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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode sowie eine Zündkerze mit verringertem Funkenverschleiß. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Befunken einer Zündkerzenelektrode, durch das die Lebensdauer einer Zündkerzenelektrode erhöht werden kann.
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Die Lebensdauer einer Zündkerze wird durch die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit des Elektrodenmaterials bestimmt. Bedingt durch das Zündfunkenplasma und eine Oxidation der Elektrodenoberfläche kommt es zu einer Aufweitung des Elektrodenabstandes, was letztendlich zu einem Versagen der Zündkerze führt. Um die Korrosionsbeständigkeit der Zündkerzenelektrode zu verbessern werden Edelmetalllegierungen, meist aus Platin oder Iridium, eingesetzt. Der Verschleiß einer Zündkerzenelektrode wird jedoch hauptsächlich durch die sich unter Betriebsbedingungen bei der Befunkung bildende Elektrodenoberfläche bestimmt, die von der Wechselwirkung mit dem Funkenplasma und der Brennraumatmosphäre abhängt. Mit bisher am Markt befindlichen Zündkerzenelektroden konnte der funkenerosive Verschleiß bislang nicht ausreichend verringert werden.
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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 einen besonders geringen funkeninduzierten Materialabtrag bei guter Korrosionsbeständigkeit aus. Die Zündkerzenelektrode hat eine hohe Leistungsdichte und lange Laufzeit. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass die Zündkerzenelektrode einen Grundkörper und einen am Grundkörper angeordneten Edelmetallstift umfasst, wobei der Edelmetallstift auf Basis einer Edelmetalllegierung ausgestaltet ist. Der Edelmetallstift enthält als einen ersten wesentlichen Bestandteil ein Basismetall, das aus der Gruppe bestehend aus: Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Gold (Au), Silber (Ag) und Rhenium (Re), ausgewählt ist. Das Basismetall ist dasjenige Metall, dessen Anteil in Gew.-% den größten Anteil, bezogen auf das Gesamtgewicht des Edelmetallstifts, ausmacht. Der Edelmetallstift enthält als zweiten wesentlichen Bestandteil mindestens ein zweites Metall, das aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd, Ir, Ru, Au, Ag und Re, ausgewählt ist und zudem Nickel als weiteren wesentlichen Bestandteil. Das zweite Metall umfasst auch beliebige Kombinationen von Metallen aus der vorstehend angeführten Gruppe. Es wurde gefunden, dass durch Zumischung eines geringen Anteils von Nickel zu der Edelmetalllegierung der Verschleiß der Zündkerzenelektrode durch die Zündfunken effektiv gesenkt wird. Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass das Nickel, als unedelster Bestandteil des Edelmetallstifts, unter Betriebsbedingungen oxidiert. Dadurch bildet sich in einem oberflächennahen Volumenbereich des Edelmetallstifts eine Zone mit Nickeloxid. Nickeloxid ist im Vergleich zu den ferner im Edelmetallstift vorhandenen Edelmetallen ein schlechter Wärmeleiter. So kommt es lokal zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur des Edelmetallstifts, wodurch sich Oberflächenbereiche mit angereichertem Basismetall und/oder zweitem Metall bilden, die gegenüber der Ausgangsedelmetalllegierung des Edelmetallstifts, an Nickel verarmt sind. Diese Edelmetall-reichen Oberflächenbereiche, die vorzugsweise in Form von Schmelzperlen ausgebildet sind, werden temperaturbedingt auf den Nickeloxid-reichen Zonen gebildet. Dies führt zu einer weiteren verstärkten Erwärmung der Edelmetall-reichen Oberflächenbereiche und es wird vorzugsweise das edelste Metall der Edelmetalllegierung verstärkt angereichert. Die Edelmetalle, und darunter das edelste Edelmetall, besitzen einen sehr geringen funkenerosiven Verschleiß, so dass die Verschleißrate der Zündkerzenelektrode durch die Separation des Nickeloxids und Anreicherung von Edelmetall auf den Nickeloxid-reichen Zonen und an der