Technik der Pflanzenschutzspritze

Pflanzenschutzspritzen werden als Anbaugeräte für die Heck-Dreipunkthydraulik, als aufgebaute oder gezogene Geräte und als selbstfahrende Arbeitsmaschinen gebaut. Die unterschiedlichen Bauformen haben alle gemeinsam, dass sie aus einem Geräterahmen, einem Behälter für die Spritzbrühe, der Pumpe, den Regelarmaturen und dem Feldspritzgestänge aufgebaut sind. Gezogene Feldspritzen verfügen darüber hinaus über ein Fahrgestell, selbstfahrende Feldspritzen über ein Fahrgestell, eine Fah­rer­kabine, einen Fahrantrieb und einen Antriebsmotor.

Am Traktor-Heckkraftheber angebaute Pflanzenschutzspritzen werden mit Behältergrößen von 400 Litern bis 2.200 Liter und Spritzgestänge von 12 bis 30 Metern angeboten. Mit zunehmender Behältergröße wird darauf geachtet, dass die Behälter schlank und hoch geformt sind, damit der Geräteschwerpunkt möglichst nahe am Traktor liegt. Dennoch erfordert der Heckanbau meist einen zusätzlichen Frontballast, um die Lenkfähigkeit zu sichern. Zu beachten sind bei den üblichen Fahrten mit gefülltem Behälter auf öffentlichen Verkehrswegen die Einhaltung des zulässigen Gesamtgewichts und der maximal zulässigen Achs- und Radlasten des Traktors.

Vorteile: Viele Hersteller, Modelle, Größen und Ausstattungen, kostengünstig.
Nachteile: beschränkte Flächenleistung, ungünstige Lastverteilung.

Eine Alternative stellt die Kombination der heckangebauten Pflanzenschutzspritze mit einem Frontbehälter (Fronttank bis 1.500 Liter Volumen) dar, der die Kapazität erhöht und bei abgestimmter Entleerung das ideale „Gegengewicht“ darstellt. Hierbei ist auf den maximalen Abstand von 3,5 m zwischen Lenkrad und Vorderkante Fronttank zu achten, da bei Überschreitung „geeignete betriebliche Maßnahmen“ bei Straßenfahrt erforderlich werden um die Sichtfeldeinschränkungen auszugleichen (z. B. Begleitperson zum Einweisen an unübersichtlichen Stellen, Kamera-Monitor-System). 

Vorteile: Viele Hersteller, Modelle, Größen und Ausstattungen, flexible Kombination.
Nachteile: An- und Abbau aufwändig, erfordert großen Traktor (zul. Gesamtgewicht und zulässige Achs- und Radlasten).

Die meisten Systemtraktoren wie Unimog oder Trac-Traktoren (früher auch Geräteträger) bieten die Möglichkeit, speziell angepasste Behälter von Pflanzenschutzspritzen auf Aufbauräumen hinter der Fahrerkabine aufzubauen. Das Spritzgestänge wird zusammen mit der Pumpe und den Regelarmaturen entweder im Dreipunkt angebaut oder direkt mit dem Aufbaurahmen verbunden. Es entsteht dabei eine Traktor-Geräteeinheit, die Eigenschaften ähnlich einem Selbstfahrer aufweist. Die Behältervolumina betragen 1.500 – 4.000 l. Besonders zu beachten sind auch hier die maximale Nutzlast und die Tragfähigkeit der Achsen und Bereifung des Trägerfahrzeuges.

Vorteile: Eigenschaft ähnlich Selbstfahrer, hohe Ausnutzung Systemtraktor.
Nachteile: An- und Abbau aufwändig, schmales Angebot Systemtraktoren und Aufbauspritzen.

Zunehmend Verbreitung finden am Traktor angehängte Pflanzenschutzspritzen. Sie werden mit Behältervolumina von 2.000 Liter bis 12.000 Liter, Spritzgestängen von 12 bis 50 Metern und einachsigen oder Tandemachs-Fahrgestellen gebaut. Um eine ruhige Lage des Spritzgestänges zu unterstützen, werden sie in vielen Fällen mit mechanischer, pneumatischer oder hydropneumatischer Federung ausgestattet. Ebenso zählt die Nachlauflenkung zum spurgetreuen Wenden am Vorgewende zur Zusatz- oder Grundausstattung. Die hohen Fahrzeuggesamtgewichte und Fahrgeschwindigkeiten bis zu 40 km/h erfordern die Ausrüstung mit Druckluftbremsen.

