Piezo-Injektoren: Neue Technik für saubere und sparsame Diesel- und Benzinmotoren
Zwei Unternehmen – ein Expertenteam
Die vier Kandidaten der Endausscheidung für den Deutschen Zukunftspreis 2005 des Bundespräsidenten sind von der Jury nominiert worden. Eine Besonderheit ist die Einreichung „Piezo-Injektoren: Neue Technik für saubere und sparsame Diesel- und Benzinmotoren“. Erstmals bemühen sich Forscher und Entwickler aus zwei Unternehmen, die alltäglich im harten Wettbewerb zueinander stehen, als Team um den 1997 etablierten Deutschen Zukunftspreis.
Das nominierte Team besteht aus Friedrich Boecking, Robert Bosch GmbH, Dr. Klaus Egger, Siemens VDO Automotive – einem Bereich der Siemens AG –, und Prof. Dr. Hans Meixner, Siemens AG. Bosch und Siemens VDO Automotive gehören zu den großen Zulieferern für die Automobilindustrie. Alle drei Experten haben jeweils in ihren Unternehmen zusammen mit ihren Mitarbeitern maßgeblich die Entwicklung der Piezo-Technik für Einspritzsysteme von Verbrennungsmotoren bis hin zur Großserienreife vorangetrieben und damit einen weltweiten Technologievorsprung erzielt. Schonender Umgang mit fossilen Rohstoffen, stark verringerte Umweltbelastung durch Mobilität und sowohl der Aufbau als auch die Sicherung vieler Arbeitsplätze in beiden Unternehmen und bei deren Zulieferern sind die Ergebnisse der Arbeit.
Fortschritte mit Piezo-Injektoren in Kraftfahrzeugen
Mobilität durch Kraftfahrzeuge hat in unserer Gesellschaft einen hohen Stellenwert – nicht nur in Deutschland und Europa, sondern weltweit. Ihr Wachstum ist zwar mit positiven Auswirkungen auf die Gesellschaft und ihre Volkswirtschaft verbunden. Sie bringt aber auch eine Reihe von Problemen mit sich, an deren Lösung weltweit Forscher und Entwickler arbeiten. Der Verbrauch fossiler Rohstoffe und die Umweltbelastung durch Verbrennungsgase stehen dabei ebenso im Fokus wie das Ziel, die Ansprüche der Autofahrer hinsichtlich Sicherheit und Komfort zu erfüllen.
Kernkomponente eines Dieselmotors ist das Einspritzsystem. Es besteht aus einer Pumpe, die den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt, und einer Düse, die mit Hilfe eines Ventils fein dosierte Mengen Kraftstoff in die Motorzylinder einschießt. Dabei gilt: Je höher der Druck und je gezielter Dosis und Zeitpunkt des Einspritzens, desto effizienter und schadstoffärmer die Verbrennung. Die Einspritzdüse beeinflusst somit entscheidend die Motorqualität.
Zwei Bauarten sind bei Einspritzsystemen heute gebräuchlich: „Common Rail“ und „Pumpe-Düse“. Der Begriff Common Rail („gemeinsame Schiene“) rührt daher, dass Kraftstoff von einer separaten Hochdruckpumpe über einen gemeinsamen Speicher den Zylindern zugeführt und über ein von der Motorelektronik gesteuertes und elektrisch betätigtes Ventil im „Injektor“ eingespritzt wird. Im Unterschied dazu sind beim Pumpe-Düse-System Einspritzpumpe und -düse in einem Bauteil integriert – jeder Zylinder hat seine eigene Hochdruckerzeugung. Das Öffnen und Schließen der Ventile erfolgte bei beiden Systemen bisher meist elektromagnetisch. Ein neuer Weg zur Steuerung des Ventils ist die „Piezo-Technik“.
Mit der Direkteinspritzung und der 1997 eingeführten Common-Rail-Technik gelang es seit 1990, bei Dieselmotoren feinstaubrelevante Partikelemissionen um 90 Prozent und den Ausstoß von Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOX) sowie Kohlenwasserstoffen (HC) um mindestens 95 Prozent zu senken. Hinzu kommen ein geringerer Kraftstoffverbrauch und ein reduzierter Ausstoß des Treibhausgases CO2 – rund 30 Prozent weniger als bei leistungsgleichen Benzinmotoren. Darüber hinaus führte die Direkteinspritztechnik zu hohen Drehmomenten und für den Autofahrer zu entsprechenden Sicherheitsreserven beim Überholen und auch zu mehr Fahrspaß.
Die Fortschritte erzielten die Entwickler durch optimale Kombination höchst präziser Feinmechanik der Dieselinjektoren mit komplexen elektronischen Steuerungen. Ein wesentliches Bindeglied dazwischen sind Stellglieder, mit denen über elektrische Signale die Injektorendüsen geöffnet und geschlossen werden. Für die ersten Generationen verwendeten die Entwickler dazu elektromagnetische Antriebe. Sie suchten jedoch auch nach Alternativen und setzen dabei auf Piezo-Aktoren, die noch schneller und mit mehr Kraft arbeiten. Mit der neuesten Generation der Piezo-Common-Rail-Systeme lassen sich zusätzlich zu den mit bisherigen Common-Rail-Systemen erreichten Parametern nochmals der Kraftstoffverbrauch um rund 3 Prozent senken, die Emissionen von Stickoxiden und Dieselpartikeln und die damit verbundene Feinstaubbelastung um bis zu 20 Prozent verringern. Alternativ können die Motorenhersteller die Piezo-Technik dazu nutzen, die Motorleistung um 5 Prozent zu steigern oder das Motorengeräusch wahrnehmbar um 3 dB(A) zu reduzieren.
