Halle, im Vordergrund befinden sich verschiedene Messgeräte und Behälter, dahinter ist ein grüner John Deere Traktor an welchem die verschiedenen Geräte angeschlossen sind.

Traktorenprüfstand des TFZ

An einem sonnigen Tag, im rechten unteren Eck im Vordergrund unscharf ein Ackerrandstreifen, auf der rechten Bildhälfte ein John Deere 6135R Traktor neben einem auf der linken Bildhälfte befindlichen Rapsfeld in Vollblüte.

Projekttraktor John Deere 6135R

Beschriftete Laborglasgefäße mit blauem Deckel vor weißem Hintergrund, das erste Gefäß ist fast gänzlich mit einer hellgelben Flüssigkeit gefüllt, das Zweite mit einer bräunlichen und das Dritte mit einer mittelgelben Flüssigkeit. Die Beschriftungen verweisen der Reihe nach auf den Inhalt, Dieselkraftstoff, Fettsäuremethylester „Biodiesel“ und Rapsölkraftstoff; es sind zudem auf den Etiketten weitere Informationen zu den Stoffen verzeichnet und bei dem ersten Gefäß sind auch Gefahrgutzeichen sichtbar.

Diesel, Biodiesel und Rapsölkraftstoff

Ein Herr spricht mit umstehenden Personen. Im Hintergrund befindet sich ein John Deere-Schlepper in einer Messehalle.

Messeauftritt Grüne Woche 2020 in Berlin

Ein Schlepper der Firma John Deere wird in einer Messhalle mit einem Frontgewicht und dem Aufkleber "Pflanzenöl" auf der Front-Fensterscheibe präsentiert.

Messeauftritt Grüne Woche 2020 in Berlin

An einem wolkenlosen sonnigen Tag. Zur Linken ist ein im Hintergrund mit dem Horizont verschmelzendes gelb blühendes Feld, an der vorderen Bildkante ein gekiester Feldweg und auf der rechten Seite, auf diesem stehend, ein von der Sonne angeschienener grüner Standardtraktor mit gelben Felgen.

Reduzierte Treibhausgasemissionen

An einem sonnigen Tag, im Vordergrund befindet sich ein grüner Traktor mit gelben Felgen, dieser steht auf einer Wiese am Rand eines Weihers, welcher teilweise mit Wasserpflanzen bedeckt ist. Am anderen Ufer des Weihers sieht man Büsche und eine Blumenwiese dahinter an Weiher und Wiese angrenzend Büsche die in Wald übergehen.

Biologische Abbaubarkeit

Abschlussveranstaltung "Der Multifuel-Traktor"

Das Forschungsvorhaben „Entwicklung und Feldtest eines Abgasstufe 5 Multi-Fuel-Traktors (MuSt5-Trak)“ steht kurz vor dem Projektende mit einem erfolgversprechenden Stand der Ergebnisse. Diese haben die Projektpartner John Deere GmbH & Co. KG, Technische Universität Kaiserslautern und das Technologie- und Förderzentrum (TFZ) am 12.08.2021 in einer gemeinsamen Abschlussveranstaltung präsentiert. Die Online-Veranstaltung hat mehr als 100 Vertreter aus Politik, Landwirtschaft, Forschung und Industrie erreicht.
John Deere hat gezeigt, dass eine Kraftstoffdetektion mit vorhandenen motorinternen Sensoren möglich ist und diese zur definierten Umschaltung von Motorkennfeldern in einer Feldtestmaschine eingesetzt. Durch die Nutzung künstlicher Intelligenz konnten weitere Präzisierungen am Kraftstoffdetektionsalgorithmus vorgenommen werden.
Die Technische Universität Kaiserslautern (TUK) hat das Projekt am Motorenprüfstand mit der Datengenerierung zum Kraftstoffdetektionsalgorithmus unterstützt. Außerdem wurde eine Lösung für die Partikelfilterregeneration mit Pflanzenölkraftstoffen entwickelt. Die Untersuchungen der TUK haben auch gezeigt, dass durch Rapsölkraftstoff und Rapsöl-Diesel-Mischungen ein erhebliches Potential zur innermotorischen Emissionsminderung besteht.
Am Technologie- und Förderzentrum wurden Versuche am Traktorenprüfstand und Kraftstoffsensortests durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Traktoren mit Multi-Fuel-Konzept mit allen Kraftstoffmischungen das Leistungsniveau des Dieselbetriebs erfüllen und dabei auch die aktuellen Emissionsgrenzwerte einhalten. Die Untersuchungen der Kraftstoffsensoren haben gezeigt, dass sich diese zur Kraftstoffdetektion eignen, insbesondere wenn die Grenzen der Erkennung durch motorinterne Sensorik erreicht wird.
Durch das Multi-Fuel-Konzept wurde die Möglichkeit einer nachhaltigen Alternative für den Antrieb von Agrarfahrzeugen aufgezeigt und erprobt. Die gewonnenen Erkenntnisse können in die zukünftigen Fahrzeugentwicklungen des Projektpartners John Deere mit einfließen und dadurch die Landschaft der Agrartechnik nachhaltig beeinflussen.

