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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode sowie eine Zündkerze mit erhöhter Laufleistung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode.
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Stand der Technik
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Die Lebensdauer einer Zündkerze wird durch das Korrosions- und Erosionsverhalten des Zündkerzenelektrodenmaterials bestimmt. Im Zündfunkenplasma kommt es zu einem funkenerosiven Materialabtrag unter Aufweitung des Elektrodenabstandes zwischen den Zündkerzenelektroden. Derzeit erhältliche Zündkerzenelektroden auf Nickelbasis erreichen somit Wechselintervalle von maximal 60.000 km. Im Hinblick auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit werden Edelmetallelektrodenmaterialien, und darunter insbesondere Platinelektroden und Iridiumelektroden, bevorzugt verwendet. Mit derartigen Edelmetallelektroden werden Wechselintervalle von bis zu etwa 90.000 km erreicht. Dies ist im Vergleich zu den bedeutend höheren Kosten für Edelmetallzündkerzenelektroden immer noch keine ausreichend hohe Laufleistung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zeichnet sich demgegenüber durch einen örtlich selektiven funkenerosiven Verschleiß aus, was dazu führt, dass eine Zündkerze unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode einen konstanten Elektrodenabstand aufweist. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass initial und/oder unter Betriebsbedingungen an einer Stirnfläche der Zündkerzenelektrode ein Elektrodenmaterial vorliegt, das im Vergleich zu einem Elektrodenmaterial an einer Seitenfläche der Zündkerzenelektrode eine größere Elektronenaustrittsarbeit aufweist. Unter einer Stirnfläche einer Zündkerzenelektrode wird im Sinne der Erfindung ein Bereich bzw. eine Fläche verstanden, die in einer Zündkerze einer gegenüberliegenden Elektrode zugewandt ist. Mit anderen Worten liegt an einer Oberfläche einer Stirnfläche initial, d.h. bereits vor bestimmungsgemäßem Gebrauch, und/oder bei Gebrauch der Zündkerzenelektrode, ein erstes Elektrodenmaterial vor und an einer Oberfläche einer Seitenfläche der Zündkerzenelektrode ein zweites Elektrodenmaterial, wobei eine Elektronenaustrittsarbeit des ersten Elektrodenmaterials größer ist als eine Elektronenaustrittsarbeit des zweiten Elektrodenmaterials. Die Elektronenaustrittsarbeit ist die Arbeit, also die Energie, die mindestens aufgewandt werden muss, um ein Elektron aus einem ungeladenen Festkörper, also dem Zündkerzenelektrodenmaterial, zu lösen und wird in der Regel in Elektronenvolt angegeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt die Elektronenaustrittsarbeit wie aufwendig dem Funkenplasma Ladungsträger in Form von Elektronen zugeführt werden können. Je geringer die Elektronenaustrittsarbeit ist, desto leichter kann das Zündfunkenplasma aufrechterhalten werden. Hat nun ein Funkenplasma die Wahl zwischen zwei Oberflächen mit unterschiedlichen Elektronenaustrittsarbeiten, so wird der Zündfunke bei gleichen Randbedingungen die Oberfläche mit dem geringeren Arbeitsaufwand, also die Oberfläche mit der geringeren Elektronenaustrittsarbeit, wählen. Zu Beginn der Befunkung der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode herrscht an einer Kante, die zwischen der Stirnfläche und der Seitenfläche liegt, eine E-Feld-Überhöhung. Dadurch schlägt der Zündfunke bevorzugt an der Kante ein. Selbst wenn sich an der Kante durch oxidative Vorgänge ein Oxid bildet oder bereits gebildet hat, sorgt die E-Feld-Überhöhung trotzdem für einen Funkeneinschlag an der Kante. Im Zentrum der Stirnfläche ist bereits zu Beginn des Befunkungsvorganges ein erstes Elektrodenmaterial vorhanden oder es bildet sich, beispielsweise durch Oxidation, während der Befunkung. Dieses erste Elektrodenmaterial besitzt gegenüber dem zweiten Elektrodenmaterial der Seitenfläche eine höhere Elektronenaustrittsarbeit. Der Zündfunke „meidet“ damit die Stirnfläche und bildet sich vorzugsweise an der Elektrodenseitenfläche aus. Die Zündkerzenelektrode verschleißt dadurch hauptsächlich an ihrer Seitenfläche. Die Stirnfläche unterliegt nahezu keinem Verschleiß, so dass bei Anwendung in einer Zündkerze, ein Elektrodenabstand im Wesentlichen konstant bleibt. Somit bleibt auch der Zündspannungsbedarf der Zündkerzenelektrode konstant und ein Wechselintervall für die Zündkerze kann verlängert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodenmaterial und das zweite Elektrodenmaterial initial eine Edelmetalllegierung aufweisen, die Palladium in Gew.