Maatalousteknologia sähköistyy - Land Technik AgEng 2017 -konferenssi

SymonE on sähkökäyttöinen, tutkimus- ja esittelykäyttöön rakennettu ajoneuvo, joka on toteutettu pääosin saksalaisen elektroniikkavalmistaja STW:n (Sensor-Technik Wiedemann GmbH ) komponenteilla. (UO) 

ZF GPE eTrac -sähkömoottorin teho on 50 kW. Auran pyörään sijoitettu moottori vähentää luistoa ja parantaa vetotehoa niin paljon, että tuntisaavutus kasvaa noin kolmanneksella. (JL) 

Traktoreiden voimottotehoa kohti laskettu polttoaineen ominaiskulutus laski v. 19591990 noin 15 %. Vuoden 90 jälkeen ominaiskulutus on pysynyt lähes samana, koska nykyaikaisten traktoreiden monimutkainen tekniikka ja mukavuutta lisäävät varusteet nostavat kulutusta käytännössä yhtä paljon, kuin mitä kalliimman moottoritekniikan avulla pystytään säästämään. 

Saksalaisen DLG:n tekemät Power Mix -kulutusmittaukset huomioivat myös vetovastuksen ja voimanoton käytön. Taulukon tolppakuvio näyttää DLG:n mittaamien traktoreiden polttoaineen ominaiskulutukset. Traktorit on ryhmitelty moottoritehon ja päästöluokan perusteella kolmeen ja tehon mukaan kahteen eri ryhmään. Aineisto on kerätty DLG:n mittauksista, jotka on tehty yhteensä 45 traktorille. 

Väestönkasvu, ilmastonmuutos, tuotannon kannattavuus ja kuluttajan asenteet asettavat traktoreille ja maatalouskoneille runsaasti uusia vaatimuksia, jotka on otettava käyttöön todella lyhyessä ajassa. Perinteisten, valmistajalähtöisen tuotekehityksen lisäksi tarvitaan uusia ennakkoluulottomia ideoita ja tutkittua tietoa. Uutta tekniikkaa esiteltiin maataloustekniikan seminaarissa, joka pidettiin Hannoverissa juuri ennen Agritechnica-näyttelyä.

LandTechnik AgEng -konferessiin osallistui noin 1 100 henkeä 15 eri maasta. Merkittävä osa konferenssiin edustajista on eri konevalmistajien palkkalistoilla, mikä oli helppo todentaa katsomalla osallistujien solmion väritystä… Suomalaisista konevalmistajien edustajia oli ainakin Valtralta ja Sampo Rosenlewilta.

Konferenssissa pidettiin 75 suullista esitystä, joissa esiteltiin maatalousteknologian uusimpia saavutuksia. Valtran Petri Hannukainen esitteli Valtran biokaasuprojektia ja Aalto-yliopiston Timo Oksanen käsitteli nykyisen ISOBUS-järjestelmän laajentamista siten, että automaattiohjausjärjestelmä pystyy sen kautta komentamaan sekä nelipyöräohjausta että hinattavassa työkoneessa olevia ohjauspyöriä tms.

Seuraavana on kooste traktoreiden tulevaisuuden kehityssuunnista. Se on tehty pääosin LandTechnik AgEng 2017 -konferessissa pidettyjen esitysten ja niiden tiivistelmien sekä Agritechnicassa käytyjen keskustelujen pohjalta.

Maan tiivistyminen ja toisaalta traktoreiden moottoritehon muuttaminen vetovoimaksi on yksi maatalouskoneiden tuotekehityksen painopisteistä. Vetotehoa ei voida kasvattaa pelkästään nostamalla traktorin painoa eikä rengaskokoa voida suurentaa rajattomasti, jotta traktorilla voidaan ajaa tieliikenteessä.

Hajautettu voimansiirto, ts. vetävien pyörien määrän lisääminen on vanha ja hyväksi havaittu keino parantaa vetokykyä. Mekaanisten ja hydraulisten vetojärjestelmien rinnalle on nousemassa sähköinen voimansiirto: Agritechnicassa esiteltiin jo kaksi vuotta sitten Boschin pyörämoottoreilla varustettu Fliegel-perävaunu, tänä vuonna ZF esitteli yhdessä Pöttingerin ja John Deeren kanssa puolihinattavan kyntöauran, jonka pyörässä 50 kW:n moottori. Sähköenergia tuotettiin John Deere -traktorin etunostolaitteisiin sijoitetulla. V.O.A-käyttöisellä generaattorilla. Vetovoiman tuottamisen jako myös työkoneeseen lisäsi vetokykyä ja vähensi luistoa niin paljon, että samankokoisella traktorilla päästiin noin kolmanneksen parempaan työsaavutukseen. (1)

Traktoreiden polttoaineenkulutuksen suhde voimanottotehoon on parantunut 1950-luvulta tähän päivään melko vähän, vaikka moottoreiden ominaiskulutukset ovat laskeneet merkittävästi. Nykyaikaisen traktorin voimansiirto, hydrauliikka ja sähkölaitteet vievät entistä enemmän tehoa, mikä vie osan moottoritekniikan kehittymisen tuomista säästöistä. (2)

Hydrauliikkapumpun tms. käyttäminen sähkömoottorilla – sähkökäyttöisten Avant-kuormainten tapaan – on tehokas keino vähentää energiankulutusta.

