WO2015189005A1 - Zündkerzenelektrode, verfahren zu deren herstellung und zündkerze - Google Patents

Zündkerzenelektrode, verfahren zu deren herstellung und zündkerze Download PDF

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WO2015189005A1
WO2015189005A1 PCT/EP2015/060890 EP2015060890W WO2015189005A1 WO 2015189005 A1 WO2015189005 A1 WO 2015189005A1 EP 2015060890 W EP2015060890 W EP 2015060890W WO 2015189005 A1 WO2015189005 A1 WO 2015189005A1
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WO
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spark plug
electrode
electrode material
plug electrode
spark
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PCT/EP2015/060890
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English (en)
French (fr)
Inventor
Benedikt REINSCH
Stefan Nufer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • Spark plug electrode process for its manufacture and spark plug
  • the present invention relates to a spark plug electrode and a
  • Spark plug with increased mileage and a method for producing a spark plug electrode are provided.
  • the life of a spark plug is determined by the corrosion and
  • spark plasma there is a spark erosive material removal with widening of the electrode gap between the spark plug electrodes.
  • nickel-based spark plug electrodes thus achieve replacement intervals of up to 60,000 km.
  • Corrosion resistance is preferably used for noble metal electrode materials, and among them, in particular, platinum electrodes and iridium electrodes. With such noble metal electrodes replacement intervals of up to about 90,000 km can be achieved. This is still not sufficiently high compared to the significantly higher cost of precious metal spark plug electrodes
  • the spark plug electrode according to the invention is characterized by a locally selective spark erosive wear, which means that a spark plug using the spark plug electrode according to the invention has a constant electrode spacing.
  • Essential to the invention here is that initially and / or under operating conditions on an end face of the
  • Spark plug electrode is an electrode material which, compared to an electrode material on a side surface of the spark plug electrode has a larger Electron work function has.
  • an end face of a spark plug electrode is understood to mean a region or a face which faces an opposing electrode in a spark plug.
  • a first electrode material before and on a surface of a side surface of the spark plug electrode is a second
  • Electrode material wherein an electron work function of the first
  • Electrode material is greater than an electron work function of the second electrode material.
  • the electron work function is the work, that is, the energy that must be expended to at least one electron from one
  • Spark plasma carriers can be supplied in the form of electrons.
  • a first electrode material is present or it forms, for example, by oxidation, during Befrauchung. This first electrode material has over the second electrode material of
  • the spark thus "avoids" the end face and preferably forms on the side surface of the electrode, whereby the spark plug electrode wears mainly at its end
  • Electrode material contains. Other elements or compounds thereof may also be present. A precious metal alloy with the
  • Palladium is due to its
  • Combustion space are present in the vicinity of a spark plug, a similar ratio of the electron exit work is present. Will a spark plug electrode
  • the first electrode material it is further advantageous for the first electrode material to have the end face initially and / or under operating conditions of the spark plug electrode PdO.
  • the PdO can be applied before the actual, intended use of the spark plug electrode or be generated from Pd by suitable reaction, or form under conventional operating conditions in the spark plasma.
  • an initial spreading of PdO for example in at least one preferred Area of the end face of the spark plug electrode, as well as a formation of further PdO in adjacent areas under normal use of the spark plug, are possible, if in the spark plasma at least a portion of the surface of the end face of the spark plug electrode PdO has.
  • Other elements or compounds thereof can be found in the
  • End face also be present.
  • the first electrode material preferably has at least one PdO region or else a PdO layer with an average layer thickness of 0.1 to 25 ⁇ m and in particular of 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the PdO can be present as a continuous layer or interspersed, that is to say virtually in the form of a network or the like.
  • An average layer thickness of at least 0.1 ⁇ , and in particular of at least 0.5 ⁇ or 0.6 ⁇ , is very well suited to derive a spark on the side surface of the spark plug electrode. Too high layer thicknesses of more than 5 ⁇ , or in particular of more than 25 ⁇ , however, may adversely affect the overall stability of the electrode surface and are therefore less well suited.