Elektrodenoberfläche effektiv gesenkt wird. Das Ausbilden der Edelmetallreichen Oberflächenbereiche hat zudem den Effekt, dass diese vor dem übrigen Edelmetallstift hervorstehen und somit den Funkeneinschlag auf diesem Oberflächenbereich vorteilhaft begünstigen und beschleunigen. Somit kann aufgrund der erhöhten Verschleißresistenz der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode bei, durch den Einsatz von Nickel, reduzierten Materialkosten, das Wechselintervall für eine Zündkerze mit der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode verlängert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorteilhaft im Lichte der Kostensenkung für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beträgt ein Anteil des Basismetalls, bezogen auf das Gesamtgewicht des Edelmetallstifts, maximal 95 Gew.-%.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass ein Anteil an Nickel 0,3 bis 9 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Edelmetallstifts, beträgt. Geringe Anteile an Nickel von mindestens 0,3 Gew.-% und vorzugsweise von mindestens 0,5 Gew.-% sind dabei gut geeignet, um Nickeloxid-reiche Zonen zu bilden, die eine Anreicherung von Edelmetall in einem Oberflächenbereich des Edelmetallstifts begünstigen. Je höher der Anteil an Nickel dabei ist, desto schlechter ist die Korrosionsbeständigkeit der Zündkerzenelektrode. Aus diesem Grund sind Anteile an Nickel von mehr als 7 Gew.-% oder sogar mehr als 9 Gew.-% weniger bevorzugt. Ein besonders guter Kompromiss zwischen Korrosionsbeständigkeit auf der einen Seite und reduziertem funkenerosivem Verschleiß auf der anderen Seite wird durch einen Anteil an Nickel von 1,0 bis 2,0 Gew.-% erhalten.
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Weiter vorteilhaft beträgt ein Anteil an zweitem Metall, bezogen auf das Gesamtgewicht des Edelmetallstifts, 0,3 bis 18 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 15 Gew.-%. Unter dem Anteil an zweitem Metall wird bei Anwesenheit von mehreren Edelmetallen aus der Gruppe der zweiten Metalle, ein Summenanteil aller zweiten Metalle verstanden. Mit anderen Worten beträgt die Summe der Anteile an zweitem Metall vorteilhafterweise 0,3 bis 18 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 15 Gew.-% und insbesondere 5,0 bis 10,0 Gew.-%. Hierdurch kann die Verschleißstabilität bei Optimierung der Materialkosten verbessert werden.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Edelmetallstift aus dem Basismetall, dem zweiten Metall und dem Nickel besteht. Weitere Elemente werden somit nicht zugesetzt. Das Ausbilden von Edelmetallreichen Oberflächenbereichen in Form von Schmelzperlen wird dadurch begünstigt und die Korrosionsneigung der Zündkerzenelektrode minimiert. Das zweite Metall kann dabei wiederum ein Metall oder mehrere Metalle aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd, Ir, Ru, Au, Ag und Re sein. Eine besonders vorteilhafte Kombination ergibt sich bei Verwendung von Pd als Basismetall und Au als zweites Metall.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die eine wie vorstehend offenbarte Zündkerzenelektrode als erste Zündkerzenelektrode umfasst. Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich durch eine sehr niedrige Verschleißrate, insbesondere durch einen minimierten funkenerosiven Verschleiß, eine gute Korrosionsbeständigkeit und damit eine hohe Laufleistung bei hoher Leistungsdichte aus. Durch den gegenüber herkömmlichen Edelmetallzündkerzen reduzierten Gehalt an Edelmetall, ist die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zudem kostengünstig.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die eine erste Zündkerzenelektrode und eine zweite Zündkerzenelektrode umfasst, wobei die erste Zündkerzenelektrode und die zweite Zündkerzenelektrode Zündkerzenelektroden wie vorstehend offenbart sind. Somit können die positiven Effekte auf die funkenerosive Verschleißrate bei hoher Korrosionsbeständigkeit der Zündkerze verstärkt werden.