Vorteile: Viele Hersteller, Modelle, Größen und Ausstattungen, günstige Lastverteilung, Einsatz mit „leichten“ Traktoren möglich, schnelles An- und Abhängen.
Nachteile: Wendigkeit und Übersicht sind beschränkt, Kippgefahr.

Selbstfahrende Pflanzenschutzspritzen kombinieren eine sehr hohe Wendigkeit mit optimiertem Bedienkomfort, einer großen Bodenfreiheit (1.000 – 1.200 mm) und (zumeist) der Möglichkeit, die Spurweite zu verstellen. Mit diesen Eigenschaften sind sie vor allem für den überbetrieblichen Einsatz in verschiedenen Kulturen und bei unterschiedlichsten Einsatzbedingungen prädestiniert. Typisch sind zweiachsige Fahrgestelle mit Allradlenkung und mechanischer bzw. hydropneumatischer Federung. Die Behältervolumina variieren zwischen 2.000 und 8.000 Liter, die Gestänge zwischen 18 und 54 Metern. Erste Modelle mit dreiachsigen Fahrgestellen ermöglichen Fassvolumina über 10.000 Liter. Spezielle Ausführungen sind mit besonders großer Bodenfreiheit von bis zu 2.000 mm oder mit Bandlaufwerken verfügbar.

Vorteile: Hohe Wendigkeit, guter Bedienkomfort, hohe Bodenfreiheit, große Schlagkraft.
Nachteile: Hoher Kapitalbedarf.

Zur leichteren Einordnung und zur Unterstützung der Auswahl, aber auch im Hinblick auf die in 2.6 vorgenommene Bewertung, werden im Folgenden die wichtigsten Kennzahlen von jeweils typischen Vertretern der vier oben beschriebenen Spritzenbauformen aufgeführt. Die Zusammenstellung orientiert sich dabei an Angaben des KTBL.

 Tabelle 1: Kennzahlen ausgewählter Beispiele unterschiedlicher Spritzenbauformen (KTBL MAKOST 15. 09. 2021, Selbstfahrer inkl. Diesel)

In der folgenden Matrix (Tabelle 2) wird versucht, die in Tabelle 1 charakterisierten Vertreter der unterschiedlichen Bauformen von Pflanzenschutz-Feldspritzen hinsichtlich ausgewählter Kriterien zu bewerten.

Bewertungsskala: ++ sehr gut/sehr günstig, + gut/günstig, O durchschnittlich, - schlecht/ungünstig, -- sehr schlecht/sehr ungünstig 

Abhängig vom einzelnen Fabrikat, Maschinentyp und der Maschinenausstattung sowie von den betriebsspezifischen Einsatzverhältnissen können sich im Einzelfall abweichende Bewertungen ergeben. Die Matrix soll und kann nur Anhaltspunkte liefern.

Pflanzenschutzspritzen setzen sich aus den Hauptbaugruppen Brühebehälter mit Rührwerk, Befüll- und Ablassvorrichtung, Pumpe mit Filter, Druckeinstellventile, eventuell elektronische Mess- und Regel­ein­rich­tung und dem Spritzgestänge mit Absperrventilen, Düsenstöcken und Düsen zusammen. Bei gezogenen Spritzen kommt das Fahrwerk mit Anhängung und Lenkung, bei selbstfahrenden Pflanzenschutzspritzen Kabine und Motor in unterschiedlichen Ausführungen hinzu.

Tabelle 3: Vergleich der verschiedenen Behältermaterialien

Bewertungsskala: + gut/günstig, O durchschnittlich, - schlecht/ungünstig 

In Tabelle 4 finden sich Anhaltswerte für die Berechnung des notwendigen Volumenstroms für ein gut funktionierendes Rührwerk.
 