-% als Hauptbestandteil, bezogen auf die Anteile der übrigen Bestandteile des jeweiligen Elektrodenmaterials, enthält. Weitere Elemente oder Verbindungen derselben können ebenfalls vorhanden sein. Eine Edelmetalllegierung mit dem Hauptbestandteil Palladium hat sich unter mehreren Gesichtspunkten als besonders bevorzugt herausgestellt: Palladium ist aufgrund seiner Edelmetalleigenschaften korrosionsstabiler als herkömmliche Nicht-Edelmetalle. Metallisches Palladium weist zudem bei Raumtemperatur eine Elektronenaustrittsarbeit von 5,2 eV auf und reagiert bei höheren Temperaturen unter Sauerstoffanwesenheit zu Palladiumoxid, PdO. PdO zeichnet sich bei Raumtemperatur durch eine Elektronenaustrittsarbeit von 6,4 eV aus. Aufgrund des erzielten erfindungsgemäßen Effekts wird, ohne an die Theorie gebunden zu sein, davon ausgegangen, dass auch bei höherer Temperatur, wie sie im Brennraum in Umgebung einer Zündkerze vorliegen, ein ähnliches Verhältnis der Elektronenaustrittsarbeiten vorliegt. Wird eine Zündkerzenelektrode beispielsweise aus einem Legierungsmaterial mit Hauptlegierungsbestandteil Pd hergestellt, so bildet sich durch Oxidationsvorgänge an einer Stirnfläche PdO (erstes Elektrodenmaterial) aus. Aufgrund der erhöhten Elektronenaustrittsarbeit des PdO gegenüber metallischem Pd findet ein Verschleiß daher hauptsächlich an der metallisches Pd (zweites Elektrodenmaterial) enthaltenden Seitenfläche statt. Damit liegt mit Pd/PdO ein Reaktionspaar vor, das den Anforderungen an ein zweites Elektrodenmaterial bzw. erstes Elektrodenmaterial besonders gut entspricht. Eine Laufleistung einer Zündkerzenelektrode mit Hauptbestandteil Palladium ist somit größer und ein Wechselintervall kann verlängert werden.
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Aus den vorstehend genannten Gründen ist es ferner vorteilhaft, dass das erste Elektrodenmaterial der Stirnfläche initial und/oder unter Betriebsbedingungen der Zündkerzenelektrode PdO aufweist. Das PdO kann dabei bereits vor dem eigentlichen, bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerzenelektrode aufgebracht bzw. aus Pd durch geeignete Umsetzung erzeugt sein, oder sich unter herkömmlichen Betriebsbedingungen im Funkenplasma bilden. Auch eine initiale Breitstellung von PdO, beispielsweise in mindestens einem bevorzugten Bereich der Stirnfläche der Zündkerzenelektrode, sowie eine Bildung von weiterem PdO in benachbarten Bereichen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerzenelektrode, sind möglich, sofern im Funkenplasma mindestens ein Teilbereich der Oberfläche der Stirnfläche der Zündkerzenelektrode PdO aufweist. Weitere Elemente oder Verbindungen derselben können in der Stirnfläche ebenfalls vorhanden sein.
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Vorzugsweise weist das erste Elektrodenmaterial mindestens einen PdO-Bereich, oder aber eine PdO-Schicht mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 0,1 bis 25 µm und insbesondere von 0,5 bis 5 µm, auf. Das PdO kann dabei als durchgängige Schicht oder aber durchsetzt, also quasi in Form eines Netzes oder dergleichen, vorliegen. Eine durchschnittliche Schichtdicke von mindestens 0,1 µm, und insbesondere von mindestens 0,5 µm oder 0,6 µm, ist dabei sehr gut geeignet, einen Zündfunken auf die Seitenfläche der Zündkerzenelektrode abzuleiten. Zu hohe Schichtdicken von mehr als 5 µm, oder insbesondere von mehr als 25 µm, können sich jedoch nachteilig auf die Gesamtstabilität der Elektrodenoberfläche auswirken und sind daher weniger gut geeignet.
