"Wir brauchen keine Piezo- Injektoren"

Einspritzsysteme für Großmotoren stehen vor großen Herausforderungen, nicht nur angesichts neuer Emissionsgrenzwerte für schnelllaufende Marinemotoren. L'Orange-Chef Ralph-Michael Schmidt beschreibt im MTZ-Interview, welchen Einfluss ein führender Hersteller von Einspritzsystemen auf die künftige Motorenentwicklung nehmen kann.


Herr Dr. Schmidt, eigentlich arbeiten wir ja beide für denselben Markengründer ...
Richtig, für Prosper L'Orange. Deshalb ist Industriegeschichte so spannend: Sie konzentriert sich auf wenige Persönlichkeiten, eine Handvoll genialer Leute, die den Motorenbau entwickelt haben. Zum Beispiel hat Prosper L'Orange die Vorkammer erfunden und damit den Einsatz des Dieselmotors für eine mobile Traktion ermöglicht. Anders gesagt: Der Lkw hätte so früh keinen Dieselmotor bekommen ohne die Vorkammer von Prosper L'Orange. Das war damals eine Wirkungsgradsteigerung von 80 Prozent.

Was sind heute die Herausforderungen in der Großmotorenentwicklung?
Lebensdauer, Kraftstoffverbrauch und Einsatz alternativer Kraftstoffe, das lässt sich ja alles innerhalb der Lifecycle-Costs nicht trennen. Man verwendet alternative Kraftstroffe, um der Umwelt einen Gefallen zu tun, aber es gibt natürlich auch kommerzielle Aspekte. Aber die größte Herausforderung sind ganz klar die Abgasemissionen.

Was können wir in Zukunft noch von der Einspritztechnik erwarten, um die Rußbildung zu reduzieren, gerade im Hinblick auf die neuen Emissionsgrenzwerte für Marine-Mittelschnellläufer?
Da frage ich Sie: Welche Innovationen sind in den vergangenen Jahren in der Motorentechnik gelaufen? Nicht ohne Stolz behaupte ich: Es hat sich vieles auf die Einspritztechnik konzentriert. Und da sind es auf der einen Seite die Einspritzdrücke, was in die Rußemissionen eingeht, und auf der anderen Seite ganz klar die Common-Rail-Einspritzung.

Welche Bedeutung hat für L'Orange die Verheiratung von Common Rail und Unit Injection?
Das sind ja total unterschiedliche Technologien. Common Rail der neuesten Generation verdient eigentlich nicht mehr den Namen Common Rail. Dadurch, dass Sie den Kraftstoffspeicher vom Injektor entfernt haben, haben Sie bei jeder Einspritzung, bei jeder Schaltung des Ventils große Brandungswellen. Das heißt, Sie öffnen das Ventil und schließen es wieder und bekommen dadurch Druckschwankungen, die den Faktor 2 des Systemdrucks erreichen können. Wenn Sie einen Systemdruck von 1.500 bar haben, können Druckspitzen bis 3000 bar auftauchen. Wir haben ein Projekt gestartet, in dem wir Einspritzsysteme bis zu einem Systemdruck von 3.000 bar erforschen.

Eine ziemliche Herausforderung für die Bauteilfestigkeit ...
Richtig. Deshalb haben wir bei den neuesten Systemen, bei der MTU ist das die Baureihe 4000-03, das Rail mit dem Injektor verheiratet. Das heißt, der Speicher ist jetzt in den Injektor integriert. Dadurch bekommen Sie eine hydraulische Stabilisierung des Systems und Spitzen werden abgedämpft. Sie haben dann deutlich geringere Druckspitzen. So werden aus den 1.500 nur 2.250 bar in der Druckspitze. Damit haben Sie das Potenzial zu höheren Einspritzdrücken. Wenn ich heute ein altes Common-Rail-System auf 2.500 bar bringe, bekomme ich Druckspitzen bis 5.000 bar, die man technisch nicht mehr beherrschen kann und für die es keine Werkstoffe gibt. Integriere ich aber den Speicher in den Injektor, ist es wieder beherrschbar, bei zusätzlichen anderen Vorteilen. Und das ist das, was wir gerade jetzt bei der MTU in Serie bringen und in der nächsten Generation bei den Mittelschnellläufern, für die wir gerade an Konzeptstudien arbeiten.

Was ist denn aus der variablen Einspritzung geworden?
Man hat früher angestrebt, erst wenig einzuspritzen, dann mehr und dann wieder weniger, mit Hilfe einer so genannten Gummidüse, die einen bedarfsgerechten Querschnitt freigibt. Das ist im Moment nicht realisierbar und ich kenne niemand im Forschungsbereich, der kurzfristig eine Realisierungschance sieht. Wo wir uns annähern, ist das getaktete Einspritzen. Mit gezieltem Voreinspritzen haben wir eine weichere Verbrennung und verringern die Stickoxide. Genauso haben wir am Ende eine Nacheinspritzung, die die Rußpartikel- und Kohlenwasserstoffbildung vermindert. Damit kommen wir auf Emissionswerte, von denen man vor zehn Jahren glaubte, dass sie nur mit Abgasnachbehandlung zu erzielen sind.

Warum bieten Sie Ihren Kunden keine Piezo-Injektoren an?
Für unsere Applikationen brauchen wir die nicht, weil wir die Magneten sehr günstig im Injektor anordnen können. Wir haben natürlich Untersuchungen mit dem Piezo gemacht. Es gibt ja Leute, die träumen davon, dass der Aktor augenblicklich die Einspritznadel aktiviert. Allerdings sind die Kräfte viel zu groß bei diesen hohen Systemdrücken, das funktioniert nicht. Heute realisiert man das mit einem hydraulischen Trick: Sie haben ein Servoventil als Pilotventil, das wird aktiviert durch einen Piezo oder einen Magneten, der einen hydraulischen Kreis freigibt, und dieser aktiviert die Düsennadel. Wenn wir den Magnet düsennah positionieren und wir hydraulisch ganz nah an die Düse gehen, sind wir rasend schnell ...

... rasend schnell heißt, ...
... dass wir mit einer Genauigkeit von weniger als 20 µs einspritzen. Der Piezo hat auf der anderen Seite den Nachteil sehr kleiner Hübe zwischen 20 und 30 µm. Für die Volumina, die wir steuern, sind diese Hübe zu klein. Es gibt heute keinen Hersteller, der kommerziell für uns Piezos liefern würde. Wir bräuchten riesengroße Stacks, die sehr teuer, zudem thermisch instabil und zerbrechlich sind. Für unsere Lösungen sehen wir im Moment keinen Vorteil für Piezo.

Zum Abschluss noch einmal zu den Emissionen: Wenn man davon ausgeht, viel hilft viel, wo ist denn die sinnvolle Grenze für den Systemdruck?
Je höher der Einspritzdruck ist, desto höher ist auch die Verlustleistung. Irgendwann wird der Nutzen für den Verbrennungsprozess überkompensiert durch den Aufwand, mehr Systemdruck zu erzeugen. Wir sind im Moment dabei, genau zu untersuchen, wo diese Grenze liegt.

Autor(en): Moritz-York von Hohenthal

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