Piezoelektrische Aktuatoren in Hochleistungsanwendungen

Im Projekt HIPER-Act setzten sich mehrere Partner aus Industrie und Forschung das Ziel, neuartige piezoelektrische Aktuatoren zu entwickeln und deren Potential in Anwendungsszenarien zu demonstrieren.
Diese Aktuatoren sollten zum einen eine deutlich höhere Performanz und zum anderen auch eine höhere Lebensdauer als herkömmliche Aktuatoren erreichen. Piezoaktuatoren zeigen ohne besondere Schutzmaßnahmen eine Anfälligkeit gegen Umgebungsfeuchte, woraus typisch eine verkürzte Lebensdauer resultiert. Sie erreichen ohne zusätzliche Maßnahmen meist nicht die erforderlichen Leistungsdaten, insbesondere sind erreichbare Stellwege für viele Aufgabenstellungen zu gering.
Diese Defizite wurden im Projekt durch die Entwicklung neuartiger Aktuatoren und entsprechende Anwendungsszenarien adressiert.

AdBlue®-Pumpe

Zur Reduktion von Stickoxid bei Motoren mit Dieselantrieb wird seit einigen Jahren AdBlue® bei der Nachbehandlung von Abgasen in einem SCR-Katalysator eingesetzt. Aktuell kommen dabei Pumpen zum Einsatz, die das AdBlue® mit 5 - 10 bar einspritzen.

Antriebsmodul mit Piezoaktor (Piezopumpe)

Demonstrator der HIPER-Act-Piezopumpe.

In diesem Projekt ist in Zusammenarbeit der Firmen Noliac und Ricardo sowie dem Fraunhofer LBF eine leistungsfähige Pumpe entwickelt worden, die von einem Piezoaktuator angetrieben wird und Drücke von bis zu 50 bar erzeugt. Durch den höheren Druck ist es möglich, bei der Einspritzung einen feineren Sprühnebel zu generieren, wodurch die Stickoxid-Emission weiter reduziert werden kann. Darüber hinaus kann durch eine variable Anpassung des Volumenstroms über die Betriebsfrequenz eine genauere Dosierung, je nach aktuellem Fahrzustand, erzielt werden.

Dies verhindert unter anderem Ablagerungen, die ansonsten bei einer Überdosierung durch nicht reagiertes AdBlue® innerhalb des Abgastraktes entstehen können oder eine Verschlechterung des Stcikoxid-Wertes bei zu geringer Dosierung.

Bei der Entwicklung wurde unter anderem ein gekoppeltes Simulationsmodell erstellt, welches Leistungselektronik, Piezoaktuator und Hydraulik so miteinander verbindet, dass mit geringem Hardwareaufwand ein funktionierendes Pumpsystem aufgebaut werden konnte. Die in einem Prüfaufbau ermittelten Messwerte zeigen dabei eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Die Piezopumpe liefert im Betrieb mit 600 Hz einen Volumenstrom von 270 ccm/min bei 50 bar.

Für den Einsatz im Lkw sind typischerweise 150 ccm/min notwendig, was mit der bestehenden Piezopumpe bereits bei einer Betriebsfrequenz von 220 Hz erreicht wird. Die von der Firma Ricardo entwickelte Leistungselektronik ermöglicht zudem eine weitgehende Anpassung der Ansteuerung, wodurch weiteres Optimierungspotential hinsichtlich Leistungsaufnahme, Größe der Aktuatorik und Einsatzspektrum gegeben ist.

Zu Demonstrationszwecken der Pumpe wurde ein Aufbau realisiert, bei dem die Pumpe ein vergleichbares Fluid im Kreis pumpt. Es wurden umfangreiche Untersuchungen zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit auf Komponenten- und Systemebene durchgeführt. In einem innerhalb des Projekts weiterentwickelten experimentellen Testverfahren wurde die höhere Resistenz der neuartigen Piezoaktuatoren gegenüber Feuchteeinfluss nachgewiesen. Von der Piezopumpe wurde im vorliegenden Entwicklungsstadium eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) durchgeführt. Insbesondere für die Aktuator-Einheit liegen somit umfassende Erkenntnisse der systemischen Auswirkungen einzelner Fehlermoden vor.