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Zur weiteren Modulierung der Eigenschaften des Zündkerzenelektrodenmaterials, insbesondere zur Verbesserung der Schmelzbeständigkeit und der Korrosionsresistenz, enthalten das erste und das zweite Elektrodenmaterial initial, also vor bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerzenelektrode, vorzugsweise ferner mindestens ein Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Pt, Ag, Au, Ir, Ru und Re.
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Aus kostentechnischen Gründen enthalten das erste und das zweite Elektrodenmaterial initial ferner mindestens ein Metall, das kein Edelmetall ist, also mindestens ein Nicht-Edelmetall, insbesondere Nickel, in einem Anteil von maximal 12 Gew.-%, insbesondere von maximal 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des jeweiligen Elektrodenmaterials. Derartig geringe Mengen an Nicht-Edelmetall wirken sich nicht negativ auf den auf die Seitenfläche der Zündkerzenelektrode verlagerten funkenerosiven Verschleiß aus.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die mindestens eine wie vorstehend offenbarte Zündkerzenelektrode umfasst. Die Zündkerzenelektrode kann dabei als Mittelelektrode oder als Masseelektrode ausgebildet sein. Besonders bevorzugt unter dem Gesichtspunkt einer Konstanterhaltung des Elektrodenabstandes, werden beide Elektroden durch eine erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode dargestellt. Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich durch eine hohe Laufleistung und damit ein großes Wechselintervall aus.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschrieben, das einfach, ohne hohen technischen Aufwand, unter Verwendung von Standardprozessen umsetzbar ist. Erfindungswesentlich sind dabei das Herstellen und ein sich an das Formen der Zündkerzenelektrode anschließendes thermisches Auslagern der Zündkerzenelektrode. Durch die thermische Behandlung wird in mindestens einem Bereich der Stirnfläche der Zündkerzenelektrode ein erstes Elektrodenmaterial erzeugt, das im Vergleich zu einem zweiten Elektrodenmaterial einer Seitenfläche der Zündkerzenelektrode eine größere Elektronenaustrittsarbeit aufweist.
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Die für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze und das erfindungsgemäße Verfahren. Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode.
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Vorzugsweise enthält das Zündkerzenelektrodenmaterial, also sowohl das erste Elektrodenmaterial als auch das zweite Elektrodenmaterial, Pd in Gew.-% als Hauptbestandteil, bezogen auf die übrigen Bestandteile des jeweiligen Elektrodenmaterials, und eine Auslagerungstemperatur beträgt zwischen 600 °C und 800 °C. Hierdurch wird an einer Stirnfläche der geformten Zündkerzenelektrode mindestens ein Teil des metallischen Pd in PdO umgewandelt.
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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 Zündkerzenelektrode,
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze,
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3 eine mikroskopische Aufnahme einer Zündkerzenelektrode gemäß dem Stand der Technik nach Befunkung und
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4 eine mikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode nach Befunkung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die erfindungswesentlichen Elemente der Zündkerzenelektroden bzw. der Zündkerze dargestellt. Alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile/Elemente.
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Im Detail zeigt die schematische Darstellung aus 1 eine Zündkerzenelektrode 1, die beispielhaft als Mittelelektrode ausgebildet ist. Die Zündkerzenelektrode 1 weist eine Stirnfläche 2, Seitenflächen 4 und eine zwischen der Stirnfläche 2 und der Seitenfläche 4 liegende Kanten 3 auf. Für den Fall einer zylindrischen Ausgestaltung der Zündkerzenelektrode 1 gibt es nur eine Kante 3 und eine Seitenfläche 4, die jedoch unterschiedliche Bereiche aufweisen können.
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Die Stirnfläche 2 umfasst ein erstes Elektrodenmaterial. Die Seitenflächen 4 umfassen ein zweites Elektrodenmaterial. Das erste Elektrodenmaterial kann eine Oberfläche der Stirnfläche 2 vollständig bedecken, oder sich nur über Teilbereiche derselben erstrecken, beispielhaft in Form eines Netzes, und hat eine Elektronenaustrittsarbeit, die größer ist als eine Elektronenaustrittsarbeit des zweiten Elektrodenmaterials.
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Das erste Elektrodenmaterial der Stirnfläche 2 kann bereits initial, also vor bestimmungsgemäßem Gebrauch dort vorhanden sein und/oder sich durch den Gebrauch erst dort bilden.
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Palladium hat sich als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode 1 als besonders gut erwiesen, sofern es in Anteilen vorliegt, die, bezogen auf die übrigen Bestandteile des der Zündkerzenelektrode zu Grunde liegenden Zündkerzenelektrodenmaterials, einen Hauptbestandteil darstellen.
