Technische Abteilung: Erklärung zu Piezo-Kraftstoffeinspritzern

Jun 12, 2023

Wenn Sie jemals die Funken gesehen haben, die entstehen, wenn jemand in einem abgedunkelten Raum Wint-O-Green Life Savers isst, sind Sie Zeuge dieses Phänomens: Bestimmte kristalline Materialien wie Zucker erzeugen winzige Mengen Elektrizität, wenn Sie sie zusammendrücken. Es gibt sogar ein Wort dafür: „piezoelektrisch“, das Elektrizität beschreibt, die durch Druck entsteht. Der Prozess ist aber auch reversibel, da sich dieselben Materialien leicht ausdehnen, wenn ihnen Strom zugeführt wird. Es gibt zahlreiche Stellen in einem Auto, an denen die piezoelektrische Expansion nützlich sein kann.

Nehmen Sie zum Beispiel die präzise Dosierung, die für die moderne Kraftstofflieferung erforderlich ist. Bosch, Continental und Delphi haben unter anderem diese besondere Eigenschaft des sich ausdehnenden Piezomaterials – anstelle des üblichen Elektromagneten – genutzt, um die Kraftstoffeinspritzdüse zu öffnen und Kraftstoff präzise in Benzin- und Dieselmotoren zu spritzen. Es ist jedoch nicht einfach, diese Geräte zum Laufen zu bringen.

Ein Grund dafür ist, dass die Ausdehnung der Piezokristalle winzig ist. Eine zwei Hundertstel Zoll dicke Scheibe Piezomaterial dehnt sich nur um etwa 0,00002 Zoll aus, wenn sie mit etwa 140 Volt Strom getroffen wird. Diese zweihunderttausendstel Zoll reichen nicht annähernd aus, um den Zapfen einer Einspritzdüse zu bewegen, der Teil ist, der die Düse abdichtet und sich öffnen muss, um Kraftstoff einzuspritzen.

Der Continental-Injektor besteht aus Hunderten kleiner Piezoscheiben, die übereinander gestapelt sind, sodass die kombinierte Ausdehnung die Gesamtbewegung erhöht. Der Stapel erzeugt eine Bewegung von 0,004 Zoll – genug, um den Zapfen weit genug zu bewegen, um Kraftstoff einzuspritzen. Da diese Bewegung jedoch in die falsche Richtung erfolgt – nach unten, nicht nach oben – ermöglicht die Hinzufügung von zwei winzigen Hebeln die Ausdehnung des Piezostapels, wodurch der Zapfen angehoben wird und der Kraftstoffsprühvorgang beginnt. Wenn die Injektion abgeschlossen ist, wird die Spannung unterbrochen, der Piezostapel schrumpft und eine Feder schließt den Zapfen.

Piezo-Injektoren haben einige entscheidende Vorteile, die diese ganze Mühe rechtfertigen. Zum einen öffnen und schließen sie deutlich schneller als herkömmliche Injektoren. Dies ermöglicht eine präzisere Steuerung des Einspritzintervalls, das bestimmt, wie viel Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird. Piezo-Einheiten geben auch Feedback, indem sie winzige Schwankungen in der Elektrizität erzeugen, die zu ihrer Aktivierung verwendet wird. Wenn der Motorsteuercomputer beispielsweise eine Öffnungszeit der Einspritzdüsen von 0,5 Sekunden angibt und die Reaktion der Einspritzdüse zeigt, dass sie nur 0,496 Sekunden geöffnet hat, kann der Computer zum Ausgleich etwas Zeit zum nächsten Einspritzzyklus hinzufügen. Eine solche präzise Kraftstoffdosierung sorgt für eine verbesserte Verbrennung, was zu einer geringeren Kraftstoffeffizienz und geringeren Emissionen führt.

Piezo-Injektoren sind nicht nur genauer als herkömmliche Feststoff-Injektoren, sie können auch einige Tricks ausführen, die völlig über die Fähigkeiten ihrer Vorgänger hinausgehen. Zum einen dehnen sich die Piezokristalle durch die Anwendung von etwas weniger Strom weniger aus, sodass sich die Einspritzdüsen teilweise öffnen können. Eine kleinere Öffnung bedeutet eine längere Einspritzzeit, was von Vorteil ist, wenn versucht wird, eine kleine Menge Kraftstoff genau einzuspritzen, beispielsweise wenn ein Auto fast im Leerlauf fährt. Da sie so schnell wirken, können Piezo-Injektoren während eines einzigen Verbrennungszyklus auch mehrmals einspritzen (bei manchen Dieselmotoren sogar siebenmal). Diese Flexibilität kann die Emissionen bei allen Motoren reduzieren und die Rußbildung bei Dieselmotoren begrenzen.

Diese Vorteile haben dazu geführt, dass Piezo-Injektoren in vielen der neuesten Diesel- und Benzinmotoren mit Direkteinspritzung Einzug gehalten haben. Und Continental sagt beispielsweise, dass seine Piezo-Einheiten nicht mehr kosten als die weniger leistungsfähigen herkömmlichen Äquivalente. Piezo-Injektoren sind eines der Schlüsselelemente, die Verbrennungsmotoren in den kommenden Jahren gegenüber diesen lästigen Elektro-Emporkömmlingen konkurrenzfähig halten werden.

Csaba Csere kam 1980 zu Car and Driver und verließ das Unternehmen nie wirklich. Nachdem er als technischer Redakteur und Direktor tätig war, war er von 1993 bis zu seinem Ausscheiden aus dem aktiven Dienst im Jahr 2008 Chefredakteur. Er beschäftigt sich weiterhin mit Automobiljournalismus und LeMons-Rennsport und kümmert sich 2017 um seinen Jaguar E-Type von 1965 Porsche 911 und drei Motorräder – wenn er nicht gerade in der Nähe seines Hauses in Colorado Ski fährt oder wandert.

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