Mit strengen Anti-Schadstoff-Vorschriften sind alle Hersteller gezwungen, Emissionen zu reduzieren. Die jüngsten EURO6-Standards haben die Messlatte auf ein noch höheres Niveau gehoben.
Eine der Möglichkeiten, Ergebnisse zu erzielen, besteht darin, die Detonation des Kraftstoffs in den zu verarbeitenden Zylindern so effizient wie möglich zu gestalten. Dabei werden Piezo-Injektoren eine entscheidende Rolle spielen.
Wie kann dies geschehen?
Durch häufigere Einspritzungen mit weniger Kraftstoffvolumen und höherem Einspritzdruck, eine Möglichkeit, saubereren und vollständigeren Kraftstoff zu verbrennen. Piezo-Injektoren verwenden Quarzkristalle als Aktuator, der im Vergleich zu herkömmlichen elektromagnetischen Magnetspulen-Injektoren schneller ist.
Was ist Piezoelektrizität?
Piezoelektrizität ist eine Kombination von Effekten aus dem elektrischen Verhalten von Materialien, insbesondere von Kristallen. Das bedeutet, dass, wenn auf einen Kristall eine Kraft ausgeübt wird, das Gleichgewichtszentrum der positiven und negativen Ladungen verschoben wird, wodurch das Material polarisiert und der elektrische Strom verschoben wird.
Was macht einen Piezo-Injektor aus?
Der Piezo-Injektor besteht aus einem einzigen Stück in Form eines Druckbleistifts, enthält jedoch im Inneren mehrere statische und andere bewegliche Teile.
Beginnen wir oben am Injektor. Hier haben wir die elektrischen Anschlussklemmen, gefolgt von einem Kraftstoffeinlass bestehend aus einer Hochdruck-Schraubklemme, die an die Einspritzleiste anschließt. Dieser Kraftstoffeinlasskanal führt durch das Innere des Injektors und gleich zu Beginn befindet sich ein kleiner metallischer Filter in Form einer Kartusche.
Gleichzeitig befindet sich der Kraftstoffrücklauf in einem separaten Auslass. Im Zwischenbereich des Injektors haben wir das Piezo-Modul, das den Piezo-Aktor enthält, der aus einem Stapel von Kristallen besteht, und das wiederum mit dem Aktormodul verbunden ist, das 2 Ventile enthält, eines aus dem Kolben und die entsprechenden Druckfeder und zum anderen durch das Schaltventil, das einen Teil des Kraftstoffstroms steuert, der aus der Versorgungsleitung kommt und im Vorratsbehälter enthalten ist.
Als nächstes und Begrenzung der Verschiebung dieser Komponenten in die untere Zone ist die Begrenzungsplatte. Der letzte Teil des Injektors besteht aus der Injektornadel und der jeweiligen Feder, gefolgt vom Haltering, der in der Injektordüse endet. Im Endbereich der Einspritzdüse befinden sich die unter Druck stehenden Kraftstoffverdampfungsöffnungen.
Wie funktionieren Piezo-Injektoren?
Der Betrieb von Piezo-Injektoren besteht darin, einen elektrischen Strom durch den Kristallhaufen zu leiten, wodurch er sich ausdehnt. Wenn die Kristalle den Strom entladen, ziehen sie sich auch auf ihre ursprüngliche Größe zurück. Diese Expansion und Kontraktion der Kristalle führt dazu, dass Kraftstoff im Injektor zirkuliert, wodurch das Nadelventil an der Injektordüse extrem schnell geöffnet und geschlossen wird.
Wie sieht es mit Geschwindigkeit und Genauigkeit aus?
Wenn die ECU beispielsweise den Injektor anweist, eine offene Zeit von 0,5 s zu haben, und der Injektor gibt eine Rückmeldung, dass er 0,496 s geöffnet war, weiß die ECU, dass sie beim nächsten Einspritzzyklus etwas mehr Zeit zum Ausgleich benötigen kann. Und weil Piezo-Injektoren schneller sind, können sie mehr Einspritzungen durchführen, genauer gesagt bis zu 7 pro Zyklus, und bei höheren Drücken, was die Kraftstoffzerstäubung erhöht.
Was hat es mit der Kraftstoffzerstäubung auf sich?
Je stärker der Kraftstoff zerstäubt wird, desto besser, denn dadurch verbinden sich die Molekülpartikel im Kraftstoff besser mit dem im Zylinder vorhandenen Sauerstoff, was zu einer effizienteren Einspritzung mit weniger Temperaturspitzen bei gleichzeitiger Explosions-/ Die Verbrennung erfolgt kontrollierter und verbraucht weniger Kraftstoff.
Und was ist daraus zu gewinnen?
Es ist dieses äußerst präzise Kraftstoffmanagement, das zu einem Gewinn mit besseren Drehmoment- und Leistungskurven bei geringeren Schadstoffemissionen bei deutlich geringerem Kraftstoffverbrauch führt.
Sind Piezo-Injektoren derzeit besser als herkömmliche Magnetventile?
Definitiv ja, aber Piezo-Injektoren haben noch einige Nachteile. Ihre Herstellung ist mit hohen Kosten verbunden, was sie zu einem teuren Produkt macht, hauptsächlich aufgrund der Neuheit der Technologie selbst. Ein weiterer Nachteil ist die Zuverlässigkeit, obwohl die Hersteller daran arbeiten.
Piezo-Injektoren sind in einigen Dieselblöcken bereits Realität und tauchen langsam in Benzinblöcken auf. Sie werden sicherlich in naher Zukunft ihre ständige Präsenz prägen, die Verbrennungsmotoren zu immer effizienteren und intelligenteren Maschinen machen wird.
In diesem Video sehen Sie den Betriebsablauf des Piezo-Injektors:
Hier sehen wir einen Piezo-Injektor auf dem Prüfstand bei 2000Bar Druck:
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