Schon seit Anfang der achtziger Jahre forschen Bosch und Siemens an Anwendungen der Piezo-Technologie. Weit über 100 Patente sind bislang daraus entstanden. Doch erst jetzt wird der jahrzehntelangen Entwicklungsarbeit die Aufmerksamkeit einer breiteren Öffentlichkeit zuteil: Für das Projekt Piezo-Injektoren: neue Technik für saubere und sparsame Diesel- und Benzinmotoren verlieh Bundespräsident Horst Köhler den Forschern Friedrich Boecking von Robert Bosch, Dr. Klaus Egger von Siemens VDO Automotive sowie Prof. Hans Meixner von der Siemens-Zentralabteilung Corporate Technology den Deutschen Zukunftspreis 2005 – eine mit 250.000 Euro dotierte Auszeichnung, mit der erstmals Forscher und Entwickler aus zwei Unternehmen, die im Wettbewerb miteinander konkurrieren, als Team geehrt wurden.

Sieger des Deutschen Zukunftspreises 2005: (v.l.n.r.) Dr. Klaus Egger, Siemens VDO Automotive, Friedrich Boecking, Robert Bosch GmbH, und Prof. Hans Meixner, Siemens AG, Corporate Technology

Weniger Kraftstoffverbrauch

Herzstück der prämierten Injektoren sind Piezo-Aktuatoren von EPCOS. „Viele Autohersteller und Zulieferer weltweit setzen mittlerweile auf diese Technik,“ erklärt Prof. Hans Meixner. Bis heute ist EPCOS der einzige Hersteller, der Piezo-Aktuatoren in Großserie fertigen kann. Der größte Vorteil dieser Bauelemente: Mit ihnen lässt sich der Kraftstoffverbrauch bei Diesel- und Benzinmotoren um bis zu 15 Prozent senken.

Moderne Dieselmotoren basieren prinzipiell auf der Direkteinspritzung. Nun kommt diese Technik verstärkt auch im Benziner zum Tragen. Ein Einspritzsystem besteht – vereinfacht dargestellt – aus einer Pumpe, die den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau von bis zu 2000 bar bringt, und einer Düse, die mit Hilfe eines Ventils fein dosierte Mengen Kraftstoff in die Motorzylinder einspritzt. „Je höher der Druck und je gezielter Dosierung und Zeitpunkt des Einspritzens, desto effizienter und schadstoffärmer die Verbrennung. Die Einspritzdüse beeinflusst somit entscheidend die Motorqualität,“ so Bosch-Entwickler Friedrich Boecking.

Optimierte Einspritzsysteme

Zwei Einspritzvarianten sind heute dominierend: Common Rail und Pumpe-Düse. Bei Common Rail wird der Kraftstoff von einer separaten Pumpe über eine gemeinsame Leitung den Einspritzdüsen zugeführt und über ein Ventil eingespritzt. Beim Pumpe-Düse-System sind Einspritzpumpe und -düse in einem Bauteil integriert. Die Nockenwelle des Motors treibt über einen Rollenkipphebel den Pumpenkolben des Einspritzelements an. Eine Nadel im Ventil dosiert dabei die Einspritzmenge. Betätigt werden die Ventilnadeln in beiden Systemen entweder elektromagnetisch oder piezoelektrisch.

Ein Pumpe-Düse-System mit einem Einspritzdruck von mehr als 2000 bar, das eine möglichst saubere Verbrennung sicherstellt, haben Siemens VDO und Volkswagen bereits entwickelt. Doch je höher der Einspritzdruck, desto lauter wird normalerweise der Dieselmotor. Das bekannte Nageln lässt sich mit Piezo-Aktuatoren vermeiden. Der Motor wird so nicht nur leiser, sondern gleichzeitig auch sparsamer. Dazu wird der Einspritzdruck im Leerlauf durch hydraulische Unterstützung der Ventilfeder auf unter 200 bar gesenkt, was das Nageln im Leerlauf reduziert. Eine zusätzliche Bohrung zwischen Kraftstoffzulauf und Federraum macht das möglich. Der ohnehin mit hohem Druck einströmende Kraftstoff verstärkt so die Federkraft.

„Da die Betätigung des Ventils mit Piezo-Aktuatoren schneller ist, sind sehr präzise Abstände zwischen Vor- und Haupteinspritzung möglich, und das senkt die Emissionen deutlich. Aus der bisherigen Entwicklung erscheinen Spitzendrücke bis zu 2500 bar durchaus realisierbar,“ meint Dr. Klaus Egger, Vorstandsmitglied bei Siemens VDO Automotive.

„Die Basis für den Erfolg der Piezo-Technologie war die Verringerung der erforderlichen Ansteuerspannung auf den Bereich unter 200 Volt," ergänzt Dr. Reinhard Gabl, Leiter der Produktentwicklung Piezo-Technologie bei EPCOS. Das gelingt, weil der Piezo-Aktuator – ähnlich einem Keramik-Vielschicht-Kondensator – aus vielen einzelnen Keramik- und Elektrodenlagen aufgebaut ist. Ein heutiger Aktuator für Dieselinjektion besteht aus rund 350 aktiven Piezo-Lagen. Er schafft bei einer Länge von 30 Millimetern einen Hub von 40 Mikrometern. Dabei werden Kräfte von bis zu 2500 Newton frei. „Das reicht aus, um die Ventilnadel gegen einen Druck von künftig bis zu 2000 bar zu öffnen,“ fährt der Entwicklungsleiter fort. Hinzu kommt, dass der Hub bei den bisher üblichen elektromagnetischen Einspritzsystemen einen festen Wert hatte, bei Piezo-Aktuatoren hingegen lässt er sich durch die Höhe der angelegten Spannung variieren.

Zweite Generation der Benzin-Direkteinspritzung

Auch beim Benzinmotor gibt es noch große Sparpotenziale. So stellte beispielsweise BMW zur IAA 2005 in der Konzeptstudie X3 Efficient Dynamics einen strahlgeführten Piezo-Direkteinspritzer vor. Gegenüber einem herkömmlichen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung liegt das Potenzial dieser Technologie – je nach Fahrzeugtyp und Fahrzyklus – bei einer Verbrauchsreduzierung von bis zu 20 Prozent. Auch im Vergleich zur bisherigen Generation der Benzin-Direkteinspritzung mit Magnetspulen-Injektoren bringt die neue Generation mit Piezo-Injektoren dank Schichtladung Verbrauchsvorteile, so Siemens VDO.

Eine gezielte Strömungsführung im Brennraum zur Vermischung von Kraftstoff und Luft ist beim strahlgeführten Einspritzen nicht mehr notwendig. Die Aufbereitung des Gemisches erfolgt direkt durch eine kegelförmige Ausbildung des Einspritzstrahls im Brennraum. Der Piezo-Injektor ist zentral zwischen den Ventilen und der ebenfalls zentral angeordneten Zündkerze positioniert. Durch die Piezo-Technologie wird eine stabile Verbrennung im mageren Schichtladebetrieb ermöglicht, wodurch sich in einem erweiterten Betriebsbereich des Motors die größtmögliche Kraftstoffersparnis erreichen lässt.

	KRAFTSTOFFEINSPRITZUNG MIT PIEZO-INJEKTOREN
Eine aufgeschnittene Einspritzdüse mit Piezo-Aktuator (links) und der darin verbaute Piezo-Stack mit Kupferkontaktierung.

Autor:

Achim Scharf, freier Fachjournalist