  • Spark plug electrode material in particular for improving the
  • the first and the second electrode material initially preferably also at least one noble metal selected from the group consisting of: Pt, Ag, Au, Ir, Ru and Re.
  • Electrode material initially further at least one metal that is not a precious metal, so at least one non-noble metal, in particular nickel, in a proportion of at most 12 wt .-%, in particular of at most 10 wt .-%, based on the total weight of the respective electrode material.
  • Non-noble metals do not adversely affect the spark erosive wear displaced on the side surface of the spark plug electrode.
  • a spark plug which comprises at least one spark plug electrode as disclosed above.
  • Spark plug electrode may be formed as a center electrode or as a ground electrode. Particularly preferred from the point of view of Constant maintenance of the electrode spacing, both electrodes are represented by a spark plug electrode according to the invention.
  • the spark plug according to the invention is characterized by a high mileage and thus a large change interval.
  • Essential to the invention are the manufacture and subsequent to the shaping of the spark plug electrode thermal aging of the
  • the thermal treatment becomes a first in at least a portion of the end face of the spark plug electrode
  • An electrode material of a side surface of the spark plug electrode has a larger electron work function.
  • the spark plug electrode material ie both the first electrode material and the second electrode material, contains Pd in wt .-% as the main constituent, based on the remaining constituents of the respective
  • Electrode material, and an aging temperature is between 600 ° C and 800 ° C. As a result, is formed on an end face of the molded
  • Figure 1 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 1 is a schematic representation of an inventive
  • Figure 3 is a micrograph of a spark plug electrode according to the prior art after Befunkung and
  • Figure 4 is a micrograph of a novel
  • Spark plug electrode 1 which is exemplified as a center electrode.
  • the spark plug electrode 1 has an end face 2, side faces 4 and an edge 3 lying between the end face 2 and the side face 4.
  • edge 3 lying between the end face 2 and the side face 4.
  • the end face 2 comprises a first electrode material.
  • the side surfaces 4 comprise a second electrode material.
  • the first electrode material may completely cover a surface of the end face 2, or may extend only over portions thereof, for example in the form of a mesh, and has an electron work function larger than an electron work function of the second electrode material.
  • the first electrode material of the end face 2 can already be present there, ie, before it is used as intended, and / or can only be formed there through use. Palladium has become the starting material for the invention
  • Spark plug electrode 1 proved to be particularly good, provided that it is present in proportions, which, based on the remaining components of the spark plug electrode underlying spark plug electrode material, constitute a main component.
  • the entire side surfaces 4 of the spark plug electrode 1 are formed of the second electrode material.
  • the end surface becomes
  • FIG. 2 shows a spark plug 10, for example, as shown in Figure 1, as
  • spark plug 10 comprises an insulator 7.
  • a housing 5 at least partially surrounds the insulator 7.
  • a thread 8 is arranged, which is suitable for attachment of the spark plug 10 in a
  • Cylinder head 9 is designed.
  • ground electrode 6 of the spark plug 10 is also advantageous.
  • test rig Internal combustion engine transferable.
  • the test rig was designed so that several spark plugs, for example those from FIG. 2, could be fobbed in parallel under the same conditions.
  • the following lighting parameters were used:
  • FIGS. 3 and 4 show scanning electron micrographs of
  • FIG. 3 shows an example
  • a face 2 of the spark plug electrode shows significant material removal and thus an uneven surface with mountains and valleys.
  • An electrode spacing in the spark plug can hereby not be made constant. There is a significant wear of the electrode material and a reduced mileage of the spark plug.
  • FIG. 4 shows a micrograph of a device according to the invention
  • Spark plug electrode having the starting composition: Pd: 69.83-69.85 wt.%, Au: 30.1 wt.%, Fe: 0.05 wt.%, And ⁇ 0.02 wt.% Ni.
  • the PdO is a first electrode material according to the invention and has a higher electron work function than metallic Pd. Consequently, a material removal in the spark plasma preferably takes place at the Pd (second
  • Electrode material according to the invention side surface 4 of the spark plug electrode instead.
  • the end face 2 of the spark plug electrode of Figure 4 thus has a flat surface. There is no significant material removal from there. As a result, an electrode gap in the spark plug is also constant and a running performance thereof is high.

Landscapes

  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode mit einer Seitenfläche (4) und einer Stirnfläche (2). Die Stirnfläche (2) weist initial und/oder unter Betriebsbedingungen der Zündkerzenelektrode (1) ein erstes Elektrodenmaterial auf und die Seitenfläche (4) weist initial und/oder unter Betriebsbedingungen der Zündkerzenelektrode (1) ein zweites Elektrodenmaterial auf. Eine Elektronenaustrittsarbeit des ersten Elektrodenmaterials ist dabei größer als eine Elektronenaustrittsarbeit des zweiten Elektrodenmaterials.

Description

Beschreibung Titel
Zündkerzenelektrode, Verfahren zu deren Herstellung und Zündkerze
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode sowie eine
Zündkerze mit erhöhter Laufleistung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode.
Stand der Technik
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.
Offenbarung der Erfindung
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. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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.
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.
Vorzugsweise weist das erste Elektrodenmaterial mindestens einen PdO- Bereich, oder aber eine PdO-Schicht mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 0,1 bis 25 μηι und insbesondere von 0,5 bis 5 μηι, 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 μηι, und insbesondere von mindestens 0,5 μηι oder 0,6 μηι, ist dabei sehr gut geeignet, einen Zündfunken auf die Seitenfläche der Zündkerzenelektrode abzuleiten. Zu hohe Schichtdicken von mehr als 5 μηι, oder insbesondere von mehr als 25 μηι, können sich jedoch nachteilig auf die Gesamtstabilität der Elektrodenoberfläche auswirken und sind daher weniger gut geeignet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Zündkerzenelektrode, Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Zündkerze,
Figur 3 eine mikroskopische Aufnahme einer Zündkerzenelektrode gemäß dem Stand der Technik nach Befunkung und
Figur 4 eine mikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen
Zündkerzenelektrode nach Befunkung.
Ausführungsformen der Erfindung
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.
Im Detail zeigt die schematische Darstellung aus Figur 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.
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.
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. 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.
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. Figur 2 zeigt eine Zündkerze 10, die beispielsweise eine wie Figur 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.
Vorteilhaft ist auch die Masseelektrode 6 der Zündkerze 10 als
erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode ausgebildet. 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 Figur 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. Die Elektroden wurden hinsichtlich ihres Verschleißes analysiert und im
Anschluss daran ihre Oberflächenmorphologie und -Chemie im
Rasterelektronenmikroskop untersucht.
Figuren 3 und 4 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von
Zündkerzenelektroden nach Befunkung. Figur 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.
Figur 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 Figur 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.
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.

Claims

Ansprüche
1 . Zündkerzenelektrode mit einer Seitenfläche (4) und einer Stirnfläche (2), wobei die Stirnfläche (2) initial und/oder unter Betriebsbedingungen der Zündkerzenelektrode (1 ) ein erstes Elektrodenmaterial aufweist und die Seitenfläche (4) initial und/oder unter Betriebsbedingungen der
Zündkerzenelektrode (1 ) ein zweites Elektrodenmaterial aufweist, wobei eine Elektronenaustrittsarbeit des ersten Elektrodenmaterials größer ist als eine Elektronenaustrittsarbeit des zweiten Elektrodenmaterials.
2. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1 , wobei das erste Elektrodenmaterial und das zweite Elektrodenmaterial initial eine Edelmetalllegierung aufweisen, die Palladium in Gew.-% als Hauptbestandteil, bezogen auf die übrigen Bestandteile des jeweiligen Elektrodenmaterials, enthält.
3. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodenmaterial der Stirnfläche initial und/oder unter
Betriebsbedingungen der Zündkerzenelektrode (1 ) PdO aufweist.
4. Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodenmaterial mindestens einen PdO-
Bereich mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 0,1 bis 25 μηι, vorzugsweise von 0,5 bis 5 μηι, aufweist.
5. Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodenmaterial eine PdO-Schicht mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 0, 1 bis 25 μηι, vorzugsweise von 0,5 bis 5 μηι, aufweist.
6. Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Elektrodenmaterial initial ferner mindestens ein Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Pt, Ag, Au, Ir, Ru und Re, enthalten.
7. Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Elektrodenmaterial initial ferner 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, enthalten.
8. Zündkerze, umfassend mindestens eine Zündkerzenelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode (1 ), umfassend die Schritte.
Herstellen eines Zündkerzenelektrodenmaterials,
Formen einer Zündkerzenelektrode (1 ), umfassend das
Zündkerzenelektrodenmaterial und
thermisches Auslagern der Zündkerzenelektrode (1 ) unter Bildung einer Stirnfläche (2) der Zündkerzenelektrode (1 ) mit einem ersten
Elektrodenmaterial und einer Seitenfläche (4) der Zündkerzenelektrode (1 ) mit einem zweiten Elektrodenmaterial, wobei eine
Elektronenaustrittsarbeit des ersten Elektrodenmaterials größer ist als eine Elektronenaustrittsarbeit des zweiten Elektrodenmaterials.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zündkerzenelektrodenmaterial Pd in Gew.-% als Hauptbestandteil, bezogen auf die übrigen Bestandteile des jeweiligen Elektrodenmaterials, enthält und eine Auslagerungstemperatur zwischen 600 °C und 800 °C liegt.
PCT/EP2015/060890 2014-06-10 2015-05-18 Zündkerzenelektrode, verfahren zu deren herstellung und zündkerze WO2015189005A1 (de)

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