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Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Befunkung einer Zündkerzenelektrode beschrieben. Die Zündkerzenelektrode umfasst einen Grundkörper und einen am Grundkörper angeordneten Edelmetallstift, wobei der Edelmetallstift ein Basismetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd, Ir, Ru, Au, Ag und Re, mindestens ein zweites Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd, Ir, Ru, Au, Ag und Re und Nickel enthält. Als Basismetall wird dasjenige Metall angesehen, dessen Anteil in Gew.-% am größten, bezogen auf das Gesamtgewicht des Edelmetallstifts, ist. Mit anderen Worten kann als Zündkerzenelektrode eine wie vorstehend erfindungsgemäß beschriebene Zündkerzenelektrode dienen. Das Verfahren sieht als wesentlichen Schritt ein Erzeugen eines Zündfunkens vor, so dass am Edelmetallstift lokal eine Temperatur von 850 bis 950 °C erhalten wird und sich Oberflächenbereiche mit angereichertem Basismetall und/oder zweitem Metall bilden. Wichtig ist dabei die Kombination aus Zusammensetzung des Edelmetallstifts und Befunkungsparametern. Eine lokale Temperatur von 850 bis 950 °C ist erforderlich, um einerseits Nickel zu oxidieren, so dass sich in einem oberflächennahen Volumenbereich des Edelmetallstifts Nickeloxid-reiche Zonen bilden und sich anderseits durch die verstärkte Erwärmung aufgrund der thermisch isolierenden Nickeloxid-reichen Zonen Edelmetall auf der Oberfläche der Nickeloxid-reichen Zonen anreichert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Lebensdauer der Zündkerzenelektrode bei reduzierten Materialkosten deutlich erhöht werden.
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Vorzugsweise wird die Befunkung so gesteuert, dass die Edelmetall-reichen Oberflächenbereiche durch das edelste Metall des Basismetalls und des zweiten Metalls gebildet werden. Hierdurch kann der funkenerosive Verschleiß der Zündkerzenelektrode noch stärker gesenkt werden.
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Weiter vorteilhaft sieht das Verfahren vor, dass die Oberflächenbereiche in Form von Schmelzperlen mit einem Durchmesser von 50 bis 250 µm ausgebildet werden. Derartig ausgebildete Schmelzperlen besitzen im Vergleich zu ihrem Volumenanteil eine große Oberfläche, die deutlich von der übrigen Elektrodenoberfläche hervorsteht und den Funkeneinschlag begünstigen. Der Durchmesser der Schmelzperlen wird dabei an der jeweils breitesten Stelle einer Schmelzperle bestimmt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel 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 ein schematisch vergrößerter Längsschnitt eines Ausschnitts der Masseelektrode der Zündkerze aus 1 nach Befunkung,
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3 eine schematische vergrößerte Darstellung eines Details aus 2 und
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4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verschleißrate der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode.
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Ausführungsform der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3 und einen Isolator 4. Ein Gehäuse 5 umgibt zumindest teilweise den Isolator 4. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 6 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 7 ausgelegt ist.
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Beispielhaft kann die Masseelektrode 2 eine erste Zündkerzenelektrode im Sinne der Erfindung darstellen und einen Grundkörper und einen am Grundkörper angeordneten Edelmetallstift umfassen, wobei der Edelmetallstift a) ein Basismetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd, Ir, Ru, Au, Ag und Re, b) mindestens ein zweites Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd, Ir, Ru, Au, Ag und Re und c) Nickel enthält. Der Anteil des Basismetalls macht in Gew.-% den größten Anteil, bezogen auf das Gesamtgewicht des Edelmetallstifts, aus. Die Mittelelektrode 3 stellt dann eine zweite Zündkerzenelektrode dar, die im Einzelnen nicht beschränkt, jedoch vorzugsweise analog der ersten Zündkerzenelektrode ausgebildet ist.