Tabelle 5: Vergleich der verschiedenen Pumpentypen

Bewertungsskala: + gut/günstig, O durchschnittlich, - schlecht/ungünstig
* es ist auf trockenlaufsichere Ausführung zu achten 

Bei jeder Feldspritze muss mindestens in der Saug- und der Druckleitung ein entsprechender Filter vorhanden sein. Düsenfilter sind optional und sitzen direkt vor den Düsen. Zentral angeordnete Filter müssen bei bis zum Nennvolumen gefülltem Behälter gereinigt werden können, ohne dass mehr Spritzflüssigkeit ausläuft, als sich gegebenenfalls in dem Filtergehäuse und in der Saug- oder Druckleitung befindet. Zur Charakterisierung der Filter dient die Maschenweite, gemessen in Maschen pro Zoll (Mesh). Je höher der Wert, desto kleiner sind die Maschen. Filtersiebe neuerer Bauart sind nach ISO 19732-2007 farblich gekennzeichnet. 

Wegen seiner geringen Größe sollte der Düsenfilter keine echte Filterfunktion übernehmen, sondern lediglich als Sicherung vor Düsenverstopfungen dienen. Die richtige Maschenzahl richtet sich nach der Größe der Düse und wird von den Düsenherstellern entsprechend angegeben (z. B. eine blaue 03er Düse sollte mind. mit 24 Maschen (weiß) besser mit 50 (blau) ausgestattet sein, kombiniert mit einem Druckfilter mit mind. 80 Maschen (gelb)).

In der Einspülschleuse muss ein Gitter mit max. 20 mm großen Maschen vorhanden sein. Hiermit soll verhindert werden, dass Foliensiegel etc. ins Flüssigkeitssystem der Spritze gelangen können. Werden Pflanzenschutzmittel über den Dom der Spritze eingefüllt, sollte sich hier ein Einfüllsieb mit einer Maschenweite zwischen 0,5 und 2 mm befinden.

Gelenkte Räder sind bei gezogenen Spritzen v. a. bei Hackfrüchten wie Kartoffeln und Zuckerrüben wichtig, da bei Kurven die Räder der Spritze in der gleichen Spur wie die Traktorräder laufen sollen um Schäden durch überfahrene Pflanzen zu minimieren. Im hängigen Gelände kann mit einer Lenkung der Versatz am Seitenhang ausgeglichen werden. Bei einer Achsschenkellenkung (Abbildung 8) werden wie bei der Traktorvorderachse die einzelnen Räder gedreht, bei einer Deichsellenkung dreht sich die Deichsel gegenüber der Spritze um einen zentralen Drehpunkt am Deichselende (Abbildung 9).

Bei der mechanischen Unterlenker-Deichsellenkung (Nachlauflenkung) wird die Deichsel der Spritze mit den Unterlenkern des Traktors gekuppelt. Durch Verstellung der Deichsellänge bis zum Drehpunkt am Deichselende wird die Nachlauflenkung eingestellt (ohne Abbildung).     

Die Lenkungsarten unterscheiden sich hauptsächlich in Bezug auf das Nachlaufverhalten und die Standsicherheit (Tabelle 6).

Tabelle 6: Vergleich von Achsschenkel- und Deichsellenkung

Bewertungsskala: + gut/günstig, O durchschnittlich, - schlecht/ungünstig 

Die Armatur ist die Kontroll- und Bedienungszentrale der Spritze. Werden manuelle Stellteile für die Steuerung des Spritzvorganges benutzt, muss die Bedienungsperson ein Pflanzenschutzgerät während des Betriebes vom Fahrerplatz aus bedienen können. Der Arbeitsdruck, die Aufwandmenge (l/ha) (soweit erforderlich), die Einstellung an der Armatur und die Behälterfüllstandsanzeige müssen eindeutig vom Fahrerplatz aus abgelesen werden können. Die Druckeinstelleinrichtungen müssen den Arbeitsdruck bei gleichbleibender Drehzahl der Pumpe konstant einhalten. 7 Sekunden nach einer Änderung des Betriebszustandes darf die gemessene Aufwandmenge nicht mehr als ± 10 % von der mittleren Aufwandmenge im neuen Betriebszustand abweichen. Änderungen des Betriebszustandes können z. B. das Ausschalten von Düsen, Geschwindigkeitsänderungen oder Teilbreitenschaltungen sein. Analoge Druckmessgeräte müssen ein Gehäuse mit folgendem Mindestdurchmesser haben:

•  63 mm, wenn es mit Stellteilen verbunden ist und es innerhalb der Handreichweite der Bedienungsperson oder zwischen den Koppelpunkten des Dreipunktanbaues und dem Traktor liegt, 
•  100 mm in allen anderen Fällen.

