Delphi Einspritzsystem

„30 Prozent weniger Stickoxide"

Der neue Vierzylinder-Dieselmotor von Mercedes-Benz hat erstmals ein Common-Rail-Einspritzsystem von Delphi mit Piezoaktuatoren. Dr. Detlev Schöppe, E

14.01.2009 | Autor / Redakteur: Das Interview führten Jürgen Goroncy und Hartmut Hammer /

Der neue Vierzylinder-Dieselmotor von Mercedes-Benz hat erstmals ein Common-Rail-Einspritzsystem von Delphi mit Piezoaktuatoren. Dr. Detlev Schöppe, Entwicklungsleiter von Delphi Diesel Systems, erläutert, welche Vorteile sich Mercedes damit sichert.

»Automobil Industrie«: 2 000 bar Einspritzdruck, bis zu sieben Einzeleinspritzungen, leckagefrei und hohe Mengenstabilität: Was hat der Kunde von diesen Eigenschaften?

Dr. Detlev Schöppe: Die OEM werden mithilfe unseres Direct-Acting-Einspritzsystems die künftigen Emissionsvorschriften besser erfüllen und höhere Leistungsdichten bei niedrigerem Kraftstoffverbrauch realisieren.

»AI«: Was kann dieses Einspritzsystem, was andere nicht können?

Schöppe: Bei unserem patentierten direkten Konzept betätigt der piezokeramische Aktuator die Düsennadel erstmals unmittelbar ohne Umlenkungen oder andere Hilfskonstruktionen. Servohydraulische Schaltungen heutiger Injektoren sind damit überflüssig. Die direkte Injektoransteuerung arbeitet außerdem vollständig leckagefrei: Die gesamte geförderte Kraftstoffmenge wird eingespritzt.

Auf teuere Kraftstoffkühler verzichten

»AI«: Was hat das für Vorteile?

Schöppe: Es entfällt der bisher übliche Kraftstoff-Rücklauf. Erstens wird so bis zu ein Kilowatt der bisher von Servosystemen benötigten Antriebsleistung eingespart. Zweitens kann der OEM mit unserem System auf teure Kraftstoffkühler verzichten. Drittens wird so nach dem Abschalten des Motors der Kraftstoffdruck gehalten, was den Neustart – etwa bei Start-Stopp-Systemen – erheblich verbessert.

»AI«: Beeinflusst die direkte Injektorbetätigung auch das Einspritzverhalten?

Schöppe: Und wie! Mehrschichtige Piezoaktuatoren haben eine extrem hohe Betätigungskraft und -geschwindigkeit. Deshalb schließt und öffnet die Düsennadel unseres Direct-Acting-Injektors etwa dreimal schneller als bei herkömmlichen Injektoren – im Unterschied zu diesen übrigens unabhängig vom Raildruck. Dadurch sind bis zu sieben Einzeleinspritzungen bei minimalen Zeitabständen möglich. Jeder Einspritzvorgang bleibt dennoch weitgehend unbeeinflusst vom vorherigen. Das garantiert ein stabiles Einspritzverhalten bei allen Raildrücken. Bei herkömmlichen Injektoren muss man bei niedrigen bis mittleren Raildrücken Reduktionen in der Einspritzrate in Kauf nehmen.

Kein Verschleiß und damit kein Menegndrift

»AI«: Welchen Vorteil haben schnelle, stabile Einspritzungen?

Schöppe: Weil die Steuerung der Einspritzzeitpunkte ungleich flexibler ist, wird die Kalibrierung unseres Direct-Acting-Systems an Motor und Fahrzeug deutlich verbessert. Es tritt praktisch kein Verschleiß und somit keine Mengendrift auf. Das ermöglicht konstant hohe Motorleistungen und geringe Emissionen über die gesamte Lebensdauer hinweg.

Die kurzen Öffnungs- und Schließzeiten der Nadel haben zwei weitere Vorteile: Erstens sorgen sie für ein annähernd rechteckiges Profil der Einspritzrate. Zweitens verbessern sie die Sprayqualität und die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Auch bei extrem kurzer Spritzdauer wird so genügend Kraftstoff im Brennraum verbreitet. Das erhöht die Motorleistung, führt zu geringeren Partikelemissionen und vermindert den Zielkonflikt zwischen Partikel- und NOx-Emissionen. Konkret: Im Vergleich zu einem Motor mit Servoventil-Injektor, gleichgültig, ob mit Magnet- oder Piezotechnik, kann unsere Technik die NOx-Emissionen um bis zu 30 Prozent senken – bei konstantem Partikelausstoß.

Vorteile für Direct-Acting-Injektor mit Nadelhubverstärkung

»AI«: War die direkte Ansteuerung der Düsennadel die einzige Alternative? Ihre Wettbewerber machen es schließlich anders.