Die Vortragsfolien stehen hier zum Download bereit. pdf 3,5 MB

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Multi-Fuel Konzept für Traktoren | John Deere DE

Einblicke in die Forschung

In einer großen holzgetäfelten Halle mit rotem Boden steht mittig in der Halle ein grüner Traktor mit gelben Felgen, er zeigt leicht schräg nach vorne in Richtung des linken Bildrands. Die Motorhaube des Traktors ist nach oben aufgeklappt. Der Motor des Traktors ist an viele Leitungen in verschiedenen Stärken angeschlossen. Um den Traktor herum stehen mehrere Geräte, zu denen die Leitungen führen. Hinter dem Traktor befindet sich ein blauer Wagen unter einer silbernen Abzugshaube, dahinter stehen Regale an der Wand. An der Rückwand der Halle befinden sich ein Plakat mit Rapsblüten, mehrere Lüftungsgitter sowie eine Doppeltüre.
Im ersten Quartal 2021 wurde Emissions- und Leistungsmessungen am John Deere 6135R mit Diesel, Biodiesel und Rapsöl sowie mit binären Mischungen aus diesen Kraftstoffen erfolgten. Für jeden Reinkraftstoff und jede Mischung wurde ein darauf zugeschnittenes Kennfeld auf dem Motorsteuergerät verwendet, um eine optimale und emissionsarme Verbrennung zu ermöglichen. Die Messungen zeigten, dass die Emissionen unabhängig von der vorliegenden Kraftstoffmischung weit unterhalb der Grenzwerte für die Typgenehmigung liegen und teilweise sogar an der Nachweisgrenze. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Maschine mit allen Kraftstoffen eine fast gleiche Leistung erzielt.
An einem bedeckten Tag, im Vordergrund auf einer satt grünen Rasenfläche steht ein grüner Traktor mit gelben Felgen, einem grünen Frontgewicht und einem Pflug im Heckanbau, der auf dem Boden steht. Die Fahrtrichtung des Traktors weist schräg nach vorn in Richtung des rechten Bildrands. Im Hintergrund befinden sich vor einer lockeren Reihe kleiner weiß gestrichener Einfamilienhäuser mit roten Dächern vereinzelt Nadelbäume.
Seit Oktober 2020 werden die schon am TFZ in Prüfstandsversuchen getesteten Kraftstoffsensoren auf zwei Traktoren im realen Einsatz erprobt. Hierbei sollen die im Feld auftretenden Störgrößen und die Robustheit der Messtechnik untersucht werden. Der hier abgebildete Traktor, John Deere 6135R ist auf dem Versuchsbetrieb Grub der Bayerischen Staatsgüter in den normalen Alltagsbetrieb eingebunden und übernimmt dort Transport- und Feldarbeiten verschiedenster Art. Dieser Traktor wird regelmäßig mit verschiedenen Kraftstoffmischungen betrieben, um die Zuverlässigkeit der Kraftstofferkennung zu testen.