Darüber hinaus wurde auf dem Sektor der Dieseleinspritzung ein Piezo-Pumpe-Düse-System entwickelt. Auch damit sind durch die hohe Flexibilität der Einspritzung – ermöglicht durch die schnellen Schaltzeiten des Piezo-Aktors – deutliche Vorteile für den Autofahrer und die Umwelt zu erzielen. So sinken die Geräuschemissionen im Leerlauf um 2 dB(A), die Schadstoffemissionen je nach Ausführung um 20 bis 30 Prozent.
Die Hochdruckdirekteinspritzung für Diesel-Pkw mit ihren Vorteilen führte in Westeuropa zu einem Diesel-Boom. Hatten 1991 in Westeuropa etwa 13 Prozent aller neu zugelassenen Pkw einen Dieselmotor, so waren es 2004 viermal so viel. Neben den Verbrauchs- und Emissionsvorteilen durch die Diesel-Direkteinspritzung war die Technik Voraussetzung für die Abgasnachbehandlung durch Dieselpartikelfilter.
Die Vorteile der Piezo-Direkteinspritzung beim Diesel sind so überzeugend, dass Bosch und Siemens VDO Automotive die Piezo-Technik auch bei Direkteinspritzsystemen für Benzinmotoren einsetzen werden. Erste Pkw mit dieser Technik werden voraussichtlich 2006 auf den Markt kommen und dem Autofahrer nahezu vergleichbare Vorteile bringen.
Die wirtschaftliche Bedeutung der Piezo-Injektortechnik
Entwicklung und Einführung der Hochdruck-Direkteinspritzung sind beispielhaft für unternehmerischen Mut und langfristig angelegte Unternehmensstrategien. Seit Mitte der 90er Jahre investierten beide Unternehmen wesentlich mehr als 5 Milliarden Euro in Entwicklung und Fertigung der Technik. Der bereits erzielte Markterfolg unterstreicht die Bedeutung solcher langfristig angelegter Strategien. 2001, ein Jahr nach Produktionsstart der Piezo-Common-Rail-Technik, wurden 500.000 Piezo-Injektoren gefertigt. 2004 produzierten Bosch und Siemens VDO Automotive mehr als 3 Millionen solcher Injektoren. Für 2006 rechnen sie bereits mit der Produktion von 16 Millionen Einheiten.
Der wirtschaftliche Erfolg der Common-Rail-Dieseleinspritzung hat zum Aufbau vieler neuer Arbeitsplätze geführt. Allein mit der Herstellung der zugehörigen Injektoren sind in beiden Unternehmen gegenwärtig weltweit 9.400 Menschen beschäftigt, davon etwa 6.000 in Deutschland. Zusätzlich finden bei den mittelständisch geprägten Vorlieferanten und Maschinenherstellern weltweit rund 8.000 Menschen Arbeit – auch hier mehrheitlich in Deutschland.
Die Piezo-Technik schafft die Grundlage für entscheidende Entwicklungen, die die Wettbewerbsfähigkeit des Verbrennungsmotors gegenüber alternativen Antrieben bis über das Jahr 2030 hinaus sichern wird – sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht. Die deutsche Industrie, repräsentiert durch Bosch und Siemens VDO Automotive, hält auf diesem wichtigen Zukunftsgebiet durch die Entwicklung und den konsequenten Einsatz neuer Technologien – abgesichert durch zahlreiche Patente – weltweit die Spitzenposition.
Basiswissen zu Piezo-Injektoren
Der Piezo-Effekt (aus dem Griechischen: piezein = drücken) beruht darauf, dass manche Kristalle, also Materialien mit periodisch angeordneten Atomgittern, unter mechanischer Druckeinwirkung eine elektrische Spannung aufbauen. Technisch angewendet wird der Effekt beispielsweise in Feuerzeugen, um mit Hochspannung den Zündfunken zu erzeugen. Das Prinzip funktioniert aber auch umgekehrt: Legt man an den Kristall eine Spannung an, verformt er sich. Über die Verformung wirken mechanische Kräfte.
Bosch und Siemens nutzen diesen Effekt, um bei Direkteinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren den Öffnungs- und Schließmechanismus des Einspritzventils zu betätigen. Der Hauptvorteil von piezoelektrisch gesteuerten Injektoren sind die extrem kurzen Schaltzeiten von nur 100 millionstel Sekunden. Das ist vier- bis fünfmal schneller als bei herkömmlichen Direkteinspritzsystemen.
Als Werkstoff für den Piezo-Aktor wählten Bosch und Siemens VDO statt der sonst üblichen Kristalle ein Keramikmaterial. Es hat ebenfalls piezoelektrische Eigenschaften und ist durch die Beimischung von Blei- und Zirkonoxiden gut auf die thermischen Bedingungen eines Dieselmotors abgestimmt.
Ein Piezokeramik-Plättchen ändert durch Anlegen einer Spannung seine Dicke lediglich um einen zehntausendstel Millimeter. Durch Zusammenfassung mehrerer hundert Lagen solcher Piezo-Schichten zu einem „Piezo-Aktor“ beträgt die nutzbare Längenänderung jedoch 40 tausendstel Millimeter. Die Schaltkräfte eines solchen Aktors betragen 3.000 Newton. Mit dieser Kraft ließe sich ein 300 Kilogramm schwerer Körper binnen 100 millionstel Sekunden hochheben.
Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:
E-Mail: info@deutscher-zukunftspreis.de
Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de
Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden
deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.
Das Projekt „Piezo-Injektoren: Neue Technik für saubere und sparsame Diesel- und Benzinmotoren“ wurde von der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring vorgeschlagen.