Piezo-Injektoren von Siemens VDO Automotive ermöglichen neue Generation der Benzin-Direkteinspritzung

Die Siemens VDO Automotive AG nutzt die von ihr entwickelte Piezo-Einspritztechnik künftig auch für Benzinmotoren. Mit der Piezo Direct Injection (PDI) sollen Verbrauchseinsparungen von bis zu 20 Prozent möglich sein. Auf der 60. IAA Pkw stellt der Zulieferer die neue Technologie erstmals einer breiten Öffentlichkeit vor.

Die Direkteinspritzung und die damit verbundenen Verbrauchsvorteile von bis zu 35 Prozent gegenüber dem Ottomotor haben dem Dieselmotor zum Durchbruch verholfen. In Westeuropa liegt der Dieselanteil bei den Neuzulassungen mittlerweile bei mehr als 40 Prozent. Die Ingenieure beim Automobilzulieferer Siemens VDO kontern jetzt: Das Unternehmen hat ein Einspritzsystem für Ottomotoren entwickelt, das einen Ver-brauchsvorteil von bis zu 20 Prozent im Vergleich zu einem Standard-Benzinmotor
mit Saugrohreinspritzung bieten soll.

Bislang wurde bei Benzin-Direkteinspritzern mit wandgeführten oder luftwandgeführten Brennverfahren gearbeitet. Dabei wird der Kraftstoff – ähnlich einer Billardkugel – über den Umweg Zylinderwand und Kolbenboden in die Nähe der Zündkerze geleitet. Die von Siemens VDO entwickelte Piezo Direct Injection ermöglicht nun den Einsatz eines strahlgeführten Verbrennungsprozesses – der Einspritzstrahl transportiert den Kraftstoff zur Zündkerze.

Der Kraftstoff wird in direkter Nähe zur Zündkerze eingespritzt. Unmittelbar danach erzeugt die Kerze einen Zündfunken, der das extrem brennfähige Gemisch entzündet. Dieser Vorgang funktioniert nur dann, wenn die Kraftstoffmenge und der Einspritzzeitpunkt exakt stimmen. Genau hier setzt der Vorteil der bei Siemens VDO entwickelten Piezo-Injektoren ein: Weil die Piezo-Keramik vier bis sechs mal schneller schaltet als herkömmliche Magnetventile, ist der Kraftstoff auch bei sehr hohen Drücken von bis zu 200 bar viel genauer zu dosieren.

Der Piezo-Aktor ist in das Einspritzventil integriert und wirkt direkt auf die Düsennadel. Sobald das Piezo-Element einen elektrischen Impuls erhält, öffnet diese Nadel das Einspritzventil nach außen. Nach nur 0,0002 Sekunden ist das Ventil vollständig geöffnet und der Kraftstoff wird kegelförmig eingespritzt. Indem das Ventil nach außen öffnet, ist es trotz des geringen Abstandes zur Zündkerze vor Verkokung wirkungsvoll geschützt.

Aber der Injektor ist nur eine Komponente des kompletten Einspritzsystems. Eine wesentliche Rolle spielt auch die Hochdruckpumpe, die den Kraftstoff in einen Zwischenspeicher fördert. Damit für diesen Vorgang nicht unnötig viel Energie aufgewendet werden muss, hat Siemens VDO die Pumpe mit einer Mengenregelung versehen: Dabei wird von der Hochdruckpumpe stets nur die Menge gefördert, die für die aktuelle Motorleistung notwendig ist.

Gesteuert wird die PDI von einem 32-Bit-Hochleistungscomputer, der durch zwei Merkmale besticht: Zum einen basiert er auf einer Hardware-Plattform, die Siemens VDO gleichermaßen für Benzin- und Dieselmotoren verwendet. Zum anderen sind die Endstufen, die die Piezo-Elemente mit der benötigten Spannung versorgen, gleich integriert.

Bei der weiteren Entwicklung der PDI, die ab dem Jahr 2006 in Serie gehen soll, greift Siemens VDO auf umfangreiche Erfahrungen mit Piezo-Injektoren zurück. Bereits im Herbst 2000 startete das Unternehmen als erster Zulieferer weltweit die Produktion von Piezo-Dieseleinspritzventilen.

Schon seit 1999 fertigt Siemens VDO als erster europäischer Zulieferer Einspritzsysteme für Otto-DI-Motoren in Serie. Als Aktor kam hierbei ein Magnetventil zum Einsatz. Diese Aktoren, auch Solenoid genannt, werden laufend weiterentwickelt. So zeigt Siemens VDO auf der IAA erstmals den Injektor XL2, der aufgrund hoher Durchflussraten und flexibler Strahlgeometrien speziell für Turbomotoren mit kleinem Hubvolumen geeignet ist. Dieses neue Einspritzventil wird ab dem Jahr 2006 in Serie gehen.