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Vorzugsweise sind die gesamten Seitenflächen 4 der Zündkerzenelektrode 1 aus dem zweiten Elektrodenmaterial gebildet. Somit wird bei Verwendung der Zündkerzenelektrode 1 in einer Zündkerze während der Befunkung durch die größere Elektronenaustrittsarbeit des ersten Elektrodenmaterials der Stirnfläche 2 ein Zündfunke an der Kante 3 bzw. an der Seitenfläche 4 ausgebildet. Ein funkenerosiver Verschleiß tritt daher im Wesentlichen an der Seitenfläche 4 auf. So bleibt ein Elektrodenabstand in der Zündkerze konstant.
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2 zeigt eine Zündkerze 10, die beispielsweise eine wie 1 gezeigte, als Mittelelektrode ausgebildete Zündkerzenelektrode und eine Masseelektrode 6 umfasst. Ferner umfasst die Zündkerze 10 einen Isolator 7. Ein Gehäuse 5 umgibt zumindest teilweise den Isolator 7. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 8 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 10 in einem Zylinderkopf 9 ausgelegt ist.
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Vorteilhaft ist auch die Masseelektrode 6 der Zündkerze 10 als erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode ausgebildet.
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Für eine bessere Reproduzierbarkeit der erfindungsgemäßen Effekte wurden weitere Untersuchungen an einem Laborprüfstand mit definierten Parametern durchgeführt. Die Effekte sind auf den Einsatz im Brennraum einer Brennkraftmaschine übertragbar. Der Prüfstand war so ausgelegt, dass mehrere Zündkerzen, beispielsweise solche aus 2, parallel unter den gleichen Bedingungen befunkt werden konnten. Folgende Befunkungsparameter wurden verwendet:
- – Druck: 7 bar (Luftdruck)
- – Funkenfrequenz: 60 Hz
- – Elektrodenabstand: 1,2 mm
- – Elektrodendurchmesser: 0,6 mm
- – Elektrodentemperatur: zwischen 500 und 900 °C.
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Die Elektroden wurden hinsichtlich ihres Verschleißes analysiert und im Anschluss daran ihre Oberflächenmorphologie und -chemie im Rasterelektronenmikroskop untersucht.
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3 und 4 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Zündkerzenelektroden nach Befunkung. 3 zeigt beispielhaft eine herkömmliche Zündkerzenelektrode ohne die erfindungsgemäße Materialkombination mit einem ersten Elektrodenmaterial und einem zweiten Elektrodenmaterial, wobei das erste Elektrodenmaterial eine größere Elektronenaustrittsarbeit als das zweite Elektrodenmaterial aufweist. Eine Stirnfläche 2 der Zündkerzenelektrode zeigt deutlichen Materialabtrag und damit eine unebene Oberfläche mit Bergen und Tälern. Ein Elektrodenabstand in der Zündkerze kann hiermit nicht konstant ausgebildet sein. Es kommt zu einem deutlichen Verschleiß des Elektrodenmaterials und einer reduzierten Laufleistung der Zündkerze.
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4 zeigt eine mikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode mit der Ausgangszusammensetzung: Pd: 69,83–69,85 Gew.-%, Au: 30,1 Gew.-%, Fe: 0.05 Gew.-% und <0,02 Gew.-% Ni. Hier zeigt sich deutlich, dass der Zündfunke die Stirnfläche 2 gemieden hat. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Palladium der Ausgangslegierung als Hauptbestandteil bezogen auf die übrigen Bestandteile der Legierung der Zündkerzenelektrode vorlag und bei der Befunkung an der Stirnfläche 2 PdO-Bereiche gebildet hat. Das PdO ist ein erstes Elektrodenmaterial im Sinne der Erfindung und weist eine höhere Elektronenaustrittsarbeit als metallisches Pd auf. Folglich findet ein Materialabtrag im Funkenplasma bevorzugt an der Pd (zweites Elektrodenmaterial im Sinne der Erfindung) enthaltenden Seitenfläche 4 der Zündkerzenelektrode statt. Die Stirnfläche 2 der Zündkerzenelektrode aus 4 hat folglich eine ebene Oberfläche. Ein wesentlicher Materialabtrag ist von dort nicht zu verzeichnen. Folglich ist auch ein Elektrodenabstand in der Zündkerze konstant und eine Laufleistung derselben damit hoch.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
