Schneller Piezoinjektor nutzt Mechanik
Bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wird ein Piezoinjektor von Continental für neue Bestwerte sorgen – u. a. auch beim Verbrauch. Bei jedem Lastpunkt stellt er den Düsennadelhub stufenlos so ein, dass der Diesel optimal und „portionsgenau“ direkt in die Zylinder eingespritzt wird. Verwirklicht wird das durch die mechanische Verbindung der Düsennadel mit dem Piezopaket.
Dieselmotoren wurden mit der Hochdruckdirekteinspritzung „hoffähig“. Geprägt wurden sie durch Common-Rail-Systeme, die 1997 von Bosch mit Magnetventilinjektoren einführt wurde und zu denen sich 2000 die mit Piezoventilen von Siemens (Siemens VDO heute Continental Automotive) gesellten.
Mit den Piezoinjektoren wurden mehrfache Einspritzungen pro Arbeitsspiel verwirklicht, aber das konnten Magnetinjektoren nach kurzer Zeit auch. Prinzipbedingt arbeiten alle bisherigen Piezoinjektoren mit einer „hydraulischen Übersetzung“, um die Düsennadel anzuheben.
Jetzt lässt die „Piezo Common Rail New Generation“ von Continental aufhorchen. Mit der „PCR NG“ genannten Hochdruckdirekteinspritzung gelingt es erstmals, extrem schnelle Düsennadelhübe zu erzielen und den idealen Einspritzverlauf nachzuformen. Das geschieht durch Anheben der Düsennadel um den jeweils gewünschten Weg und nicht wie bisher durch schnell aufeinander folgende Einzeleinspritzmengen.
Die neue Piezoventilentwicklung von Continental nutzt den Piezoeffekt optimal, weil die Düsennadel mit dem Piezopaket mechanisch verbunden ist. Die Ausdehnung des Piezopaketes ist von der Spannung abhängig, die sich zwischen 0 V und etwa 160 V bewegt. Wenig Strom gleich kleiner Hub der Düsennadel, volle Spannung gleich voller Hub. Durch die mechanische Verbindung zwischen Düsennadel und Piezopaket kann die Nadel mit steigender Spannung kontinuierlich und ohne Unterbrechung angehoben und wieder gesenkt werden.
Als Wegsensor für das Anheben der Düsennadel dient die Spannung, die dem Piezopaket zugeführt wird. Das vereinfacht die Regelung erheblich und erlaubt es, den Einspritzverlauf dem idealen Bedarf genau anzuformen. Hier sind noch weitere Vorteile enthalten, so etwa die automatische Korrektur bei Abnutzung und die Vermeidung von Nadelschwingungen, die zu ungenauen Einspritzmengen führen.
Alle bisherigen Direkteinspritzungen (DI), ob Common-Rail mit Magnet- und Piezoventilen oder Pumpedüseinjektoren, arbeiten mit einer „Auf-Zu-Regelung“, bei der viele Einzelimpulse den gewünschten Einspritzverlauf erreichen sollen, was nur unzureichend gelingt.
In umfangreichen Untersuchungen wurde bei IAV GmbH – Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr, Berlin, festgestellt, dass sich der Einspritzverlauf über das Betriebskennfeld fortlaufend ändert. Deshalb muss jeder als Optimum erkannte Punkt in einem Steuergerät gespeichert werden, das Continental für die PCR NG derzeit entwickelt.
Die Ingenieure bei Continental verwiesen darauf, dass sich Verbrennungsgeräusch, Abgasemissionen und Verbrauch durch die Wirkweise des neuen Piezoventils „positiv“ beeinflussen lassen. Tatsächlich würden damit heute schon Bestwerte erzielt.
Damit kommt man dem Wunsch deutlich näher, auch Dieselmotoren mit einem Hubraum bis 2,0 l bei der Auslegung für die Schadstoffgrenzwerte der EU6 ohne aufwendige Abgasnachbehandlung bauen zu können. Ob der Verbrauch dann unter denen der EU5-Diesel sinken wird, bleibt abzuwarten. Es wäre jedoch bereits ein Erfolg, wenn er nicht ansteigen würde.
Bisher führte jede Stufe der Schadstoffreduzierung zu höherem Verbrauch, der sich, wie Prof. Dr. Wolfgang Steiger, Leiter Zukunftstechnologien in der VW-Konzernkommunikation, unlängst bilanzierte, gegenwärtig auf etwa 12 % gegenüber der EU1 belaufe. Vielleicht gelingt es jedoch auch, den homogenen Betriebsbereich des Diesels im Kennfeld auszuweiten, um Schadstoffe und Verbrauch noch weiter abzusenken. Im Idealfall sei dann im homogenen Bereich mit einer Verbrauchsreduzierung zwischen 9 % und 15 % gegenüber dem heutigen Stand zu rechnen.
Auf dem diesjährigen Internationalen Wiener Motorensymposium berichtete die IAV (Gesellschafter sind u.a. mit 50 % VW AG und 20 % Continental Automotive GmbH) über Untersuchungen mit dem neuen Piezoinjektor. Wenn die Produktion, wie von Continental zu erfahren war, 2012 anläuft, würden aller Voraussicht nach die Turbodirekteinspritzer (TDI) von VW die ersten Dieselmotoren sein, deren Common Rail (CR) mit den neuen Piezoinjektoren ausgerüstet werden.
Weltweit warten zahlreiche Motorenhersteller auf die neue Piezoinjektorenentwicklung, auch jene von Großmotoren, die sich damit erhebliche Vorteile versprechen. Continental fertigt für CR-Systeme auch Hochdruckpumpen und Steuergeräte. In diesem Zusammenhang erweist sich die allmähliche Verschmelzung mit der Schaeffler-Gruppe als Glücksfall, von denen die mechanischen Komponenten mit höchster Präzision gefertigt werden können.
Gegenwärtig laufen bei Continental erste Dieselmotoren in gängigen Pkw, wie ein VW Golf 1.6 TDI, der mit den neuen Piezoinjektoren durch Anhebung des Einspritzdrucks auf max. 2000 bar ohne Modifikationen 90 kW statt vormals 75 kW leistet und sich bei einer ersten Probefahrt von seiner besten Seite zeigte. C. BARTSCH/W.PESTER
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