Traktoreissa hydrauliikkapumppua ja ilmastoinnin sekä paineilmajarrujen kompressoria voitaisiin pyörittää sähkömoottoreilla tarpeen mukaan ja halutulla nopeudella. Samalla esim. hydrauliikan säätö yksinkertaistuu, koska virtauksen määrää säädetään muuttamalla moottorin pyörimisnopeutta.

Mikäli edellä mainittu tekniikka yleistyy, niin silloin traktoreissa pitää olla aiempaa tehokkaampi laturi, tai oikeammin generaattori. Se puolestaan mahdollistaa kohtuullista tehoa vaativien työkoneiden sähkökäytön. Rauch on esitellyt jo kymmenkunta vuotta sitten keskipakolevittimen, jonka levityslautaset pyörivät sähkömoottoreilla.

Traktorin etupyörät vetävät yleensä 2–4 prosenttia nopeammin kuin takapyörät, silloin kun renkaat ovat uudet. Pyörien nopeusero kuluttaa komponentteja ja polttoainetta, mutta on ohjattavuuden kannalta välttämätöntä.

Eturenkaat kuluvat kuitenkin nopeammin kuin takarenkaat, koska ne ovat pienemmät, jolloin myös nopeusero pienenee. Traktori kääntyy huonosti, jos eturenkaat ovat kuluneet niin paljon, että niiden kehänopeus on alhaisempi kuin takarenkaiden.

Polttoaineen säästön ja kulumisen vähentämiseksi olisi hyvä, jos eturenkaiden pyörimisnopeutta voitaisiin säätää tarpeen mukaan. Suoraan ajettaessa etu- ja takapyörät pyörivät samalla kehänopeudella, mutta käännöksissä etupyörien nopeutta nostetaan hieman, koska ne kulkevat pitemmän matkan kuin takapyörät.

Kubotan viininviljelytraktoreissa on käytössä järjestelmä, joka muuttaa etuakselin välityssuhdetta mekaanisesti, kun pyöriä käännetään riittävästi. Sähköisellä voimansiirron eri sovellutuksilla akseleiden välistä nopeussuhdetta voitaisiin säätää tarkasti, jotta pyörät eivät ruovi käännöksissä turhaan.

Etuakselin nopeutta voitaisiin nostaa peltoajossa todella paljon, jolloin kone kääntyisi päisteissä todella nopeasti ja lyhyellä matkalla.

Kummankin etupyörän planeettapyörästöön voidaan asentaa sähkömoottori, jonka pyörimisnopeutta voidaan säätää ohjauskulman sekä sen mukaan, kulkeeko pyörä sisä- vai ulkokaarretta.

Toinen vaihtoehto on asentaa nelivetoakseliin sähkömoottorin käyttämä planeettapyörästö, joka kiihdyttää etuakselin nopeutta tarpeen mukaan. Samantyyppistä planeettavaihteistoa käytetään portaattomissa ajovoimansiirroissa. Nopeuden muutostarve on pieni, joten pieni ja edullinen sähkömoottori riittää. (3)

Vaikka sähkökäyttöiset autot ovat nykyaikaa, niin samaa tekniikka ei voida suoraan soveltaa traktoreihin. Energian kulutus on tuntia kohden suuri, koska kynnettäessä on vaikea saada jarrutusenergiaa talteen. Muokkauskoneiden veturina käytettävä n. 300 hevosvoiman traktori tarvitsisi kooltaan niin suuren akun, että sen kuljettamiseen tarvittaisiin perävaunu. Siksi valmistajat panostavat nykyistä pienempiin traktoreihin, jotka ovat joko kauko-ohjattuja tai robottitraktoreita.

Pääasiassa testaus- ja kokeilukäyttöön rakennettujen sähkömoottorikäyttöisten traktoreiden ja muiden ajoneuvojen teho on yleensä 50 kW:n luokkaa. Fendt e100 -traktorin akkujen kapasiteetti on 650 V/100 kWh. Tällaisen akun tilavuus on 320 l ja paino 590 kg. Traktorilla voi ajaa jopa päivän, jos täyttä moottoritehoa tarvitaan vain harvoin ja konetta voidaan ladata työpäivän aikana. (4)

Lähteinä on käytetty seuraavia, Land Technik AgEng 2017 -seminaarin esitelmiä:

1. Raine Bumberg/Pöttinger, Wolfgang Klinger/ZF, Decho Botev/JD Mannheim. Electric traction drive on plough

2. Julian Schwen, Steffen Häberle, Stefan Böttinger/University of Hoheim, Stuttgart, Saksa. Developement of energy requirements of tractors and implements

3. Raphael Himmelsbach, Bastian Volpert, Karl Grad/ZF. Electrified front-wheel drive concepts for tractors, designed for improved traction functions

4.Wolfgang Breu, Benno Pichlmaier, Ago GmbH, Marktoberdorf, Saksa.Electrifield utility tractor