Schöppe: In der Konzeptphase haben wir vier verschiedene Bauweisen untersucht. Nach umfangreichen Analysen setzte sich der Direct-Acting-Injektor mit Nadelhubverstärkung klar durch.

»AI«: Aus welchen Gründen?

Schöppe: Er zeigte bei der Gesamtbewertung – unter anderem mit den Kriterien Sicherheit, Einbau, Herstellbarkeit und Kosten – mit Abstand die beste Performance.

Zusätzlich wirkt der Kraftstoff im Piezoinjektor als kleiner Druckspeicher, der Druckwellen zwischen der Hochdruckpumpe und dem Injektor abfängt. So haben Druckschwankungen nur minimalste Auswirkungen auf die Nadelbewegung und die Mengengenauigkeit bei der Einspritzung.

»AI«: Welche Auslenkung erzeugt der Piezostack?

Schöppe: Faustformel ist, dass eine Piezokeramik unter Spannung ein Promille Längenausdehnung hat. Bei unserem Piezostack mit 80 Millimeter Länge sind das dann etwa 80 Mikrometer.

»AI«: Von Flüssigkeit umgebene, spannungsführende Teile: Wie verhindern Sie Kurzschlüsse?

Schöppe: Ganz einfach: Wir haben den kompletten Piezostack mit einer Kunststofffolie umhüllt. Sie besteht aus zwei Lagen Kunststoff und dazwischen Aluminium. Damit verhindert sie erstens die Diffusion des Kraftstoffs und zweitens hat sie isolierende Wirkung.

»AI«: Hat die Lage mitten im Kraftstoff keine negativen Auswirkungen auf die Piezokeramik?

Schöppe: Im Gegenteil. Durch den kühlenden Flüssigkeitsmantel erwärmt sich die Keramik nicht so stark, was sich sehr positiv auf ihre Lebensdauer auswirkt. Da im Injektor keine Druckentlastung stattfindet, bei der viel Energie freigesetzt wird, erhitzt sich der Direct-Acting-Injektor auch nicht so stark wie ein herkömmlicher Servo-Injektor. »AI«: Erfordern die schnelleren Injektoren eine schnellere Motorsteuerung?

Extrem schnelle Einspritzvorgänge

Schöppe: Eindeutig, denn jetzt wird die Kraft zur Nadelöffnung ja elektrisch bereitgestellt. Unsere Leistungsarchitektur und das Steuergerät sind so ausgelegt, dass die technisch möglichen, extrem schnellen Einspritzvorgänge voll realisiert werden können.

»AI«: War auch neue Software erforderlich?

Schöppe: Die Softwarestrategien unseres Multec-Common-Rail-Systems mit Magnetventil-Injektor bilden auch die Basis für die Steuerung des Direct-Acting-Piezoinjektors. Sie umfassen bereits eine Kompensation für eine mögliche Mengendrift, injektorindividuelle Datensätze mit Angaben etwa zu den Einspritzmengen sowie eine Mengenregelung an der Hochdruckpumpe und eine Druckregelung am Rail. Neu sind Regelalgorithmen für die Bestromung des Piezoaktuators und eine Funktion, welche die Einspritzrate an die Anforderungen des Brennverfahrens anpasst. Apropos Multec: Alle wichtigen Bestandteile der beiden Common-Rail-Systeme sind kompatibel und untereinander austauschbar.

»AI«: Warum dann überhaupt zwei verschiedene Einspritztechniken?

Schöppe: Unsere Multec-Magnetventil-Injektoren sind die optimale Lösung für Kunden, die ein hohes Leistungsvermögen zu einem günstigen Preis suchen. Direct-Acting-Piezo als High-End-System bietet ein unübertroffenes Preis-Leistungs-Verhältnis für Hochleistungsmotoren.

Gegenüber Magnetventilen 25 Prozent teuerer

»AI«: Und die Kosten der Direct-Acting-Injektoren im Vergleich zu Magnetventilen?

Schöppe: Im Vergleich zu unseren Magnetventilen sind sie etwa 25 Prozent höher.

»AI«: Gibt es außer Mercedes-Benz weitere Kunden?

Schöppe: Wir arbeiten derzeit mit drei weiteren Marken sehr eng zusammen und haben viele weitere Anfragen. Bis in fünf Jahren könnten 20 Prozent unserer verkauften Injektoren Piezoaktuatoren sein.

Zur Person

Dr. Detlev Schöppe studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und arbeitete anschließend bei der FEV. 1991 wechselte er zu Siemens Automotive, wo er maßgeblich an der Entwicklung des ersten Piezo-Common-Rail-Einspritzsystems mitwirkte. 2001 übernahm er die Entwicklungsleitung von Delphi Diesel Systems.

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