Piezo-Aktoren Mehr Leistung und längere Lebensdauer für Einspritzsysteme

Piezo-Einspritzsysteme haben sich mittlerweile bei Dieselmotoren im Auto als Standard etabliert und werden zunehmend auch in Benzinmotoren eingesetzt. Wie sich Leistung und Lebensdauer dieser Einspritzsysteme deutlich steigern lässt, zeigt EPCOS mit einer neuen Generation von Piezo-Aktoren, die auf einer Keramiktechnologie mit Kupfer-Innenelektroden basiert.

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Im Vergleich zu konventionellen, auf Solenoid-Technologie aufbauenden Einspritzsystemen bieten piezo-basierte Einspritzsystemen deutliche Vorteile. Zwar sind Solenoids zwar etwas kostengünstiger, Piezo-Aktoren aber sind ihnen in der Funktion überlegen, z.B. in der kürzeren Ansprechzeit und der höheren Dosiergenauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge. Daraus resultieren geringerer Kraftstoffverbrauch, verbesserte Emissionswerte und eine höhere Motorleistung. Dank des großen Hubs und der Kraft von Piezo-Aktoren sind darüber hinaus Designs von Einspritzventilen mit einer deutlich reduzierten Zahl mechanischer Elemente möglich.

Milliarden Schaltvorgänge ohne Fehler

Piezo-Aktoren bestehen aus mehreren hundert Schichten von rund 80 μm Dicke eines piezoelektrischen Materials, in der Regel Blei-Zirkon-Titanat (PTZ). Hergestellt wird die Multilagenkeramik über einen Sinterprozess, der ein komplexes Temperaturprofil zwischen 900 und 1100 °C durchläuft. Die kundenspezifischen Aktoren von EPCOS sind zwischen 5 mm und 80 mm lang und setzen sich – je nach Länge – aus 100 bis 1000 piezoelektrischen Lagen zusammen. Damit wird ein Hub zwischen 5 μm und 130 μm erreicht (Bild 1).Ihre Robustheit belegen die Aktoren dadurch, dass sie fehlerfrei mehrere Milliarden Schaltvorgänge bestehen.

Niedrigere Materialkosten und längere Lebensdauer

Aufgrund ihrer technischen Überlegenheit gehören Piezo-Aktoren inzwischen zur Standardausrüstung vor allem von Diesel-Pkw der Mittel- und Oberklasse. Um Aktoren zuverlässig auch in Nutzfahrzeugen sowie Klein- und Kompaktwagen einsetzen zu können, hat EPCOS eine neue Generation von Aktoren entwickelt. Die Vorteile liegen in der Senkung der Materialkosten bei gleichzeitiger Erhaltung der Leistungsfähigkeit der Piezo-Schaltelemente. Darüber hinaus wurde die Lebensdauer der Aktoren deutlich verlängert.

Fertigung von Kupfer-Innenelektroden als Herausforderung

Die neueste Aktor-Generation basiert auf einer Piezo-Keramiktechnologie mit Kupfer-Innenelektroden. Konventionell wird für die Innenelektroden von Multilagen-Piezo-Aktoren eine Legierung aus Silber und bis zu 30% Palladium verwendet, da diese während des Sinters im Bereich von 1000 °C nicht schmelzen und unter Sauerstoff auch nicht oxidieren. Wird dagegen Kupfer eingesetzt, ist während des Hochtemperatur-Sinterprozesses eine sauerstofffreie, reduzierend wirkende Gasumgebung erforderlich, um die Oxidation des Elektrodenmaterials zu verhindern. EPCOS ist es gelungen, diese Herausforderung zu meistern. Dazu gehört auch, die wesentlich exaktere Kontrolle des neuen thermischen Prozesses sicherzustellen, dessen Toleranzen im Fall der Kupferelektroden wesentlich enger gesteckt sind als beim Einsatz von Silber-Palladium.

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