Mehr Leistung und längere Lebensdauer für Einspritzsysteme

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Die Leistung der Piezo-Aktoren konnte gesteigert werden

Die erste Kupfer-Aktor-Generation hatte EPCOS bereits 2003 in Serie gefertigt. Mit Hilfe der neuen Technologie konnten die Materialkosten zwar gesenkt werden, die Leistungsfähigkeit der Bauelemente lag aber noch unter der von Silber-Palladium-Aktoren (Tabelle). Mit der neuen Aktor-Generation in Kupfer-Technologie konnte dieser Nachteil jetzt beseitigt und darüber hinaus die Leistung sogar deutlich verbessert werden.

Leistungsdaten der verschiedenen Elektroden-Technologien (Archiv: Vogel Business Media)

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, wird die Leistungsfähigkeit piezoelektrischer Keramiken maßgeblich von zwei Faktoren bestimmt: Einerseits von der piezoelektrischen Kopplung, also der Fähigkeit des Materials, elektrische in mechanische Leistung umzuwandeln. Andererseits ist der Wirkungsgrad des Materials ausschlaggebend.

Mit der ersten Kupfer-Aktor-Generation wurde ein gleich hoher Wirkungsgrad wie mit Silber-Palladium-Elektroden erzielt, die piezoelektrische Kopplung lag bei 90% der Silber-Palladium-Aktoren. Mit der zweiten Produktgeneration konnten die Werte der Silber-Palladium-Technologie signifikant übertroffen werden. Damit eignen sich die neuen leistungsfähigen Aktoren für Einspritzsysteme in nahezu allen Diesel- und Benzin-Motoren.

Als mechatronische Bauelemente müssen Piezo-Aktoren hohe Anforderungen an die mechanische wie auch elektrische Haltbarkeit erfüllen. Die Entwickler von EPCOS konnten die Haltbarkeit und damit Lebensdauer der Aktoren der zweiten Kupfer-Generation deutlich über jene der bewährten Silber-Palladium-Technologie steigern.

Aktives Riss-Management schließt mechanisches Versagen aus

Bild 2: Polungsrisse breiten sich in Aktoren der neuesten Kupfer-Generation nur in eine vordefinierte Richtung aus (links), rechts ist ein Polungsriss in einer Sollbruchstellenebene zu sehen (Archiv: Vogel Business Media)

Eines der wichtigsten Ziele zur Steigerung der Lebensdauer bestand darin, ein aktives Riss-Management zu realisieren, das mechanisches Versagen selbst unter sehr hoher Belastung ausschließt (Bild 2). Risse und Unterbrechungen der Elektroden-Kontaktierung sind Fehlerbilder, die potentiell unter hohem mechanischen Stress auftreten können. Insbesondere senkrecht zu den inneren Elektroden verlaufende Risse würden zu Kurzschlüssen und damit zum Ausfall des Aktors führen.

Robuste Aktoren für automobile Anwendungen

Bild 3: Im Vergleich zur Silber-Palladium-Technologie können Aktoren in Kupfer-Technologie bei konstanter Belastung eine um rund drei Zehnerpotenzen höhere Zyklenzahl bis zu einer Ausfallrate von 5% erzielen (Archiv: Vogel Business Media)

Ein neu entwickeltes Lagen-Design sorgt dafür, dass sich Risse unter Belastung nur in eine vordefinierte Richtung ausbreiten können, die parallel zu den Lagen verläuft. Dadurch konnte EPCOS die erreichbare Zyklenzahl um etwa drei Zehnerpotenzen steigern (Wöhlerdiagramm in Bild 3). Damit ist es möglich, die Robustheit der Aktoren in bestehenden Pkw-Anwendungen weiter zu erhöhen. Gleichzeitig entsprechen diese Aktoren auch den Anforderungen an die Lebensdauer von Bauelementen für Nutzfahrzeuge. Erst durch die verlängerte Lebensdauer ist es möglich, die für eine Motorlaufleistung von bis zu zwei Millionen Kilometern erforderliche hohe Zuverlässigkeit zu erzielen. Andererseits lassen sich in dieser Technologie auch kleinere Aktoren für Pkw-Einspritzsysteme fertigen, die eine Lebenserwartung und Performance der bewährten Silber-Palladium-Aktoren aufweisen.

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