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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine hoch effiziente Zündkerzenelektrode mit einem Zündkerzenelektrodenmaterial umfassend Rh, Ni und mindestens ein Edelmetall mit reduziertem funkenerosiven Verschleiß und eine Zündkerze mit erhöhter Laufzeit.
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Aufgrund der steten Weiterentwicklung von Kraftfahrzeugmotoren und deren Komponenten zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Motorkraft, werden auch an die Materialien der Motorbauteile, und insbesondere an die Zündkerzen, die besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, und damit einem hohen Verschleiß unterliegen, hohe Anforderungen gestellt. Die Lebensdauer einer Zündkerze wird heutzutage überwiegend durch den Verschleiß ihrer Elektroden bedingt, der sich in einem Materialabtrag an den Zündkerzenelektroden, insbesondere in dem Bereich, in dem das Zündfunkenplasma erzeugt wird, äußert. Zur Erhöhung der Laufzeit einer Zündkerze werden Zündkerzenelektrodenmaterialien aus Edelmetallen, wie zum Beispiel Platin oder Legierungen auf Edelmetallbasis verwendet, die zwar eine höhere Resistenz gegenüber Funkenerosion aufweisen, jedoch im Hinblick auf die hohen Kosten der Edelmetalle, aus betriebswirtschaftlichen Gründen, kein geeignetes Zündkerzenelektrodenmaterialien für Standardmotoren darstellen und daher fast ausschließlich in Hochleistungsmotoren, eingesetzt werden.
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Aus der
US 2012/0 212 119 A1 sind beispielsweise Zündkerzenelektrodenmaterialien auf Basis von Iridium und/oder Ruthenium mit einem Rhenium-Anteil bekannt, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
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Aus der
US 2007/0 222 350 A1 sind beispielsweise Zündkerzenelektrodenmaterialien auf Basis von Iridium mit Kalzium oder Phosphor bekannt, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
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Die
EP 1 677 400 A2 offenbart ein Zündkerzenelektrodenmaterial mit Re, Ni und Rh.
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Aus der
EP 1 628 375 A1 ist ein Zündkerzenelektrodenmaterial mit Rh, Ni und Pt bekannt.
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Aus der
US 2012/0 169 206 A1 ist ein Zündkerzenelektrodenmaterial auf Ru-Basis mit Ni und Rh bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich demgegenüber durch einen niedrigen funkenerosiven Verschleiß und eine gute Korrosionsbeständigkeit bei reduzierten Materialkosten aus. Erfindungswesentlich ist hierbei die Kombination von Nickel und Rhodium in der homogenen Metalllegierung des Zündkerzenelektrodenmaterials, die ein erstes Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Gold (Au), Silber (Ag), Rhenium (Re) und Osmium (Os) enthält. Es wurde zum einen gefunden, dass das auf der Elektrodenoberfläche befindliche Nickel bevorzugt vom Funkenplasma abgetragen wird, wodurch die Verschleißrate an erstem Edelmetall minimiert wird, das somit vollständig für die Erzeugung des Zündfunkens zur Verfügung steht und eine hohe Leistung der Zündkerze bedingt. Zum anderen zeigte sich ein weiteres Phänomen, nämlich eine Wiederanlagerung von bereits abgetragenem Nickel aus der Gasphase bzw. aus dem Funkenplasma zurück auf der Elektrodenoberfläche und damit eine Anreicherung von Nickel auf der Elektrodenoberfläche und Ausbildung einer nickelreichen Oberflächenschicht, die der Zündkerzenelektrode als Schutzschicht dient. Diese Oberflächenschicht kann neben Nickel auch das erste Edelmetall enthalten. Da das erste Edelmetall aufgrund seiner hohen korrosiven Stabilität kaum merklich einem funkenerosiven Abtrag unterliegt, zeichnet sich die Oberflächenschicht durch eine gute Stabilität aus, wodurch das Elektrodenmaterial effektiv vor Verschleiß geschützt wird. Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass die erneute Anlagerung und Anreicherung von durch Befunkung der Elektrodenoberfläche bereits erodiertem Nickel, auf die Anwesenheit von Rhodium zurückzuführen ist, das mit dem Nickel Verbindungen, wie beispielsweise Rhodium-Nickel-Spinelle, wie NiRh2O4, formt. Hierdurch wird ein Kreislauf der Nickelabtragung und Nickelwiederanlagerung von und an die Elektrodenoberfläche ausgebildet, was zu einer nickelreichen Elektrodenoberfläche und in Summe damit zu einem deutlich reduzierten Gesamtabtrag an Zündkerzenelektrodenmaterial führt. Zur Ausbildung dieser, durch den Kreislauf aus Nickelabtrag und Nickelwiederanlagerung induzierten, nickelreichen Elektrodenoberfläche, ist ein Anteil an Nickel von 0,5 bis 5 Gew.-% und ein Anteil an Rhodium von 0,5 bis kleiner 49,75 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials, erforderlich. Bereits ab einem Gehalt an Nickel von 0,5 Gew.-% liegt ein ausreichender Teil davon an der Elektrodenoberfläche vor und es kann sich ein Kreislauf zwischen Nickelerosion und Nickelwiederanlagerung ausbilden. Anteile von mehr als 5 Gew.-% Nickel führen hingegen zu erhöhtem korrosivem Verschleiß des Nickels und damit des Elektrodenmaterials, und sind daher nicht geeignet. Je höher dabei der Anteil an Rhodium ist, desto stabiler ist der oben beschriebene Kreislauf, d. h. desto vollständiger und gleichmäßiger über die Elektrodenoberfläche verteilt, findet eine Wiederanreicherung von Nickel aus der Gasphase bzw. dem Funkenplasma, statt, was, durch die Ausbildung der nickelreichen Oberflächenschicht, dem lokalen Verschleiß des Elektrodenmaterials vorbeugt. Sehr hohe Gehalte an Rhodium von mehr als 50 Gew.-% führen hingegen zu einer Verminderung der Stabilität des Gesamtelektrodenmaterials und zudem zu deutlich erhöhten Kosten desselben. Das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial ist somit durch eine sehr geringe funkenerosive Verschleißrate und sehr gute Korrosionsstabilität gekennzeichnet. Aufgrund des gegenüber herkömmlichen Edelmetall-Zündkerzenelektrodenmaterialien reduzierten Gehalts an Edelmetall, weist das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial zudem moderate Materialkosten auf.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung enthält das Zündkerzenelektrodenmaterial ferner mindestens ein zweites Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin (Pt), Iridium (Ir), Palladium (Pd), Gold (Au), Osmium (Os), Silber (Ag), Rhenium (Re) und Ruthenium (Ru), wobei der Gesamtanteil an zweitem Edelmetall weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials, beträgt. Das zweite Edelmetall ist nicht mit dem ersten Edelmetall identisch und dient der leichteren Verarbeitbarkeit des Elektrodenmaterials, der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und der Steigerung der Leistungsfähigkeit des Elektrodenmaterials. Hierzu sind bereits geringe Gehalte von weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials geeignet. Ab höheren Gehalten, also ab 8 Gew.-%, und insbesondere ab 10 Gew.-%, wird das Legierungsgefüge destabilisiert, was sich in einer verminderten Leistungsdichte, sowie einer erhöhten Verschleißrate zeigt.
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Vorteilhafterweise sieht die Erfindung vor, dass das Zündkerzenelektrodenmaterial das erste Edelmetall als Hauptbestandteil enthält. Als Bezugsgröße dient der Anteil des ersten Edelmetalls in Gew.-%. Dies fördert die Stabilität des Elektrodenmaterials gegenüber Funkenerosion und erhöht somit dessen Leistungsdichte.