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Die in 1 dargestellte Zündkerze 1 zeichnet sich durch einen niedrigen funkenerosiven Verschleiß, eine geringe Korrosionsneigung und damit eine hohe Leistungsdichte und Laufleistung bei, gegenüber herkömmlichen, mit reinen Edelmetallzündkerzenelektroden hergestellten Zündkerzen, reduzierten Materialkosten aus.
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2 ist ein schematisch vergrößerter Längsschnitt des Edelmetallstifts 8 der Masseelektrode 2 aus 1 nach Befunkung. 2 wurde durch Befunkungsversuche erhalten. Für eine gute Reproduzierbarkeit wurden die Befunkungsversuche an einem Laborprüfstand mit definierten Parametern durchgeführt. Der Prüfstand war so ausgelegt, dass mehrere erfindungsgemäße Zündkerzen, wie in 1 gezeigt, wobei die Mittelelektrode analog der Masseelektrode ausgebildet war, parallel unter den gleichen Bedingungen befunkt wurden. Folgende Befunkungsparameter wurden angewendet:
Luftdruck: 7/14/21 bar
Zündspulenenergie: ca. 100 mJ
Funkenfrequenz: 60 Hz
Elektrodenabstand: 0,8 mm
Elektrodendurchmesser: 0,6 mm
Elektrodentemperatur: 900 °C.
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Die Proben wurden befunkt, hinsichtlich ihrer Verschleißrate analysiert und im Anschluss daran ihre Oberflächenmorphologie im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die chemische Zusammensetzung der Zündkerzenelektroden wurde mittels EDX-Untersuchungen bestimmt.
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2 zeigt, dass durch die Befunkung des Edelmetallstifts 8 der Masseelektrode 2 aus dem enthaltenen Nickel durch Oxidation mit Luftsauerstoff in einem oberflächennahen Volumenbereich Nickeloxid-reiche Zonen 9 gebildet wurden. Das Nickeloxid hat sich von der Edelmetalllegierung entmischt. Auf der Oberfläche des Nickeloxids, also auf der Nickeloxid-reichen Zone 9 hat sich eine Schmelzperle 10 gebildet, die mit Edelmetall des Basismetalls und/oder des zweiten Metalls angereichert und an Nickel verarmt ist. Die Nickeloxid-reiche Zone 9 isoliert die Schmelzperle 10 thermisch vom übrigen Edelmetallstift 8, was zu einer zusätzlichen Erwärmung der Schmelzperle 10 und damit zu einer verstärkten Anreicherung des edelsten, also des verschleißresistentesten Edelmetalls führt. So wird der funkenerosive Verschleiß der Zündkerzenelektrode reduziert.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Schmelzperle 10 aus 2. Ein Durchmesser D der Schmelzperle 10, der an ihrer breitesten Stelle bestimmt wird, beträgt etwa 200 µm. Durch die kuppelförmige Ausgestaltung und die exponierte Anordnung der Schmelzperle 10 auf der Nickeloxid-reichen Zone 9, kann sich der Zündfunken besonders gut auf der Schmelzperlenoberfläche 11 ausbilden.
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4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verschleißrate der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode aus 2 und 3 im Vergleich zu Zündkerzenelektroden, die lediglich aus dem Basismetall und dem zweiten Metall, jedoch ohne Beimischung von Nickel, hergestellt wurden. Die Vergleichselektroden aus dem nicht erfindungsgemäßen Material wurden wie zu 2 ausgeführt, befunkt. 4 zeigt, dass über alle 3 Luftdruckbereiche hinweg, die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode die niedrigsten Verschleißraten pro Funke aufweist. Dies ist auf die sich bildenden Nickeloxidreichen Zonen 9 und die auf den Nickeloxid-reichen Zonen 9 ausbildenden Schmelzperlen 10 zurückzuführen.
