Keramik Bauteile optimieren high tech Dieselmotoren

Keramik macht Druck

Erschienen in: VDI nachrichten am 17.03.2000

Heizer mit keramischem Träger bringen die Lambda-Sonde rasch auf Betriebstemperatur, Piezo-Sensoren steuern den Airbag – im Automobilbau hat die technische Keramik ihren festen Platz. Auch die Hochleistungs-Dieselpumpen ('Common-Rail'), die bald Drücke bis zu 2000 bar erreichen sollen, sind auf Keramik-Bauteile angewiesen.

VDI nachrichten, Lambsheim, – Musste das neue Auto bislang immer nur schöner, größer und schneller sein, verlangt der aufgeklärte Verbraucher heute vor allem ein sicheres und sparsames, also umweltfreundliches Fahrzeug. Insbesondere sind verbrauchsgünstige Motore wie die modernen Common-Rail-Diesel gefragt. Als vielseitig nutzbarer Werkstoff steht die Keramik hier nicht nur als exotische Randerscheinung zur Debatte: "Viele der aktuellen Innovationen im Motorenbau waren erst mit Hochleistungs-Keramiken zu realisieren," weiß Dipl.-Ing. Bernhard Kühn, Vertriebsleiter Automobil/Sondertechnik bei der CeramTec AG.

Und er liefert auch gleich zwei Praxisfälle: Beispielsweise konnten bei elektrischen Benzinpumpen in Peripheralrad-Ausführung nach einer entsprechenden Systemanpassung nicht nur das Peripheralrad selbst, sondern auch die Seitenplatten aus dem Werkstoff Aluminiumoxid (Al₂O₃) kostengünstig integriert werden. Aufgrund der Verschleißbeständigkeit, den guten tribologischen Eigenschaften und der chemischen Beständigkeit bleibt eine derart voll keramische Pumpenstufe praktisch unbeeindruckt davon, welche Kraftstoffqualität zum Einsatz kommt. Global agierende Automobilhersteller wissen diesen Vorteil zu schätzen.

Auch bei Benzin- bzw. Dieselpumpen in der herkömmlichen Zahnradausführung gibt es eindrucksvolle Argumente pro Keramik. Hintergrund ist, dass die Oberflächen herkömmlicher Materialien (Kunststoffe wie auch Metalle) sich unter dem Einfluss von Benzin bzw. Diesel verändern. Dipl.-Ing. Gerd Meier, CeramTec-Produktmanager für Automobilkomponenten: "Speziell Biodiesel weisen recht hohe Restsäuregehalte auf und greifen Metalle und vor allem auch Kunststoffe an." Bislang muss dies bereits bei der Bauteil-Dimensionierung berücksichtigt werden. Hingegen bleiben die Baumaße und auch die tribologischen Eigenschaften einer Aluminiumoxid-Keramik auf Dauer konstant. Wichtig ist das mit Blick auf das Spaltmaß zwischen den kreisenden Rotoren und dem Gehäuse – dieser Spalt sollte möglichst klein bleiben. Denn kleine Spalte bedeuten kleine Verluste und somit hohe Pumpenwirkungsgrade. Das ist nicht nur von akademischem Interesse, ist doch der Pumpenwirkungsgrad maßgeblich für die Auslegung des Pumpenantriebs. Meier: "Bei einem hohen Pumpenwirkungsgrad kann der Elektromotor kleiner und damit kostengünstiger ausfallen." Natürlich sind die Keramik-Bauteile etwas teurer als herkömmliche Werkstoffe. Doch weil die Pumpen auf ihren optimalen Wirkungsgrad ausgelegt werden können, rechnet sich das: Das Gesamtkonzept 'Pumpe mit Keramikbauteilen' ist insgesamt preisgünstiger.