Die Teilbreiten können manuell, elektrisch fernbedient oder automatisch ein- und ausgeschaltet werden. Welches das am besten geeignete System ist, hängt von den betrieblichen Strukturen ab (Tabelle 7). Hat ein Betrieb viele kleine und unregelmäßige Flächen, hat eine automatische Teilbreitenschaltung mit Gleichdruckarmatur erhebliche Vorteile gegenüber einer manuellen Technik. Denn gerade hier findet eine enorme Fahrerentlastung und Einsparung von Pflanzenschutzmitteln im Vergleich zu handbetätigten Systemen statt.

Tabelle 7: Vergleich von verschiedenen Teilbreitenschaltungssystemen

Die Arbeitsbreite der Spritze beträgt üblicherweise ein ganzzahliges Vielfaches der Arbeitsbreite der Sämaschine. Die Arbeitsbreite muss in einzeln schaltbare Teilbreiten von maximal 4,5 m bei Gestängebreiten bis 24 m und maximal 6 m bei Gestängebreiten über 24 m aufgeteilt werden. Je kleiner die Teilbreiten sind, desto geringer ist die Überlappung beim Spritzen von Ausläufern und schrägen Vorgewenden. Daher werden in der Praxis zumeist kleinere Teilbreiten von 3 m bis hinunter zur Einzeldüsenschaltung mit 0,5 m eingesetzt. Gerade im überbetrieblichen Einsatz ist es vorteilhaft, wenn die Arbeitsbreite an unterschiedliche Fahrgassenabstände angepasst werden kann. Der Höhenverstellbereich des Spritzgestänges muss mindestens 1,0 m betragen. Der Mindestabstand zwischen Düsen und Zielfläche muss entsprechend der Düsenausstattung eingestellt werden können. Bei Feldspritzgeräten, die in Kulturen mit einer Wuchshöhe von über 1,0 m eingesetzt werden, muss der Höhenverstellbereich des Gestänges mindestens 1,2 m betragen. Bei Feldspritzgeräten mit einer Gestängebreite bis 21 m muss eine Mindesthöhe zwischen Düsen und Boden von 0,5 m eingestellt werden können. Die Einstellung der Gestängehöhe muss stufenlos oder in Stufen von maximal 0,1 m möglich sein.

Im Ackerbau werden überwiegend Düsen mit einem Spritzwinkel von 110 bis 120 Grad eingesetzt. Die Düsen unterscheiden sich durch ihre Bauart, die Düsengröße und das Material, aus dem die Düsen gefertigt sind. Das Düsenmaterial bestimmt die Haltbarkeit der Düsen. Die Verschleißfestigkeit steigt von Kunststoff- über Edelstahl- zu Keramikdüsen an. Kunststoffdüsen sind preiswert, AHL-beständig und für normale Verhältnisse ausreichend verschleißfest. Für die Düsengröße ist eine einheitliche Farbkennzeichnung (ISO-Norm 10625) vorhanden, die die Gefahr des Einsatzes falscher Düsen verringert. Die richtige Auswahl der Düsen ist von entscheidender Bedeutung für den Erfolg der Pflanzenschutzmaßnahme und kann unnötige Umweltbelastung vermeiden. Durch die Wahl der Düsenform, der Düsengröße und des Spritzdruckes wird die Ausbringmenge, die Tropfengröße und damit auch die Belagdichte des Pflanzenschutzmittels auf der Pflanze und auf dem Boden beeinflusst. Grundsätzlich gilt, dass grobe Tropfen die Gefahr der Abdrift, aber auch die Belagdichte auf den Pflanzenteilen, verringern.

Werden bestimmte Pflanzenschutzmittel verwendet, die mit entsprechenden Mindestabständen zu Gewässern bzw. terrestrischen Strukturen ausgewiesen sind (NW- bzw. NT-Auflagen), hat der Landwirt die Möglichkeit auf Düsen zurückzugreifen, die in das Verzeichnis Verlustmindernde Geräte des Ju­lius-Kühn-Institut (JKI) eingetragen sind. Bei diesen Düsen handelt es sich um die sog. Injektordüsen. Hierbei werden im Wesentlichen zwei Baugruppen unterschieden. Die kompakten mit einer Baulänge von ca. 2 bis 3 cm (Abbildung 12 links) und die langen mit 4 bis 5 cm (Abbildung 12 rechts). Entsprechend ihrer Baulänge ist auch der zu verwendende Spritzdruck unterschiedlich. Die kompakten entfalten ein gutes Tropfenspektrum bei 2 bis 3 bar und die langen bei mehr als 4 bar.

Abbildung 12: links: Kurze IDK Düse der Fa. Lechler. Opt. Spritzdruck 2 bar aufwärts; rechts: Lange ID Düse der Fa Lechler. Opt. Spritzdruck 4 bar aufwärts (Quelle: Kramer)

Die PWM eignet sich insbesondere in Regionen, in denen hohe Fahrgeschwindigkeiten gefahren werden, da eine Zielgeschwindigkeit von 15 – 20 km/h mit einem Düsenkaliber nicht zu realisieren ist. Weitere Einsatzgebiete sind Betriebe mit unregelmäßig geformten Flächen, mit Flächen, die viele Hindernisse wie Masten, Teiche etc. aufweisen und Betriebe mit vielen Teilstücken. Hier kommt die Fähigkeit der PWM zur sog. Kurvenkompensation zum Tragen, das das Problem unterschiedlicher Aufwandmengen bei Kurvenfahrten löst. Am Vorgewende ergibt sich zum einen durch die Einzeldüsensteuerung die Reduktion von Lücken bzw. Doppelanwendungen bei nicht rechtwinklig zulaufenden Schlägen, zum anderen wird auch in der Beschleunigungsphase die gleiche Aufwandmenge mit dem gleichen Tropfenspektrum ausgebracht. 

Was bietet also PWM, was andere Systeme nicht oder nur eingeschränkt können?

• Einzeldüsensteuerung – sinnvoll am Vorgewende, wenn Felder nicht rechteckig zulaufen
• Gleiche Aufwandmenge und Tröpfchengröße auch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und beim Beschleunigen und Abbremsen am Vorgewende (wichtig bei hohen Fahrgeschwindigkeiten)
• Kurvenkompensation bei kurvigen Fahrgassen und beim Umfahren von Hindernissen ohne Unter-/Überdosierungen 
• Variation der Ausbringmenge bei teilflächenspezifischer Bewirtschaftung (z. B. Wachstumsregler- und Flüssigdüngerausbringung)

Die Entwicklungen im Bereich der Pflanzenschutztechnik konzentrierten sich in der Vergangenheit auf die Optimierung des Gerätes. So verringerten z. B. neue Düsen die Abdrift und optimierte Gestängeaufhängungen verringerten Über- und Unterdosierungen. In absehbarer Zukunft werden in der Praxis durch den verbreiteten Einsatz von GPS-Lenksystemen in Kombination mit satelliten- und/oder sensorgestützten Bestandesinformationen die vorhandenen Techniken dazu genutzt, die tatsächlich behandelte Fläche auf das notwendige Maß zu beschränken: Pflanzenschutzmittel werden nur dort appliziert, wo es nötig ist. Das kann von der Bandspritzung über eine Nestbehandlung bis zur Einzelpflanzenbehandlung (Spot Spraying) optimiert werden. Hier bietet die Technik der Pulsweitenmodulation (PWM) in Verbindung mit neu entwickelten Düsen (z. B. SpotFan Düsen) die Möglichkeit, unterschiedliche Aufwandmengen mit dem gleichen Tropfenspektrum auszubringen. 

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