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Weiter vorteilhaft beträgt der Anteil an erstem Edelmetall weniger als 95 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 90 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials. Ein Anteil an erstem Edelmetall von maximal 85 Gew.-% ist ausreichend um eine Grundstabilität des Elektrodenmaterials gegenüber funkenerosivem Verschleiß und damit ein Elektrodenmaterial mit hoher Leistungsdichte, bereitzustellen. Je geringer der Gehalt an erstem Edelmetall, desto niedriger liegen die Materialkosten für das Zündkerzenelektrodenmaterial.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt der Anteil an Ni weniger als 4 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials. Bereits ein Anteil an Ni von weniger als 4 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 1 Gew.-%, ist ausreichend, um dem funkenerosiven Verschleiß des Elektrodenmaterials effektiv entgegenzuwirken, wobei Gehalte ab 4 Gew.-% eine korrosive Zersetzung des Elektrodenmaterials und damit eine deutliche Destabilisierung desselben, begünstigen.
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Weiter vorteilhaft ist das Zündkerzenelektrodenmaterial dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Rh 5 Gew.-% bis 25 Gew.-% und vorzugsweise 11 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials, beträgt. Gehalte an Rh von mindestens 5 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 11 Gew.-%, sind für die funkenerosive Stabilisierung des Elektrodenmaterials vorteilhaft, lassen sich homogen in das Zündkerzenelektrodenmaterial einlegieren und stehen zur Wiederanreicherung von Ni aus der Gasphase großflächig zur Verfügung. Durch Senkung des Rh Gehalts auf maximal 25 Gew.-% und vorzugsweise maximal 20 Gew.-%, können zudem die Kosten des Elektrodenmaterials gesenkt werden.
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zeichnet sich durch eine sehr niedrige Verschleißrate, insbesondere durch einen minimierten funkenerosiven Verschleiß, eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und damit eine hohe Laufleistung bei hoher Leistungsdichte aus. Durch den gegenüber herkömmlichen Edelmetallzündkerzenelektroden reduzierten Gehalt an Edelmetall ist die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zudem kostengünstig.
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Ferner erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze mit einer ersten Zündkerzenelektrode und einer zweiten Zündkerzenelektrode, beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens die erste Zündkerzenelektrode ein wie vorstehend beschriebenes Zündkerzenelektrodenmaterial enthält. Eine solche Zündkerze ist hoch effizient, weist ebenfalls eine sehr niedrige Verschleißrate, einen minimierten funkeninduzierten Materialabtrag, eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und damit eine hohe Laufleistung bei reduzierten Materialkosten auf.
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Die vorstehend für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Weiterbildungen, Vorteile und Effekte, finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze.
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Durch die vorteilhafte Weiterbildung, dass die erste Zündkerzenelektrode und die zweite Zündkerzenelektrode eine wie vorstehend beschriebenes Zündkerzenelektrode sind, können die erfindungsgemäßen vorteilhaften Effekte in der erfindungsgemäßen Zündkerze, potenziert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zündkerze sieht vor, dass die zweite Zündkerzenelektrode Rh-frei und/oder Ni-frei ist. Mit anderen Worten enthält die zweite Zündkerzenelektrode bis auf technisch unvermeidbare Mengen, also im Wesentlichen, kein Rh und/oder Ni. Hierdurch wird eine Zündkerze mit reduziertem funkenerosivem Verschleiß bereitgestellt, die ferner eine minimierte Korrosionsrate aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze
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2 eine schematische vergrößerte Darstellung der Zündkerzenelektroden der Zündkerze aus 1 vor Befunkung und
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3 eine schematische vergrößerte Darstellung der Zündkerzenelektroden der Zündkerze aus 1 nach Befunkung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3 und einen Isolator 4. Ein Gehäuse 5 umgibt zumindest teilweise einen Isolator 4. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 6 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 10 ausgelegt ist.
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2 ist eine schematische vergrößerte Darstellung der Zündkerzenelektroden 2, 3 der Zündkerze 1 aus 1 vor Befunkung. Im Detail gezeigt sind eine erste Zündkerzenelektrode 3, die in diesem Ausführungsbeispiel als Mittelelektrode dargestellt ist und eine zweite Zündkerzenelektrode 2, die als Masseelektrode dargestellt ist.
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Die erste Zündkerzenelektrode 3 enthält Nickel 7, Rhodium 8 und ein erstes Edelmetall 9, die im Zustand vor Befunkung gleichmäßig im Elektrodenmaterial 12 und an der Elektrodenoberfläche verteilt sind und somit ein homogenes Elektrodenmaterial 12 bilden. Die erste Zündkerzenelektrode 3 kann daneben vorzugsweise auch mindestens ein zweites Edelmetall enthalten.
