Wer beim Dieselmotor heute noch eine behäbige Fahrweise assoziiert, hat die Entwicklung der letzten Jahre in der Automobilbranche verschlafen. Dass es sich vielmehr um den ökonomischsten und zugleich leisesten Verbrennungsmotor handelt, der auch an Dynamik seinem Benzin-Kollegen kaum mehr nachsteht, ermöglichen spezielle Einspritzsysteme für den Kraftstoff.

Dieser gelangt als feiner Nebel genau dann in den Zylinder, wenn der Kolben die Luft durch Verdichten auf eine Temperatur von mindestens 700 Grad Celsius erhitzt hat. Ältere Generationen von Dieselmotoren neigten zum Rußen und Nageln, denn die folgende Verbrennung verlief schlagartig und meist unvollständig. Abhilfe schaffte die so genannte Common-Rail-Technik: In der Zuleitung (commonrail) herrscht ein Druck von bis zu 1600 Bar, sodass der Diesel sehr fein zerstäubt wird, wenn sich ein Düsenventil zu einem Zylinder öffnet. Je geringer die Tröpfchengröße, desto größer ist aber die gesamte Ober-fläche des Kraftstoffs und desto effizienter und vollständiger wird er verbrannt. Hinzu kommt, dass die Verbrennung in mehreren Schritten erfolgen kann: Heutige Magnetventile spritzen pro Zündzyklus zweimal Diesel ein.

Noch schneller geht es, wenn die Ventile von Piezo-Keramiken geöffnet und geschlossen werden (siehe Stichwort). Auf Grund ihrer geringeren Masse und Trägheit reagieren mit solchen Stellelementen (fachlich "Aktuatoren") ausgestattete Ventile dreimal so schnell wie herkömmliche, von Elektromagneten betätigte. Bis zu sechs Einspritzungen pro Zündzyklus wären also möglich.

Piezo-Aktuatoren für den Automobilbau produziert weltweit ausschließlich die EPCOS AG in München. Sie verwendet dafür Schichten spezieller keramischer Werkstoffe. Aus dem Auto-Bordnetz von 12 Volt erzeugt eine Elektronik von Siemens VDO Automotive Steuerspannungen von 160 Volt, die einen 80 Mikrometer dicken Aktuator um 0,11 Mikrometer strecken. Insgesamt 349 Keramikschichten werden übereinandergestapelt, sodass sich das schließlich 7 mal 7 mal 30 Millimeter große Bauelement insgesamt um 40 Mikrometer ausdehnt. Dies genügt, um eine feine Ventil-Nadel zu bewegen und so das Einspritzventil zu öffnen. Für das im Bauelement erforderliche elektrische Feld sorgen insgesamt 350 Elektroden. Wird Gleichspannung angelegt, so dehnen sich die Schichten aus. Wechselt man nun die Polungsrichtung, kehren die Schichten wieder in den Ausgangszustand zurück.

Als optimal erwiesen sich bislang kostspielige Elektroden aus Palladium und Silber, da Palladium eine sehr gute Kontaktierung zwischen den Keramiken und den Anschlussdrähten gewährleistet und Silber eine hohe Leitfähigkeit besitzt. Den Forschern von EPCOS ist es vor kurzem gelungen, ein weltweit einmaliges Verfahren zu entwickeln, das die Kontaktierung über das wesentlich kostengünstigere Kupfer ermöglicht. Wie? Betriebsgeheimnis!

Eine Milliarde Einspritzvorgänge sollte ein Piezo-Aktuator im Lauf seines "Lebens" mindestens schaffen, pro Zündung bis zu fünf. Dies entspricht einer gefahrenen Strecke von über 330000 Kilometern. Der erste Automobilhersteller, der auf die flinken Bauelemente setzt, ist Peugeot: Im neuen Modell Peugeot 307 sind sie schon serienmäßig eingebaut. Tests haben ergeben, dass die exakte Arbeitsweise derart ausgestatteter Ventile den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent senkt; entsprechend weniger Abgase werden freigesetzt. Zudem läuft die Verbrennung gleichmäßiger ab, der Motor arbeitet dementsprechend leiser.

EPCOS sieht seine Piezo-Aktuatoren nicht nur in der Automobilindustrie – auch wo Lacke und Pulver ausgebracht werden, sind Techniken gefragt, um die Dosierung und Zerstäubung zu optimieren. Darüber hinaus eignen sich solche Bauelemente zur Feineinstellung optischer Geräte, etwa zur Kamerafokussierung.

---

Stichwort


Der Piezo-Effekt: Wie die französischen Physiker und Brüder Paul Jacques Curie (1855-1941) und Pierre Curie (1859-1906, Ehemann von Marie Curie) entdeckten, lässt sich an manchen Isolatorkristallen eine elektrische Spannung abgreifen, wenn man sie beispielsweise staucht; umgekehrt reagieren solche Werkstoffe mit einer freilich winzigen Längenänderung auf das Anlegen einer Spannung. Dieser Effekt entsteht, da Unsymmetrien im Gitteraufbau dieser Materialien die Ausbildung elektrischer Ladungsschwerpunkte zur Folge haben.

---

Das Unternehmen im Profil


Die EPCOS AG ist aus dem Joint Venture Siemens Matsushita Components hervorgegangen und notiert seit Oktober 1999 an den Börsen Frankfurt und New York. Am Hauptsitz in München sowie an Standorten in Europa, Asien/Pazifik, Nord- und Südamerika arbeiten derzeit über 13000 Mitar-beiter. Das Unternehmen produziert Bauelemente für die Elektronik – angefangen bei Fernsehern, Videorekordern, Handys, Notebooks über Waschmaschinen und Windkraftanlagen bis zu Pkws und ICEs. Im Geschäftsjahr 1999/2000 erzielte EPCOS einen Umsatz von 1,86 Milliarden Euro und einen Gewinn von 240 Millionen Euro. Das Unternehmen kooperiert weltweit mit über 50 Universitäten und Forschungsinstituten.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2002, Seite 110
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH