DE2530368B2

DE2530368B2 - Zündkerze

Info

Publication number: DE2530368B2
Application number: DE19752530368
Authority: DE
Inventors: Friedrich Von Dipl.- Phys. Dr. 6370 Oberursel Stutterheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-07-08
Filing date: 1975-07-08
Publication date: 1979-07-19
Also published as: DE2530368A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit Mittel- und Masseelektroden aus unedlen Metallen, Metallegierungen oder Verbundwerkstoffen, bei welcher die Mittelelektrode oder beide Elektroden mindestens im Bereich der einander zugekehrten Zndabschnitte mit einem Metall oder einer Metallegierung beschichtet sind, welche ein über die Metalle gemitteltes Atomgewicht von mehr als 100 und einen Schmelzpunkt von oberhalb 1500° C aufweisen.

Die üblicherweise zum Zünden des Brennstoff/ Luftgemisches in Brennkraftmaschinen eingesetzten Zündkerzen weisen Elektroden aus Unedelmetallen, z. B. Nickel oder Nickellegierungen, auf. Beim Betrieb tritt an den Elektroden ein Abbrand auf, der durch die Funkenstrecke zwischen den Elektroden verursacht wird und auf eine Elektrodenzerstäubung sowie eine Verdampfung des Elektrodenwerkstoffes zurückzuführen ist. Dieser Abbrand der Elektroden vergrößert den Elektrodenabstand, was zu einer Veränderung der Zündeigenschaften führt. Die günstigsten Werte für den Brennstoffverbrauch lassen sich jedoch nur mit einer Elektrodeneinstellung erreichen, welche sich im Betrieb nicht oder nur unwesentlich verändert.

Der Abbrand an den Elektroden ist dann besonders hoch, wenn der Elektrodenwerkstoff durch Reaktion mit den Gasen im Verbrennungsraum zur Ausbildung von keramikartigen Deckschichten in Form von Metalioxiden oder -carbiden neigt oder wenn durch Absorption von Verbindungen aus dem Verbrennungsraum eine Versprödung der obersten Elektrodenschichten eintritt. Die passivierenden bzw. teilpassivierenden Dielektrika- oder Halbleiterschichten werden von der Funkenstrecke weggerissen, und zwar insbesondere auch deshalb, weil diese keramikartigen Schichten den durch häufigen Temperaturwechsel bedingten Beanspruchungen in der Phasengrenze zum Metall nicht widerstehen. Diese Kombination von chemischen und physikalischen Vorgängen führt zu besonders hohen Abbrandwerten für die Trägermetalle.

Man hat versucht, diese Probleme dadurch zu beseitigen, daß man die Elektroden von Zündkerzen aus Platin oder Platin/Iridium herstellt. Zur Senkung des Edelmetallbedarfs hat man Elektrodenspitzen aus diesen Metallen in dem Elektrodenträger schweiß- bzw. löttechnisch verankert oder die Elektroden mit einem Blech aus Platin umhüllt. Durch die hohe thermische Beanspruchung kann es aber zu einer Lockerung der Schweiß- oder Lötverbindungen und schließlich zu einer Ablösung der Elektrodenspitzen kommen. Wegen der Korrosionserscheinungen zwischen den Eiektrodenspitzen, dem Elektrodenwerkstoff und den Schweiß- oder Löthilfsmitteln wird ein Mehrfaches der für die Abbrandreduzierung erforderlichen Edelmetallmenge für die Befestigung am Elektrodenträger eingesetzt. Der hohe Edelmetallverbrauch für die Herstellung derartiger Zündkerzen führt zu einer solchen Verteuerung, daß der Einsatz dieser Zündkerzen nur bei Hochleistungs- und Sondermotoren möglich ist.

Letzteres gilt auch für mittels herkömmlicher naßgalvanischer Verfahren bei niedrigen Temperaturen beschichtete Zündkerzenelektroden, wie sie in den US-PS 2470033 und 2391458 beschrieben sind. Die Abbrandeigenschaften solcher Schichten sind auf Grund ihrer mangelhaften Haftung, ihres feinkristallinen, meist lamellaren Gefüges und ihrer Neigung zu Sprödigkeit und Rißbildung derart, daß Schichtdikken von wesentlich mehr als 100 μΐη, beispielsweise 635 μηι auf der Mittelelektrode und 254 um auf der Masseelektrode (vgl. US-PS 2470033), als erforderlich angesehen werden. In der Praxis haben sich solche Zündkerzen bislang nicht durchgesetzt.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Zündkerzen zu schaffen, welche möglichst niedrige Abbrandwerte aufweisen und dadurch über lange Betriebszeiten eine optimale Brennstoffauswertung gewährleisten. Besonders wichtig ist, daß sich die erfindungsgemäßen Zündkerzen wesentlich wirtschaftlicher herstellen lassen sollen als die bislang bekannten.

Gegenstand der Erfindung ist eine Zündkerze der eingangs angegebenen Gattung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zündabschnitt der Mittelelektrode mit einer mittels Elektrolyse aus einer Salzschmelze oder mittels Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachten, kristallin aufgewachsenen Metallschicht in einer Dicke d_s von 5 bis 100 μιη, vorzugsweise 15 bis 60 μηι, beschichtet ist.

Vollkommen unerwartet wurde gefunden, daß bereits dünnste Metallbeschichtungen auf den Zündabschnitten der Zündkerzenelektroden ausreichen, um

den Abbrand weitestgehend zu unterbinden, wenn man die richtigen Metalle auswählt und in Form einer test haftenden duktilen Schicht mit kolumnarem Kristallgefiige aufbringt, wie sie sich insbesondere bei Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren ausbilden. Soweit der Elektrodenabbrand auf die Verdampfung des Elektrodenwerkstoffes zurückzuführen ist, hängt er vom Dampfdruck und mittelbar von der Schmelztemperatur des Werkstoffes ab. Metalle und Metallegierungen mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 1500° C zeigen in dieser Beziehung hervorragende Eigenschaften. Soweit die Elektrodenzerstäubung zum Abbrand einen Beitrag liefert, kann diese durch Metalle bzw. Legierungen mit einem mittleren Atomgewicht oberhalb von 100 weitgehend unterdrückt werden, da der Austausch kinetischer Energie zwischen den Ionen der Gasatmosphäre und den Atomen der Metalloberfläche im Bereich der Zündabschnitte, insbesondere im Vergleich zu Nickel (Atomgewicht 58,7) sehr gering ist. Die für die Schichten verwendeten Metalle besitzen ferner ein hohes Wärmeleitvermögen und helfen dadurch, eine Überhitzung an der Elektrodenspitze durch Wärmestau zu vermeiden.

Für den Erfolg der Erfindung ist es weiterhin wichtig, daß die Beschichtungsmetalle chemisch so inert sind, daß sie mit den im Verbrennungsraum vorhandenen Verbindungen chemisch im wesentlichen nicht unter Oxid- bzw. Carbidbildung reagieren. Ferner dürfen sie die im Verbrennungsraum auftretenden Gase praktisch nicht absorbieren, da anderenfalls eine Vcrsprödung der Oberflächenschichten eintritt.

Schließlich kann der Elektrodenwerkstoff als katalytisch wirkender Festkörperkontakt den Zündvorgang und die Einleitung der Verbrennung begünstigen, sei es durch katalytische Crackung der Brennstoffkohlenwasserstoffe oder durch deren Oxidation. Insbesondere von den Metallen der Platingruppe ist bekannt, daß sie vorzügliche Crack- und Oxidationskatalysatoren sind; das gleiche gilt auch für Rhenium.

Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, daß das Beschichtungsmetall die folgenden Eigenschaften in sich vereinigen sollte:

a) einen Schmelzpunkt von oberhalb 1500° C

b) ein hohes Wärmeleitvermögen

c) ein mittleres Atomgewicht oberhalb 100

d) eine möglichst geringe Reaktionsfähigkeit gegenüber den Bestandteilen des Brennstoff/Luftgemisches sowie den Verbrennungsgasen

e) eine möglichst geringe Neigung zur Versprödung durch Absorption von Verbindungen aus dem Verbrennungsraum

f) eine katalytische Aktivität für die Crackung und/oder Oxidation von kohlenwasserstoffen.

Geeignete Metalle sind in erster Linie die Elemente der Platingruppe, also Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium, Iridium und Osmium sowie ferner Rhenium. Ebenfalls in Betracht kommen deren Legierungen untereinander oder mit anderen Metallen. Bei den Legierungen wird die Einbuße an thermischem Leitvermögen im Vergleich zum reinen Metall durch den Vorteil kompensiert, daß man den Schmelzpunkt und damit mittelbar auch den Dampfdruck genau einstellen kann. Die außerordentlich hohen Preise von Iridium und Osmium gegenüber Platin lassen sich beispielsweise entweder durch die Anwendung niedrigerer Schichtdicken oder durch Verwendung von Osmirid, einer metallgenetischen, schwer in seine Einzelmetalle zu trennenden und deshalb kostengünstigen Osmium/Iridiumlegierung kompensieren.

Die Elektroden selbst bestehen günstigerweise aus einem unedlen Trägermaterial mit möglichst gutem Wärmeleitvermögen. Geeignet sind beispielsweise ■ Nickelelektroden oder Elektroden aus einem Nikkelmantel mit einem Kern aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Werkstoff. Da normalerweise der Abbrand ander Mittelelektrode wesentlich größer ist, ist es besonders wichtig, deren Zündabschnitt erfindungsgemäß mit einer Edelmetallbeschichtung zu versehen. Selbstverständlich kann jedoch auch die Masseelektrode entsprechend beschichtet werden, doch unterliegt sie als Elektronenempfänger praktisch keinem Beschüß durch die wesentlich schwereren po-

¹"» sitiven Ionen aus der Gasatmosphäre und weist außerdem konstruktiv günstigere Voraussetzungen für die Wärmeableitung auf, so daß ihre thermische Belastung geringer ist als die der gegenüber Masse auf negatives Potential hochgespannten und von einem Isolator umgebenen Mittelelektrode. Primär begrenzt insbesondere der Abbrand der Mittelelektrode die Lebensdauer einer Zündkerze, so daß hier eine Problemlösung für die Senkung des Abbrandes vordringlich angreifen muß.

-"> Die Metallschicht im Bereich des Zündabschnittes der Elektrode soll so gestaltet sein, daß die dem Zutritt der Verbrennungsgase offenliegende Phasengrenze zwischen Metallschicht und Trägerkörper möglichst weit entfernt von den Bereichen der Funkenstrek-

«> ken-Fußpunkte mit ihrer höchsten thermischen Belastung liegt.

Zu einer sparenden Verwendung des Schichtmetalls und zu dessen Verankerung auf dem Elektrodenträger ohne Schweiß- und Löthilfsmittel findet

r> eine Beschichtungstechnik Anwendung, die es gestattet, auch komplizierte Elektrodenspitzenformen mit einer glatten und sehr fest haftenden, kristallinen, aber nicht dendritischen Schicht in der gewünschten niedrigen Schichtdicke von etwa 5 bis 100 μιη, vorzugsweise

·"> 15 bis 60 μηι, zu beschichten. Dabei handelt es sich um kristallin durch Abscheidung aus der Gasphase oder durch Elektrolyse aus einer Salzschmelze bei hoher Temperatur aufgewachsene Schichten. Insbesondere ermöglichen es derartige Beschichtungsverfah-

■)5 ren, die Elektrodenspitze mit einer kappenförmigen Edelmetallschicht zu überziehen, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird.

Die Abscheidung aus der Gasphase kann entweder durch Aufdampfen der Edelmetalle oder durch ther-

)0 mische Zersetzung bzw. Reduktion geeigneter flüchtiger Edelmetallverbindungen, d. h. chemische Dampfphasenreaktion (sog. CVD-Verfahren) erfolgen. Die Beschichtung wird jedoch vorzugsweise mittels Schmelzflußelektrolyseverfahren durchgeführt,

>5 wie sie z.B. in den US-PS 2093406, 2929766, 3309292 und 3547789 beschrieben sind. Besonders günstig ist der ältere, nicht vorveröffentlichte Vorschlag in der DE-AS 2417424 für ein Verfahren, bei welchem für die Schmelzflußelektrolyse Lösungen der

w) Salze von Edelmetallen in Alkalicyanamid und/oder -rhodanid- und/oder -cyanid- und/oder -halogenidschmelzen Verwendung finden, welche gegebenenfalls noch Alkalicarbonat und/oder -cyanat enthalten können, wobei der Schmelze zur Auflösung der Me-

b5 talle Stoffe zugesetzt werden, aus welchen sich unter den Reaktionsbedingungen CN- oder CNO-Radikale bilden.

Die Anwendung der Schmelzflußelektrolyse für die

Beschichtung von Zündkerzenelektroden bringt eine Reihe von wesentlichen Vorteilen:

a) Es lassen sich sehr reine Metallschichten ohne Einbau nichtmetallischer Zusätze abscheiden,

b) durch die verhältnismäßig hohe Arbeitstemperatur der Verfahren lassen sich auf den Elektroden außerordentlich fest haftende Schichten der jeweils interessierenden Metalle erzeugen,

c) durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur auf eine Temperatur, bei welcher das Schichtmetall in den Träger eindiffundiert, läßt sich die Verankerung der Schicht noch zusätzlich steigern. Andererseits ist es auch möglich, diese Eindiffusion durch anschließendes Tempern nach der Beschichtung zu erreichen,

d) nach dem Verfahren der DE-AS 2417 424 lassen sich praktisch sämtliche Metalle in einem weiten Arbeitstemperaturbereich in jeder gewünschten Schichtdicke in Form geeigneter kristalliner Schichten abscheiden.

Durch Anwendung dieser Beschichtungsverfahren ergibt sich bei minimalem Edelmetallverbrauch die Möglichkeit einer rationellen Fertigung von hohen Stückzahlen, die allen Anforderungen hinsichtlich Schichtdicke, Haftung der Schicht auf dem metallisehen Träger, Reinheit der abgeschiedenen Metallschichten, Flexibilität des Beschichtungsvorganges bei Anwendung kompliziert geformter Elektrodenspitzen, hoher Auftragsrate sowie Verwendbarkeit einer breiten Palette von verschiedenen Beschichtungsmetallen oder deren Legierungen gerecht wird. Gegebenenfalls kann nach der Beschichtung noch eine Glättung durch mechanische Nachbearbeitung erfolgen, z. B. durch Hämmern, Schleifen, Polieren od. dgl.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung der Mittelelektrode hütchen- oder kappenförmig ausgebildet, so daß sie sich nicht nur über die gesamte Stirnfläche, sondern auch noch über diese hinaus auf die Mantelfläche der Elektrode erstreckt. Dazu ist der Durchmesser des Schaftes der zylindrischen Mittelelektrode um 2 Uf₁ bis 10 d_s (d_g = Dicke der Beschichtung) größer als der Durchmesser der Stirnfläche, und die kegelstumpfförmige Mantelfläche ist in einer Höhe von 0,5 d_s bis 10 d_s mit Metall beschichtet. Diese Form der Metallschicht stellt im Vergleich zu massiven Elektrodenspitzen aus Platin oder Platin/Iridiumdraht oder -band eine hervorragende Wärmeableitung selbst bei Verwendung von Legierungen an Stelle der reinen Edelmetalle sicher. Dies beruht vor allem auf der Verfügbarkeit eines großen Wärmeableitungsquerschnittes zwischen der Metallschicht und dem Träger.

Die Aufbringung einer hütchen- oder kappenförmigen Metallbeschichtung auf die Mittelelektrode gestaltet sich deshalb besonders günstig, weil der Zündabschnitt der Mittelelektrode kegelstumpfförmig ausgebildet ist, während der Schaft wie üblich zylindrisch geformt sein kann. Vorzugsweise wird die Kegelstumpfspitze über einen Teil ihrer Höhe von der verjüngten Stirnseite her mit einer Kappe aus Platin, einem anderen Platinmetall, Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle beschichtet Hierbei wird die Kappe in einer Tiefe auch auf der Kegelstumpfman

telfläche aufgebracht, die von der Stirnfläche ab gerechnet mindestens einer halben Schichtdicke der auf die Stirnfläche aufgebrachten Schicht, jedoch normalerweise dem 1- bis lOfachen dieser Schichtdicke entspricht. Hierdurch ist gewährleistet, daß die offenliegende Phasengrenze zwischen Schicht und Trägermetall weit genug von dem Bereich höchster thermischer Belastung entfernt ist. Die Geometrie der Kegelstumpfspitze ist günstigerweise hinsichtlich ihrer Verjüngung und Höhe so gestaltet, daß nach Aufbringen der Schichtmetallkappe der zylindrische Querschnitt des Elektrodenschaftes an keiner Stelle überschritten wird. Dies erleichtert die Abdeckung der Elektrode bei der partiellen Beschichtung zur Erzeugung der Kappe und darüber hinaus die Entnahme der Mittelelektroden aus dem während der Beschichtung verwendeten Haltewerkzeug.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen die Zeichnungen dienen, welche zwei Ausführungsformen von Mittelelektroden für die erfindungsgemäßen Zündkerzen zeigen, wobei der untere Teil der Mittelelektroden jeweils weggelassen ist.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Mittelelektroden weisen einen zylindrischen Schaft 1 vom Durchmesser D₁ auf, während der aus dem Isolator der Zündkerze herausragende Zündabschnitt 2 auf den Durchmesser D₂ verjüngt ist. Die Spitze 3 der Elektrode läuft kegelstumpfförmig aus, so daß sich der Elektrodendurchmesser an der Kegelstumpfstirnfläche 5 auf einen Durchmesser D₃= D₂- a ■ d_s verjüngt. Der Faktor a, der das Schichtdickenvielfache angibt, um das sich D₂ auf O₃ mindestens verjüngt, kann Werte zwischen 2 und 10 annehmen. Hierbei ist mit D₃^D₂-Id₁ die beschichtungstechnische Untergrenze für die Verjüngung festgelegt, bei der nach der Beschichtung D₃^D₂ ist. Zur Ausbildung der Kappe auf der Elektrodenspitze muß ά_λ Werte von 0,5 bis 10 d_s annehmen können, wobei d_s die Schichtdicke auf der Stirnfläche 5 ist. Die Höhe der Kegelstumpfspitze richtet sich demgemäß nach der Wahl der Werte d_s und d_v

Die Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 unterscheiden sich voneinander dadurch, daß bei Fig. 1 die Kappe 4 die Kegelstumpfmantelfläche 6 nur teilweise, bei Fig. 2 dagegen vollständig bedeckt.

Die erfindungsgemäßen Zündkerzen zeigen überraschend auf Grund ihrer vorstehend näher erläuterten neuen Merkmale einen äußerst niedrigen Elektrodenabbrand schon bei Schichtdicken im Bereich von 10 bis 50 um, so daß der Elektrodenabstand über eine ungewöhnlich lange Motorlaufdauer praktisch konstant bleibt. Der äußerst niedrige Edelmetallverbrauch ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung dieser Zündkerzen (gegenüber den bekannten Platinzündkerzen mit Elektroden mit Platin- oder Platinmetallspitze oder mit naßelektrolytischer Beschichtung sinkt der Schichtmetallverbrauch auf V₅ bis V₁₀₀), so daß die erfindungsgemäßen Zündkerzen nicht nur in Sondermotoren, sondern auch in gängigen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, wo sie auf Grund der Konstanz des Elektrodenabstandes und ihrer katalytischen Eigenschaften eine Optimierung der Brennstorfverbrauchswerte ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit Mittel- und Massenelektroden ans unedlen Metal- "' len, Metallegierungen oder Verbundwerkstoffen, bei welcher die Mittelelektrode oder beide Elektroden mindestens im Bereich der einander zugekehrten Zündabschnitte mit einem Metall oder einer Metallegierung beschichtet sind, welche ein '" über die Metalle gemitteltes Atomgewicht von mehr als 100 und einen Schmelzpunkt von oberhalb 1500° C aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündabschnitt der Mittelelektrode mit einer mittels Elektrolyse aus einer Salz- ' "· schmelze oder mittels Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachten, kristallin aufgewachsenen Metallschicht (4) in einer Dicke d_s vonn 5 bis 100 um, vorzugsweise 15 bis 60 urn, beschichtet ist. -'°

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D₂) des Schaftes (2) der zylindrischen Mittelelektrode um 2 d_s bis 10 d_s größer ist als der Durchmesser (D₃) der Stirnfläche (5) und daß die gesamte Stirnfläche -''

(5) sowie die kegelstumpfförmige Mantelfläche

(6) in einer Höhe ((I₁) von 0,5 d_s bis 10 d, mit Metall beschichtet sind.

3. Zündkerze nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht ^!» mit der Elektrode über eine durch Diffusion hervorgerufene Legierungsschicht verbunden ist.

4. Zündkerze nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Metallschicht durch mechanische Nachbearbei- i> tung geglättet ist.