Bessere Einspritzsysteme für Dieselmotoren

Common-Rail-Einspritzsystem (Kann 2019).

Anonim

Moderne Diesel-Motoren, die energieeffizient und sauber sein müssen, sind präzise steuerbare Einspritzdüsen mit Piezokristallen. Wie genau diese Kristalle funktionieren, wurde bis jetzt nicht vollständig verstanden. In einem vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt ist es nun einer Leobener Forschergruppe gelungen, diese Technologie zuverlässiger und effizienter zu machen. Ihre Ergebnisse sind auch für medizinische Anwendungen oder Energy Harvesting von Interesse.

Gegenwärtig werden Dieselmotoren wegen ihrer Emissionen stark kritisiert. Stickoxide und Ruß beeinträchtigen das Image des "sauberen" Dieselmotors. Während der Anteil an Stickoxiden nur durch Zugabe von Chemikalien oder durch niedrigere Verbrennungstemperaturen und einem damit einhergehenden Verlust an Drehmoment reduziert werden kann, hängt die Rußbildung von der Qualität des Verbrennungsprozesses selbst ab. Die Zeiten sind vorbei, in denen es einfach war, an einem bestimmten Punkt einfach etwas Kraftstoff einzuspritzen: In den meisten Fällen gibt die Einspritzdüse zunächst weniger Diesel ab. Sobald diese sich entzündet haben, wird der Rest des Kraftstoffs hinzugefügt. All dies muss in einem Bruchteil einer Sekunde geschehen und erfordert hochpräzise Einspritzdüsen in Common-Rail-Dieselmotoren. Magnetventile sind oft zu langsam, weshalb in diesem Fall Piezokristalle zum Einsatz kommen. Diese Kristalle wurden bisher von Uhrmachern oder in der Elektronenmikroskopie verwendet, wo jeder Millionstel Millimeter zählt.

Unter der Leitung des Materialwissenschaftlers Marco Deluca ist es einem Forscherteam des Materials Center Leoben (MCL) nun gelungen, die Grundlage zu schaffen, um die in der Automobilindustrie eingesetzten Piezoelemente effektiver und zuverlässiger zu machen. In einem vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt untersuchten die Wissenschaftler tief in diesen Kristallen.

Besser als Quarz

Die relevante Eigenschaft von Piezokristallen ist die Tatsache, dass sie sich ausdehnen, wenn eine elektrische Spannung an sie angelegt wird. Umgekehrt erzeugen sie unter mechanischer Belastung Spannung. Daher kann ein elektrisch aktivierter Piezokristall ein Ventil öffnen. Das bekannteste Material mit dieser Eigenschaft ist Quarz, der typischerweise als Uhrwerkgenerator verwendet wurde. Die Automobilindustrie verwendet keramische Materialien, die als ferroelektrisch bekannt sind und leicht unterschiedliche Eigenschaften haben, erklärt Marco Deluca: "Es gibt einen Unterschied zu Quarz. Wenn man Druck ausübt, erzeugt man elektrische Spannung. In Quarz ist diese Eigenschaft nicht modifizierbar, aber ferroelektrisch Materialien ist es möglich, die Richtung der Materialausdehnung zu beeinflussen. "

Während die Atome in einem Quarzkristall sehr geordnet sind, bestehen ferroelektrische Keramiken aus winzigen sogenannten Domänen, die kleiner als ein Millionstel Millimeter sind. Bei ausreichend hoher Spannung durchlaufen diese Domänen eine kooperative Neuorientierung. "Aufgrund der Neuorientierung der Domänen führt die gleiche Spannung zu einer größeren Ausdehnung als bei quarzähnlichen Materialien, die nur piezoelektrisch sind", erklärt Deluca. Diese größere Dehnung ist für Einspritzdüsen von entscheidender Bedeutung.

Untersuchungen mit Laser und Röntgenstrahlen

In der Automobilindustrie werden Common-Rail-Einspritzdüsen mit Piezo-Injektoren seit mehreren Jahren eingesetzt, jedoch gibt es einige technische Probleme. Die Ingenieure kämpfen mit Rissen in den keramischen Elementen, weshalb diese Elemente mit einer gewissen Vorspannung eingebaut werden. "Außerdem wurde beobachtet, dass die Leistung verbessert wird, wenn die Aktuatoren unter einer Last von etwa 50 Megapascal in den Motor eingebaut werden. Aber die Hersteller wussten nicht warum", berichtet Deluca. Es war eines der Ziele des Projekts, diesen Effekt besser zu verstehen. "Dazu haben wir kommerziell erhältliche Piezoaktoren mit Raman-Laserspektroskopie und Röntgenstrahlung untersucht." Solche Untersuchungen erfordern hochenergetische Röntgenstrahlen, die präzise fokussiert werden können. Sie werden in Teilchenbeschleunigern erzeugt, die denen ähnlich sind, die am CERN-Kernforschungszentrum verwendet werden. Diese Strahlen können das Material durchdringen und ein genaues Bild der Positionen der Atome liefern.

Für sein Projekt arbeitete Deluca mit der North Carolina State University zusammen, die Zugang zu einem Teilchenbeschleuniger (Advanced Photon Source) hat, wo die Messungen durchgeführt wurden. "Die Raman-Spektroskopie hingegen zeigt die mittlere Gitterorientierung, dh die Orientierung der Domänen auf der Ebene der Mikrometer und liefert damit zusätzliche Informationen auf einer anderen Skala. In Leoben haben wir bereits solche Raman-Geräte", sagt Deluca.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die mechanische Vorspannung die Orientierung der Domänen verändert: Die Vorspannung ordnet die Domänen in einer bestimmten Richtung senkrecht zur Achse des elektrischen Feldes an. Sobald sie elektrisch betätigt werden, können mehr Domänen die Phase ändern, als dies ohne mechanische Vorspannung möglich ist. "Damit schaffen Sie größere Veränderungen in der Länge des Materials", bemerkt der Forscher. Auf Basis dieses Wissens konnten sie die optimale Vorspannung für technische Anwendungen ermitteln.

Risse vermeiden

Ein weiteres Ziel des Projekts war die Vermeidung von Rissbildungen. "Die Rissbildung kann gestoppt werden, wenn Sie die ursprüngliche Orientierung der ferroelektrischen Domänen kontrollieren können." Um dies zu tun, muss man zuerst die Richtung erfassen, in der die Domänen orientiert sind. "Es war eines der Ziele unseres Projekts, Methoden zu finden und zu verfeinern, die die Ausrichtung ferroelektrischer Domänen messen können."

Viele mögliche Anwendungen

Diese Erkenntnisse werden bereits von der Industrie genutzt, berichtet Deluca. Nicht nur die Automobilindustrie ist an dieser Entwicklung interessiert, auch andere Technologiebereiche setzen auf piezoelektrische Methoden. "Am Ende gibt es immer ein Problem: Welche Ausrichtung ist für diese Anwendung am besten geeignet? Wie kann die Ausrichtung von Domänen verändert werden? Und unter welcher Belastung können sie ohne Zerstörung platziert werden?" Dies wird in erster Linie für das Energy Harvesting oder Energieselbst wichtig sein -suffiziente Sensoren. " Es gibt auch potenzielle medizinische Anwendungen. "In all diesen Bereichen wird Energie aus einem Verformungsprozess erzeugt. Das Material, das wir analysiert haben, kann für diesen Zweck verwendet werden", erklärt Deluca.

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