Zehn Jahre nach Serienanlauf produziert der internationale Automobilzulieferer Continental an seinem sächsischen Standort Limbach-Oberfrohna/Stollberg den 40millionsten Piezo-Injektor.
Die Einspritzdüsen werden weltweit in den Motoren von Personenwagen und Nutzfahrzeugen verbaut. "Mit dieser hochmodernen Injektorentechnik haben wir die technologischen Voraussetzungen geschaffen, leistungsstarke und gleichzeitig sparsame Diesel- und Ottomotoren herzustellen, die auch den strengsten Umweltnormen gerecht werden", sagt der Vorstand der Continental AG und Leiter der Division Powertrain, José Avila.
Drei Jahre Vorbereitungszeit vor Aufnahme der Produktion
Rund 1.300 Mitarbeiter sind mit der Herstellung der Injektoren heute in Limbach-Oberfrohna/Stollberg beschäftigt. Die Montage der Injektoren, die mit einem Druck von rund 2.000 bar das Diesel- Luftgemisch in die Zylinder einspritzen, erfolgt unter Reinraumbedingungen. Im Jahr 2000 revolutionierte die Piezo- Technologie die Common-Rail-Einspritzsysteme von Dieselmotoren. Anstelle eines Elektromagneten steuert hier ein Piezo-Aktor, bestehend aus mehr als 300 hauchdünnen übereinander geschichteten Keramikplättchen, die Düsennadel im Injektor. Der Piezo-Aktor dehnt sich durch Anlegen einer Schaltspannung aus und öffnet so die Einspritzbohrungen der Düse innerhalb von Millisekunden. Durch diese sehr kurzen Ansprechzeiten ist es möglich, den Kraftstoff exakt und reproduzierbar auf bis zu sieben Einspritzungen pro Verbrennungstakt aufzuteilen. Dies ermöglicht eine hohe Effizienz in der Verbrennung, denn die Grundlage für einen guten thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors ist eine möglichst genau an die jeweilige Betriebssituation angepasste Kraftstoffzumessung. Die Piezo-Technologie hilft dabei, die ab 2014 geltenden strengeren Grenzwerte für Stickoxide und Rußpartikel (Euro 6) einzuhalten und senkt den CO2-Ausstoß gegenüber herkömmlicher Dieseldirekteinspritzung um nochmals drei Prozent. Motoren mit Piezo-Common-Rail-Einspritzung (PCR) bieten darüber hinaus mehr Leistung, obwohl sie sparsamer und leiser sind.
Entwickelt wurde die Technologie Mitte der 90er Jahre, und nach drei Jahren Vorlaufzeit wurde 2000 der Produktionsstart der PCR- Fertigung im Werk Limbach-Oberfrohna verkündet. "Es waren zehn Jahre, in denen wir Hürden gemeistert und Erfolge errungen haben", blickt Dr. Joachim Zirbs, Werksleiter der Betriebsstätten Limbach- Oberfrohna und Stollberg, wo 2004 die Produktion aufgenommen wurde, auf das erste Jahrzehnt zurück. Die PCR-Technologie, für die Siemens 2004 den Innovationspreis des Bundespräsidenten erhielt, entwickelte sich zu einem Bestseller: "Während für die Fertigung der ersten Million Injektoren noch zwei Jahre benötigt wurden, gelang es im Zeitraum 2007 bis 2009 rund zehn Millionen Injektoren zu fertigen. Noch in diesem Jahr werden wir in der Lage sein, den 40millionsten Injektor auszuliefern", sagt Zirbs.
Auch Benziner werden mit Piezo-Technologie sparsamer
Die Piezo-Einspritztechnik wird inzwischen nicht nur in Diesel-, sondern auch in Ottomotoren eingesetzt. Im Jahr 2006 wurde die wegweisende Piezo-Technologie als besonders sparsame Option für die Direkteinspritzung in großvolumigen Benzinmotoren mit Schichtladung eingeführt. Piezo-Benzininjektoren erweitern mit ihrem konstanten Strahlbild und ihrer großen Mengenspreizung den Schichtladungsbereich solcher Motoren gegenüber Magnetventil- Injektoren. Das kann im Vergleich zur konventionellen Saugrohreinspritzung den Verbrauch und die CO2-Emissionen um bis zu 20 Prozent senken. Neben einer ausgereiften Saugrohreinspritzung wird es künftig vor allem die Direkteinspritzung sein, die den Benzinmotor sparsamer machen wird. Continental gehört zu den führenden Anbietern moderner Direkteinspritztechnologie, und das nicht nur für herkömmlichen Ottokraftstoff, sondern auch für alternative Kraftstoffe wie Erdgas, Flüssiggas oder Ethanol.
Ergänzend zur Weiterentwicklung der heutigen Injektorgeneration setzt Continental auf ein neues Injektorkonzept: Piezo-Injektoren mit Direktantrieb. Durch den direkten Antrieb kann die Düsennadel ohne hydraulische Übersetzung noch schneller und präziser angesteuert werden. Das bietet aus Sicht eines Motorenbauers zahlreiche Vorteile für besonders anspruchsvolle Diesel-Anwendungen. Darüber hinaus lässt sich erstmals der Einspritzratenverlauf einzelner Einspritzungen flexibel formen und ergänzt somit perfekt die bei modernen Common-Rail-Dieselmotoren bereits etablierte Mehrfacheinspritzung. Der Piezo-Aktor dient dabei gleichzeitig als Sensor, da er die exakte Position der Düsennadel an das elektronische Steuergerät zurückmeldet. Auf diese Weise entsteht zum ersten Mal ein geschlossener Mengenregelkreis. Minimale Exemplarstreuungen sowie Abweichungen, sogenannte Driftvorgänge im Laufe eines Autolebens können erkannt und selbstständig innerhalb des Systems korrigiert werden. Zudem ist es mit dem neuen Injektor möglich, den Einspritzdruck auf über 2.000 bar zu erhöhen.