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Siemens VDO zeigt strahlgeführte Direkteinspritzung für Ottomotoren

Auf dem Wiener Motorensymposium waren sich die Vertreter von Automobilherstellern wie BMW (Prof. Dr. Burkhard Göschel) oder der Mercedes Car Group (Dr. Hans-Joachim Schöpf) einig: Die Benzin-Direkteinspritzung der zweiten Generation verfügt über ein enormes Potenzial. Denn die Systeme, die von Zulieferern wie Bosch oder Siemens VDO hergestellt werden, können Verbrauchsvorteile von bis zu 20 Prozent realisieren. Bereits im Vorfeld des Symposiums präsentierte Siemens VDO sein neues System mit dem Namen PDI (Piezo Direct Injection). Es basiert auf Piezo-Technologie und erlaubt erstmals den Einsatz eines strahlgeführten Verbrennungsverfahrens.

Die Benzindirekteinspritzung brachte bislang nicht die Verbrauchsvorteile, auf die man nach guten Versuchsergebnissen gehofft hatte. Das liegt vor allem an den bislang zum Einsatz kommenden luft- und wandgeführten Verbrennungsverfahren, bei denen der eingespritzte Kraftstoff über die Zylinderwand und den Kolbenboden zur Zündkerze gelangt. Der sparsame Schichtladebetrieb, bei dem in unmittelbarer Nähe der Zündkerze eine sehr kleine Menge zündfähiges Gemisch eingespritzt wird, ist nur in wenigen Fahrsituationen möglich. Das neue PDI-System ist dagegen für strahlgeführte Brennverfahren ausgelegt. Hierbei wird der Kraftstoff bei allen Betriebszuständen direkt vor der Zündkerze eingespritzt, was eine Ausweitung des Schichtbetriebs erlaubt. Da strahlgeführte Brennverfahren extrem hohe Anforderungen an den Einspritzdruck, die Dynamik, Strahlaufbereitung sowie die Zumessungsgenauigkeit der Injektoren stellen, war das mit bisher verfügbaren Einspritzkomponenten nicht möglich.

Kernkomponenten des von Siemens VDO entwickelten Einspritzsystems sind der Piezo-Injektor, eine neu entwickelte Benzinhochdruckpumpe und eine neue Motorsteuereinheit. Wie schon beim Dieselmotor ermöglichte auch bei dem PDI-System die Piezo-Technologie den Durchbruch. Ein direkt auf die Düsennadel wirkender Piezo-Aktor gibt dem Injektor seine hohe Dynamik: Der Vollhub der Düsennadel ist bereits nach 0,2 Millisekunden erreicht. Gleichzeitig liegt die Abweichung der einzelnen Einspritzmengen selbst bei den typischen kurzen Einspritzimpulsen der Schichtladung bei maximal zwei Prozent. Für Motorenentwickler ist entscheidend, dass diese Kombination aus Schaltschnelligkeit und Genauigkeit des Injektors eine wesentlich bessere Kontrolle der Einspritzung und damit der Verbrennung bedeutet. So lässt sich mit den Piezo-Injektoren im Schichtladebetrieb ein sehr später Zündzeitpunkt ohne Aussetzer realisieren.

Für eine saubere Verbrennung ist es wichtig, den Kraftstoff besonders fein zu zerstäuben. Bei einem Einspritzdruck von etwa 200 Bar beträgt der mittlere Durchmesser der Kraftstofftröpfchen nur noch 15 Tausendstel Millimeter. Zusammen mit der nach außen öffnenden und dadurch verkokungsfreien Injektordüse ist dafür gesorgt, dass sich unter allen Betriebsbedingungen eine optimal aufbereitete Gemischwolke im Randbereich der Zündkerze befindet. Der Piezo-Injektor ermöglicht vor allem zeitlich präzise Mehrfacheinspritzungen im unteren und mittleren Lastbereich, so dass eine stabile Verbrennung mit geringen zyklischen Schwankungen erreicht wird. Bei Bedarf kann die Motorsteuerung den Einspritzzeitpunkt an die Erfordernisse des Brennverfahrens oder der Abgasnachbehandlung anpassen. Für die Qualität der Kraftstoffzumessung im Schichtbetrieb ist es außerdem vorteilhaft, dass mit Hilfe des Piezoelementes das Einspritzventil nicht nur vollständig, sondern auch teilweise geöffnet und verschlossen werden kann.

Den für einen Benzinmotor ungewöhnlich hohen Einspritzdruck von 200 Bar liefert eine neu entwickelte Axialkolbenpumpe mit Mengenregelung. Um einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad des Antriebes zu erzielen, wurde die Reibleistung der Hochdruckpumpe unter anderem durch eine separate Ölschmierung und eine spezielle Lagerung der Pumpenwelle verringert. Durch diese und weitere konstruktive Maßnahmen kommt die Pumpe mit einer minimalen Antriebsleistung aus: Die Pumpe fördert nur jeweils so viel Kraftstoff, wie der Motor tatsächlich benötigt. Die Steuerung des Gesamtsystems übernimmt ein neu entwickeltes 32-Bit-Motorsteuergerät. Zu den neuen Funktionen zählen die weitgehend frei definierbare Höhe und Geschwindigkeit des Nadelhubs sowie die Steuerung der Mehrfacheinspritzungen mit bis zu drei Einspritzimpulsen pro Zylinder und Arbeitszyklus. Ist der Motor mit entsprechender Sensorik ausgerüstet, bietet die PDI-Motorsteuerung zusätzlich die Möglichkeit, den Nadelhub individuell für jeden Zylinder anzusteuern. Metadaten anzeigen: Autor verbergen | Schlagworte