Wie Piezo-Kristalle in Einspritzdüsen die Effizienz steigern

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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.

Deluca nutzte hierfür eine Zusammenarbeit mit der North Carolina State University, bei deren Teilchenbeschleuniger (Advanced Photon Source) die Messungen durchgeführt wurden. „Die Raman-Spektroskopie hingegen liefert die durchschnittliche Gitterorientierung, also die Orientierung der Domänen, im Mikrometer-Bereich und ergänzt deshalb die Röntgen-Experimente auf einer unterschiedlichen Längenskala. Ein derartiges Raman-Equipment gibt es bereits in Leoben“, erklärt Deluca.

Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass die mechanische Vorspannung die Orientierung der Domänen verändert: Die Vorspannung ordnet die Domänen in eine bestimmte Richtung senkrecht zur elektrischen Feldachse. Wenn sie nun elektrisch angeregt werden, können mehr Domänen umklappen als ohne vorgelegte mechanische Spannung. „Dadurch erzeugt man eine größere Veränderung in der Länge des Materials“, so Deluca. Mit diesem Wissen habe man nun die optimale Vorspannung für die technische Anwendung bestimmen können.

Risse vermeiden

Ein weiteres Ziel des Projekts war es, die Rissbildung zu verhindern. „Die Rissbildung lässt sich stoppen, wenn man die ursprüngliche Orientierung der ferroelektrischen Domänen steuern kann.“ Dafür ist es nötig, abzubilden, in welche Richtung die Domänen orientiert sind. „Eines der Ziele unseres Projekts war, Methoden zu finden und zu verfeinern, die die Orientierung von ferroelektrischen Domänen messen können.“

Viele Anwendungen möglich

Dieses Wissen werde bereits industriell verwendet, berichtet Deluca. Nicht nur die Automobilindustrie ist an dieser Entwicklung interessiert, auch andere Technologiezweige setzen auf Piezoelektrizität. „Das Problem ist letztlich immer: Welche Orientierung ist die beste für die Anwendung? Wie lässt sich die Orientierung von Domänen verändern?

Welche Belastung ist möglich, ohne sie zu zerstören? Das wird vor allem für Energy Harvesting oder für energieautarke Sensoren interessant sein.“ Auch in der Medizin gibt es Anwendungsmöglichkeiten. „In allen diesen Bereichen wird aus Verformung Energie gewonnen. Das Material, das wir analysiert haben, kann dafür verwendet werden“, sagt Deluca.

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