Bessere Einspritzdüsen für Dieselfahrzeuge

Dieselfahrzeuge stehen derzeit wegen ihres Abgases unter heftiger Kritik. Stickoxide und Ruß trüben das verbreitete Bild des „sauberen“ Dieselmotors. Während der Anteil an Stickoxiden nur durch Zusatz von Chemikalien oder durch niedrigere Verbrennungstemperaturen und damit einhergehendem Verlust an Drehmoment reduziert werden kann, hängt die Ruß-Entwicklung von der Qualität des Verbrennungsvorgangs ab. Dafür genügt es schon lange nicht mehr, einfach zu einem bestimmten Zeitpunkt etwas Kraftstoff einzuspritzen: Meist gibt die Einspritzdüse zuerst kleinere Mengen Diesel ab. Erst wenn diese sich entzündet haben, folgt der Rest des Treibstoffs. All das muss in Sekundenbruchteilen passieren, bei Common-Rail-Dieselmotoren sind dafür hochpräzise steuerbare Einspritzdüsen notwendig. Magnetische Ventile sind hier oft zu träge, zum Einsatz kommen in diesem Fall Piezo-Kristalle, eine Technologie, die wegen ihrer hohen Genauigkeit bisher in Uhren oder in der Elektronenmikroskopie eingesetzt wurde, wo es auf millionstel Millimeter ankommt. Eine Forschergruppe vom Materials Center Leoben (MCL) um den Werkstoffwissenschaftler Marco Deluca hat es nun geschafft, Grundlagen zu entwickeln, um die in der Autoindustrie verwendeten Piezo-Bauteile effektiver und verlässlicher zu machen. In einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt warf man dafür einen Blick tief ins Innere dieser Kristalle.

Besser als Quarz

Die wesentliche Eigenschaft von Piezo-Kristallen ist, dass sie sich ausdehnen, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Umgekehrt entsteht Spannung, wenn man sie unter Druck setzt. Ein Piezo-Kristall kann also ein Ventil öffnen, wenn er elektrisch angeregt wird. Das bekannteste Material, das diese Eigenschaft besitzt, ist Quarz, der als Taktgeber in Uhren eingesetzt wurde. In der Autoindustrie verwendet man keramische Materialien, die „ferroelektrisch“ genannt werden und etwas andere Eigenschaften haben, erklärt Marco Deluca im Interview mit scilog: „Es gibt einen Unterschied zum Quarz. Wenn man Druck ausübt, erzeugt man elektrische Spannung. Beim Quarz lässt sich diese Eigenschaft allerdings nicht verändern. In ferroelektrischen Materialien hingegen kann auch die Richtung der Ausdehnung des Materials beeinflusst werden.“ Während die Atome in einem Quarz-Kristall sehr geordnet sind, bestehen ferroelektrische Keramiken aus winzigen sogenannten „Domänen“, die kleiner als ein Millionstel Millimeter sind. Wird eine genügend hohe Spannung angelegt, so „klappen“ diese Domänen um und richten sich aus. „Durch dieses Klappen der Domänen erreicht man bei gleicher Spannung eine höhere Ausdehnung als bei Materialien wie Quarz, die nur piezoelektrisch sind“, erklärt Deluca. Diese stärkere Ausdehnung ist für Einspritzdüsen wesentlich.

Untersuchung mit Laser- und Röntgenstrahlung

Common-Rail-Einspritzdüsen mit Piezo-Injektoren sind in der Autoindustrie seit einigen Jahren üblich, doch es gibt einige technische Probleme. Man kämpft mit Rissen in den Keramik-Elementen, weshalb diese unter einer gewissen Druck-Vorspannung verbaut werden. „Man hat außerdem beobachtet, dass die Performance besser wird, wenn man die Aktoren mit etwa 50 Megapascal Druck im Motor einbaut. Die Hersteller wussten aber nicht, warum“, sagt Deluca. Eine der Aufgaben des Projekts war, diesen Effekt besser zu verstehen. „Dazu haben wir kommerziell verfügbare Piezo-Aktoren in Aktion mit Laser-Raman-Spektroskopie und Röntgenmethoden untersucht.“ Für derartige Untersuchungen braucht es sehr genau fokussierbare hochenergetische Röntgenstrahlung, wie sie nur bei Teilchenbeschleunigern ähnlich jenen im Kernforschungszentrum CERN entsteht. Damit ließe sich das Material durchleuchten und die Positionen der Atome genau abbilden.