Dritte Generation der innovativen Piezo-Common-Rail-Einspritzung (PCR3)

Auf dem 24. Wiener Motorensymposium präsentiert die Siemens VDO Automotive AG die dritte Generation der innovativen Piezo-Common-Rail-Einspritzung (PCR3).

Das neue System, das nach bisheriger Planung zum Modelljahr 2006 erstmals in Serie gehen wird, arbeitet mit einem völlig neu gestalteten Injektor, der für deutlich höhere Drücke ausgelegt ist, einen größeren Wirkungsgrad ermöglicht und die Vorzüge der Mehrfacheinspritzung noch effektiver ausnutzt. Gleichzeitig beansprucht er weniger Bauraum und ermöglicht konstante Präzision sowie hohe Betriebssicherheit über die gesamte Lebensdauer. Die Einhaltung der ab 2008 gültigen Grenzwerte nach Euro V können zahlreiche Modelle dank PCR3 vermutlich ohne Partikelfilter erreichen.

Herzstück der dritten PCR-Generation ist der neu konstruierte Injektor mit dem direkt in den Ventilschaft integrierten, deutlich verkleinerten Piezo-Aktor. Durch die veränderte Konstruktion und den Einsatz weiterentwickelter Materialen kann der Druck im System weiter gesteigert werden: Statt der ursprünglich 1350 bar der ersten oder der 1600 bar der zweiten Generation arbeitet Siemens VDO nun zugunsten einer höheren Leistungsausbeute und einer besseren Schadstoffbilanz mit einem Einspritzdruck von bis zu 1800 bar. Mittelfristig sind in diesem System sogar Drücke bis zu 2000 bar möglich.

Gleichzeitig hat Siemens VDO durch den neu konstruierten Injektor die Kraftstoff-Rücklaufmenge und somit die Leistungsabnahme durch das Einspritzsystem deutlich reduziert. Im Betrieb des Motors folgt daraus, dass die Hochdruckpumpe weniger Leistung aufbringen muss – daraus ergibt sich je nach Auslegung des Motors wahlweise eine deutliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs oder eine höhere Leistungsausbeute.

Ebenfalls einher mit dem neuen Düsenkonzept geht eine deutlich verbesserte Ausnutzung der Potenziale durch die Mehrfacheinspritzung. Die Nadel lässt sich schneller ansteuern und gibt so in kürzerer Zeit den Weg für mehr Kraftstoff mit höherem Druck frei. Dadurch können die Motorentwickler bis zu fünf Einzeleinspritzungen abrufen und dabei kleinste Kraftstoffmengen von weniger als einem Milligramm in den Zylinder einbringen.

Damit der Injektor über die gesamte Lebensdauer präzise und ohne die geringste Abweichung arbeitet, hat Siemens VDO Automotive zwischen Piezo-Aktor und Düse ein hydraulisches Ausgleichselement eingefügt, das die Kraft von der Unterseite des Piezo-Aktors auf das Servoventil überträgt. Dieses Bauteil gleicht nicht nur die minimalen Fertigungstoleranzen aus, sondern kompensiert auch temperaturbedingte Längenänderungen sowie eventuellen Verschleiß im System. Außerdem nutzt Siemens VDO für die dritte Generation der Piezo-Common-Rail-Einspritzung einen Klopfsensor. In Abstimmung mit der Motorsteuerung überwacht dieser Körperschallsensor den Verbrennungsvorgang und regelt das Einspritzverhalten so nach, dass über die gesamte Lebensdauer des Systems in jedem Arbeitstakt stets die gleichen, vorberechneten Kraftstoffmengen in die Zylinder kommen und die Emissionswerte des Fahrzeugs dauerhaft stabil bleiben.

Bei der Common-Rail-Einspritzung werden alle Zylinder des Dieselmotors von einer Hochdruckpumpe über eine gemeinsame Leitung („Common Rail“) mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzung erfolgt derzeit mit Drücken bis zu 1600 bar und mit der neuen PCR-Generation sogar mit bis zu 1800 bar, damit sich im Zylinder ein besonders feines Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet, das schnell, effizient und sauber verbrennt. Gesteuert wird die Einspritzung mit speziellen Präzisionsventilen, deren Düsen bis zu acht Löcher mit einem Durchmesser von teilweise nur 0,09 Millimetern haben. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar misst etwa 0,05 Millimeter.

Diese Ventile öffnet und schließt Siemens VDO mit einem so genannten Piezo-Aktor, der konventionellen Magnetventilen deutlich überlegen ist. Denn die Atomstruktur der aus einer speziellen Keramik hergestellten Piezo-Elemente verändert ihre Form beim Anlegen einer elektrischen Spannung etwa viermal so schnell. Mit den neuen, direkt in den Injektor integrierten Keramikelementen lässt sich die haarfeine Nadel im Zentrum des Ventils heben und senken. Bei jedem Einspritztakt können dabei individuell gesteuert und dosiert fünf und mehr einzelne Kraftstoffportionen von minimal 1,0 Kubikmillimetern in die Zylinder eingebracht werden: Mit mehreren Piloteinspritzungen wird ein sanfter und gleichmäßiger Anstieg des Verbrennungsdruckes ermöglicht – was das klassische „Dieselnageln“ deutlich verringern wird. Die Haupteinspritzung dient der Erzeugung thermischer Energie, wobei man in bestimmten Betriebsbereichen mit einer geteilten Haupteinspritzung die Stickoxidemissionen deutlich reduzieren kann. Mehrere Nacheinspritzungen reduzieren die Rohemissionen und den Partikelausstoß und erleichtern die Regeneration eventuell nachgeschalteter Partikelfilter. Mehrfacheinspritzung, hoher Druck und exakte Piezo-Aktorik sind die Schlüsseltechnologien, die es dem Dieselmotor ermöglichen, die strengen Grenzwerte künftiger Emissionsgesetze sicher zu erfüllen.

Die Produktion der neuen Injektoren-Generation beginnt nach bisheriger Planung innerhalb der nächsten zwei Jahre im Siemens VDO-Werk in Limbach-Oberfrohna (Sachsen). Dort wurden bereits mehr als drei Millionen Injektoren der zweiten Generation gefertigt.