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Die in 2 gezeigte erste Zündkerzenelektrode 3 und auch die zweite Zündkerzenelektrode 2 sind beispielhaft als Quader dargestellt, können aber auch in anderen vorteilhaften Formen ausgebildet sein.
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Die zweite Zündkerzenelektrode 2 ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann beispielsweise analog der ersten Zündkerzenelektrode 3 ausgebildet sein, und somit Nickel, Rhodium und ein erstes Edelmetall enthalten, wodurch die für die erste Zündkerzenelektrode 3 vorteilhaften erfindungsgemäßen Effekte in der Zündkerze 1 potenziert werden.
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Alternativ dazu kann die zweite Zündkerzenelektrode 2 Rh frei sein.
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3 zeigt den Zustand der Zündkerzenelektroden aus 2 nach einer gewissen Befunkungsdauer. An Teilen der Oberfläche der ersten Zündkerzenelektrode 3, also an der der zweiten Zündkerzenelektrode 2 zugewandten Stirnseite der ersten Zündkerzenelektrode 3, hat sich durch die Befunkung eine Oberflächenschicht 11 ausgebildet, während in anderen Bereichen, die im Wesentlichen keiner Befunkung unterliegen, das Elektrodenmaterial 12 weiterhin eine homogene Zusammensetzung aufweist wie in 2 gezeigt.
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Die Oberflächenschicht 11 enthält hohe Anteile an Nickel. Daneben kann die Oberflächenschicht 11 nicht erodiertes erstes Edelmetall 9 enthalten, das im Wesentlichen keinem Materialabtrag im Funkenplasma unterliegt. Die Oberflächenschicht 11 wird durch Wiederanlagerung und Anreicherung von bereits erodiertem Nickel aus der Gasphase gebildet und dient der ersten Zündkerzenelektrode 3 als Schutzschicht.
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Die Form der hier gezeigten befunkten ersten Zündkerzenelektrode 3 gibt nur eine der möglichen beispielhaften Formen an und ist nicht auf diese beschränkt.
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Das Nickel 7 in der Oberflächenschicht 11 kann dabei sowohl aus durch Zündfunken erodiertem Nickel der ersten Zündkerzenelektrode 3 entstammen, oder kann, sofern die zweite Zündkerzenelektrode 2 Nickel enthält, aus der zweiten Zündkerzenelektrode 2 gefördert werden. Das Nickel 7 in der Oberflächenschicht 11 ist dabei an das in der ersten Zündkerzenelektrode 3 enthaltene Rhodium 8 gebunden, wodurch sich ein Kreislauf der Nickelabtragung und Nickelwiederanlagerung von und an die Oberfläche der ersten Zündkerzenelektrode 3 ausbildet, so dass die erste Zündkerzenelektrode 3 keinem merklichen Materialabtrag unterliegt. Somit enthält die Oberflächenschicht 11 hohe Anteile an Nickel und darüber hinaus ggf. das erste Edelmetall 9 und/oder Rhodium, wodurch die erste Zündkerzenelektrode 3 effektiv vor funkenerosivem Verschleiß geschützt ist.
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Sofern die erste Zündkerzenelektrode 3 mindestens ein zweites Edelmetall enthält, kann auch dieses Teil der Oberflächenbeschichtung 11 sein. Dies ist für den Verschleiß der ersten Zündkerzenelektrode 3 ebenfalls unkritisch, da auch das zweite Edelmetall, wie schon das erste Edelmetall 9, aufgrund seiner guten, insbesondere thermischen Stabilität, wesentlich seltener durch Funkenerosion abgetragen wird. Vielmehr werden durch ein weites Edelmetall die Verarbeitbarkeit des Elektrodenmaterials, dessen Korrosionsstabilität und Effizienz, gesteigert. Die hier dargestellte Zündkerze zeichnet sich somit durch einen niedrigen funkenerosiven Verschleiß, eine geringe Korrosion und damit eine hohe Leistungsdichte und Laufleistung aus.