Bayerische Staatsgüter Externer Link

Blick aus einem dunklen Raum durch ein Fenster in einen hell erleuchteten Raum. An der unteren Bildkante noch im dunklen Raum befinden sich vier Monitore mit verschiedenen Grafiken und Diagrammen. Im erleuchteten Raum verlaufen viele verschiedene Leitungen, Rohre und Kabel zu einer mittig im Raum platzierten Maschine.
Auf Basis der Messungen am Motorenprüfstand der Technischen Universität Kaiserslautern ist ein Modell zur Kraftstoffdetektion erarbeitet worden. Anhand des Sauerstoffgehalts im Abgas können, unter Einbezug weiterer Messgrößen, Mischungen aus Rapsöl sowie Biodiesel mit fossilem Diesel erkannt werden. Aktuell wird das Modell für den Einsatz auf dem Projekttraktor (JD6135R) modifiziert und zusammen mit der Testhardware implementiert. Kann auch unter realen Einsatzbedingungen die Kraftstoffmischung sicher bestimmt werden, sollen die Motorparameter im nächsten Schritt entsprechend adaptiert werden.

Motorenprüfstand TU Kaiserslautern Externer Link

Weitere Einblicke
In einem kleinen, weißen, hell erleuchteten Raum, befindet sich auf der linken Seite eine dunkel gekleidete Person, im Profil zur Rechten hin gewandt, die einen metallischen Gegenstand auf Augenhöhe betrachtet. Auf der rechten Seite weiter im Hintergrund, ist eine Anlage aus verschiedenen Schläuchen und Armaturen an einer senkrecht stehenden weißen Platte angebracht.
Am Sensorprüfstand des TFZ werden verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Kraftstoffen und Kraftstoffmischungen getestet. Im Besonderen wird der Einfluss von Temperatur- und Druckveränderungen auf die Sensoren untersucht. Daneben werden aussichtsreiche Sensoren im fließenden Kraftstoff in einem modellhaft nachgebauten Traktor-Kraftstoffsystem geprüft.
Die bisherigen Ergebnisse stimmen positiv für den weiteren Projektverlauf.
An einem sonnigen wolkenlosen Tag von einem leicht erhöhten Standpunkt aus. Das Bild zeigt im Vordergrund mittig einen grünen Standardtraktor mit gelben Felgen, dieser steht auf einer zur Verbuschung neigenden Grünfläche, die zum Bildhintergrund dichter wird und schließlich circa hundert Meter hinter dem Traktor in eine Hecke mit Bäumen übergeht.
Gegen Ende des Jahres 2019 wurde der John Deere 6250R, nachdem er am Bildungs- und Versuchszentrum Almesbach des Staatsgutes Almesbach über 300 Betriebsstunden im Rapsölbetrieb geleistet hat, wieder zum TFZ zurück überführt. Nach kleineren Wartungsarbeiten wurde der Traktor erneut auf dem Traktorenprüfstand getestet, um etwaige Emissions- oder Leistungsveränderungen, die sich über die Betriebszeit der Maschine eingestellt haben könnten, zu identifizieren.
Informationen zu Rapsöl als Kraftstoff sind im nachstehend verlinkten TFZ Kompakt 8 zusammengestellt.