Wer Großserienteile wie eine Kraftstoffpumpe für den Automobilbau offeriert, darf jedoch nicht nur einen optimalen Werkstoff anbieten. Er muss auch seine Fertigung entsprechend anpassen. Je nach Komplexität des Bauteils und der Stückzahl ist das jeweils kostengünstigste Verfahren zu finden – zur Wahl stehen u.a. das Trocken- und Nasspressen oder das Spritzgießen. Im allgemeinen versucht jeder Hersteller, die Nachbearbeitung möglichst zu minimieren. Der keramische Spritzguss kommt mit vergleichsweise wenigen Bearbeitungsschritten aus, was bei hohen Stückzahlen die Fertigungskosten oft entscheidend senkt: Auf leicht modifizierten herkömmlichen Spritzgussmaschinen werden dabei keramische Materialien mit Organikzusätzen ('Binder') verarbeitet. "Das Spritzgießen erlaubt uns wesentlich höhere Freiheitsgrade bei der Formgebung, wir können damit kostengünstig auch komplexe Teile herstellen," fasst Bernhard Kühn die Vorteile zusammen. In der Praxis erschließt der keramische Spritzguss der Keramik somit nicht selten neue Einsatzfelder.

Beispielsweise bei der Common-Rail-Technik: Wer schon eines der modernen Dieselmodelle fahren konnte, der weiß: Die bärenstarken CDI- und TDI-Motoren bereiten unerhörten Fahrspaß. Und sie gehen dabei ausgesprochen sparsam mit dem Kraftstoff um. Die Branche erwartet denn auch wachsende Stückzahlen bei den speziell für die Common-Rail-Technologie entwickelten Diesel-Hochdruckpumpen. Dabei sollen die Drücke bei der Dieseldirekteinspritzung weiter ansteigen – von derzeit 1500 auf 2000 bar. Treibende Kraft hinter dieser Entwicklung sind die vom Gesetzgeber vorgegebenen, weiter sinkenden Schadstoffgrenzwerte für Pkw-Abgase. Denn je schneller Kraftstoff durch die Öffnung einer Düse schießt, desto feiner wird er zerstäubt. Das Diesel/Luft-Gemisch verbrennt dann gründlicher, sprich sauberer. Und durch den wesentlich höheren Druck verbessert sich auch die Zylinderfüllung, was wiederum den Wirkungsgrad und auch das Drehmoment verbessert. Die Keramik ist daran nicht unerheblich beteiligt: CeramTec fertigt für die Hochdruckpumpen Ventilplatten aus Siliziumnitrid. Meier: "Der Knackpunkt war die Zuverlässigkeit des Bauteils, denn das Ventilplättchen schlägt mit hoher Frequenz und Druckbelastung auf dem Ventilsitz auf. Allein Ventilplättchen aus dem leichten und formbeständigen Siliziumnitrid halten dieser Belastung stand. Da macht kein anderer Werkstoff mit." Siliziumnitrid, ausgestattet mit einer Biegefestigkeit von 750 MPa in Verbindung mit einer Druckfestigkeit von 3000 MPa, einer Vickers-Härte von 1650 und einem Weibull-Modul von 12, ist für diese Anwendung geradezu prädestiniert.

Keramik, wohin man schaut: Ein Siemens-Team hat für die Dieseleinspritzung einen Piezo-Antrieb vorgestellt. Diese Technologie ist im Vergleich zu bisherigen elektromagnetischen Ventiltrieben vier mal schneller und ermöglicht in Zukunft mit der Common-Rail-Technologie, den Treibstoff noch präziser zu dosieren. Die Piezo-Aktoren sind als monolithische Vielschicht-Aktoren aufgebaut und wandeln elektrische Spannung direkt in Kraft und Hub um (s. Info-Kasten). Langlebigkeit und Zuverlässigkeit entsprechen den Anforderungen im Automobil. Dafür vergab der VDI den Preis für 'Innovative Werkstoffanwendungen 1998'.

Es sind Werkstoffe auf der Basis von Bleizirkonattitanat (PZT), die eine faszinierende Eigenschaft besitzen: bei Anlegen einer Spannung reagieren sie mit einer Längenänderung (Aktor). Umgekehrt gibt die Keramik ein elektrisches Signal ab, sobald Druck auf sie ausgeübt wird (Sensor). Die Stellwege lassen sich für die Ausdehnung im Nanometerbereich regulieren und die Reaktionszeiten dieser Bauteile sind mit unter 10 ms extrem kurz. Durch Schichtaufbau erhöhen sich die Stellwege. Für großen Hub werden monolithische Vielschicht-Aktoren benötigt. Diese werden aus etwa 0,1 mm dicken Keramikschichten in einer speziell dafür entwickelten Stapel- und Sintertechnik als bis zu 60 mm lange monolithische Bauteile gefertigt.

03. Juli 2003