TFZ-Kompakt 8 - Rapsöl als Kraftstoff für Traktoren pdf 1,9 MB

In einem weißen Raum mit glatten Wänden; Aufnahme von unten schräg nach oben. Im Vordergrund verlaufen mehrere Rohre, Kabel und Armaturen, diese bilden einen umgekehrten Fünfzack und sind an einem Gestell befestigt.  Oben auf befinden sich zwei Anzeigen; im Hintergrund ist eine dunkel gekleidete Person zu sehen, welche einen ebenfalls an der Anlage befindlichen Hebel greift und auf eine der Anzeigen blickt.
Nachdem der Aufbau und die Funktionstests des Sensorprüfstands erfolgreich abgeschlossen wurden, werden nun die Sensorenprüfungen durchgeführt. Die Sensoren sollen es ermöglichen, verschiedene Kraftstoffe (Diesel, Biodiesel und Rapsöl) sowie Mischungen daraus sicher zu erkennen, um Motoren von Fahrzeugen und Maschinen kraftstoffangepasst steuern zu können. Auf dem Prüfstand wird getestet, welche Sensoren unter den auf einem Traktor zu erwartenden Einsatzbedingungen, wie Druck und Temperatur zuverlässig wiederholbare Ergebnisse liefern können. Außerdem werden Referenzwerte für den späteren Einsatz auf dem Traktor ermittelt.
An einem wolkenlosen sonnigen Tag, in der Bildmitte befindet sich ein grüner Traktor, welcher im Frontanbau eine Metallkiste trägt und im Heckanbau einen blauen Grubber über ein Stoppelfeld zieht. Dieses ist im Bildvordergrund und Bildhintergrund bereits bearbeitet, in der aktuellen Fahrspur der Maschine aber noch unbearbeitet. Anschließend an das Feld stehen Bäume und Häuser.
Neben dem kleineren Projekttraktor (JD6135R) wurden auch mit dem größeren für das Projekt zur Verfügung stehenden Traktor John Deere 6250R Messungen mit dem portablen Emissionsmessgerät (PEMS) durchgeführt. Diese Messungen fanden am Bildungs- und Versuchszentrum des Staatsgutes Almesbach (siehe Link) statt, auf welchem der Traktor für die weitere Projektdauer für praktische Versuche verbleiben wird.

Staatsgut Almesbach Externer Link

Aufnahme von schräg oben. Das in einer Halle aufgenommene Bild zeigt im Mittelpunkt einen Traktor mit offener Motorhaube. Der Traktor ist mit einem Rohr anstelle des Auspuffs mit einer komplexen Anlage verbunden, weitere Kabel und Schläuche laufen von verschiedenen Stellen der Maschine zu einer weiteren Anlage neben dem Hinterrad des Traktors und aus dem Bild. Hinter dem Traktor stehen weitere Anlagen, im Vordergrund steht ein Wagen mit Gasflaschen, ein Tank mit Zapfpistole und ein mit Flüssigkeit gefülltes Fass.
Im Juli 2019 wurde zudem der Traktor John Deere 6250R auf dem Traktorenprüfstand des TFZ hinsichtlich seiner Leistung und Emissionen untersucht, um in diesem Zuge die Ausgangssituation dieser Größen zu Projektbeginn mit Rapsöl und Diesel zu erfassen.
Das Bild zeigt im Bildvordergrund, an einem sonnigen wolkenlosen Tag, einen auf einer befestigten Fläche stehenden, grünen Traktor mit gelben Felgen, bei dem Schläuche von einer am Heck des Traktors befestigten Kiste zum Auspuff gehen und dort mit diesem verbunden sind. Im Bildhintergrund befinden sich Grünstreifen und weitere befestigte Flächen, auf den Grünstreifen stehen Bäume.
Im Rahmen des Projektes werden neben den Emissionsmessungen auf dem Prüfstand auch Emissionsmessungen mit einem portablem Emissionsmessgerät (PEMS – portable emission measuring system; siehe Link) durchgeführt. Diese Messungen sollen dabei helfen, Referenzen für die im landwirtschaftlichen Alltagsbetrieb anfallenden Emissionen zu schaffen und um diese mit den am Prüfstand erhobenen Daten zu vergleichen. Das Bild zeigt die Projektmaschine John Deere 6135R mit angebautem Emissionsmessgerät in einer Pause während einer Messfahrt.

PEMS

Bild eines in einer Halle stehenden Traktors, im Vordergrund mehrere Messgeräte, dahinter auf der rechten Seite ein grüner Traktor mit offenstehender Motorhaube welcher an die verschiedenen Messgeräte angeschlossen ist, auf der linken Seite weitere Messgeräte. Im Hintergrund sind Regale und ein Plakat mit blühendem Raps erkennbar.
Emissions- und Leistungsmessung auf dem Traktorprüfstand des TFZ mit dem Projekttraktor John Deere 6135R zur Ermittlung der Ausgangssituation des Neufahrzeugs im Werkszustand für den Betrieb mit Rapsöl- und Dieselkraftstoff.
An einem sonnigen Tag, Aufnahme von schräg oben im Vordergrund ist ein grüner Traktor von der linken Seite zu sehen, welcher einen Schatten auf die linke untere Bildhälfte wirft, der Traktor steht auf einem gepflasterten Hof, im Hintergrund ist ein gekiestes von einer niedrigen Betonmauer abgegrenztes Karee in welchem kleine Laubbäume stehen und eine u-förmige Sitzgruppe.
Mitte April 2019 wurde der zweite Traktor des MuSt5-Trak Projekts am TFZ angeliefert, auch dieser wird, wie schon der erste Traktor, zunächst Emissionsuntersuchungen am Standort unterzogen und anschließend auf den LfL-Versuchsbetrieb Almesbach zur praktischen Felderprobung geschickt.

LVFZ Almesbach Externer Link

Im Vordergrund auf der linken Bildhälfte ein grüner Traktor mit davorstehendem Fass, mittig im Vordergrund ein Holzhäcksler welcher am Traktor angeschlossen ist, davor stehen drei Personen, auf der rechten Seite des Bildes im Vordergrund ein mit Hackschnitzeln gefüllter grüner Landwirtschaftsanhänger, auf dem sich zwei weitere Personen befinden, dahinter steht ein weiterer Traktor. Im Hintergrund befindet sich auf der linken Seite ein Grünstreifen welcher von einer Mauer abgeschlossen wird und auf der rechten Seite eine Halle mit Schiebetüren.
Erster praktischer Einsatz des Projekttraktors John Deere 6135R erfolgte bei der Unterstützung des Projekts "Innovative Verfahrensketten für Holzbrennstoffe", welches innovative Verfahren zur Produktion und Aufbereitung von Holzbrennstoffen in konventionelle Prozessketten integrieren soll.

Innovative Verfahrensketten für Holzbrennstoffe

Im Vordergrund der John Deere 6135R Projekttraktor mit geöffneter Motorhaube
Anfang April 2019 wurde der erste der für das Projekt MuSt5-Trak zur Verfügung stehende Projekttraktor von John Deere (ETIC) am TFZ angeliefert, um dort im weiteren Projektverlauf auf seine Emissionen mit verschiedenen Kraftstoffen hin untersucht zu werden. Anschließend wird der Traktor auf den Versuchsbetrieb der LfL in Grub überführt, wo Untersuchungen im Praxiseinsatz stattfinden werden.

LfL - Versuchsbetrieb Grub Externer Link

Projektergebnisse

  • Die modellbasierte Kraftstofferkennung mittels der serienmäßig vorhandenen Sensorik funktioniert für Reinkraftstoffe.
  • Eine sensorgestützte Kraftstofferkennung von Dieselkraftstoff, Biodiesel und Rapsölkraftstoff sowie deren Mischungen ist möglich.
  • Kraftstoffspezifische Motorkennfelder ermöglichen eine Motorleistung auf gleichem Niveau. Dadurch können auch die Emissionsgrenzwerte für alle untersuchten Kraftstoffe und Kraftstoffmischungen eingehalten werden.
  • Rapsölkraftstoff bietet ein Potential, die innermotorischen Emissionen im Vergleich zu Dieselkraftstoff zu mindern.
  • Am Motorprüfstand wurde erfolgreich eine Strategie entwickelt, um den Partikelfilter im Betrieb mit Rapsölkraftstoff zu regenerieren.

Weitere Informationen

Projektinformationen
Projekttitel: Entwicklung und Feldtest eines Abgasstufe V Multi-Fuel-Traktors; Teilvorhaben 2: Sensortests und Untersuchung des Gesamtsystems auf dem Traktorenprüfstand und im Feldeinsatz
Projektleitung: Dr. Edgar Remmele
Projektbearbeiter: Julian Spiegel
Projektlaufzeit: 01.11.2018 - 31.10.2021
Bewilligungsstelle: Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e. V.
Geldgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Förderkennzeichen: 22408617

Logo Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Projektpartner:
John Deere GmbH & Co. KG - European Technology Innovation Center (Leitung Gesamtvorhaben)
Technische Universität Kaiserslautern - Lehrstuhl für Antriebe in der Fahrzeugtechnik (LAF)

Logo John Deere Logo der Technischen Universität Kaiserslautern