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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit sich bildender nickelreicher Schicht mit reduziertem funkenerosiven Verschleiß, guter Korrosionsstabilität, hoher Leistungsdichte und langer 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 Zündkerzenelektroden 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 2007 / 0 236 123 A1 und der
JP 2004 - 152 682 A sind Zündkerzen mit Elektroden bekannt, bei denen mindestens eine Elektrode oder beide Elektrode eine Zündspitze mit Nickel und Rhodium aufweisen. Aus der
DE 24 21 585 A1 , der
EP 2 717 397 A2 und der
EP 2 554 690 A1 sind Zündkerzen bekannt, die mindestens eine Elektrode mit einem Ni-haltigen Grundkörper und einer Rh-haltigen Zündspitze aufweisen. Die
DE 10 2012 110 750 A1 offenbart eine Zündkerze mit einer Zündelektrode, die komplett aus einem Ni-haltigen oder einem Rh-haltigen Einkristall besteht. Die
DE 602 24 008 T2 offenbart eine Zündkerzenelektrode, die komplett oder deren Spitze aus einer Pt-Rh-Legierung besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich demgegenüber durch einen niedrigen funkenerosiven Verschleiß und einen besonders geringen funkeninduzierten Materialabtrag, eine gute Korrosionsbeständigkeit und reduzierte Materialkosten bei hoher Leistungsdichte und langer Laufzeit aus. Erfindungswesentlich ist hierbei dass die Zündkerze eine erste Zündkerzenelektrode und eine zweite Zündkerzenelektrode umfasst, wobei die erste Zündkerzenelektrode Rhodium (Rh) enthält und vor einer Befunkung im wesentlichen Ni-frei ist, und im Zustand vor der Befunkung alle Elemente gleichmäßig im Elektrodenmaterial verteilt sind, und die zweite Zündkerzenelektrode Nickel (Ni) enthält, wobei die zweite Zündelektrode im Wesentlichen frei ist von Rh, und wobei die erste Zündkerzenelektrode im Zustand nach Befunkung eine nickelreiche Oberflächensicht aufweist. Es wurde gefunden, dass aufgrund der Gesamtkonstruktion der erfindungsgemäßen Zündkerze bei der erfindungsgemäßen ersten Zündkerzenelektrode eine Anlagerung von von der zweiten Zündkerzenelektrode abgetragenem Nickel aus der Gasphase bzw. aus dem Funkenplasma auf die Elektrodenoberfläche der ersten Zündkerzenelektrode und damit eine Anreicherung von Nickel auf der Elektrodenoberfläche und Ausbildung einer nickelreichen Oberflächenschicht als Schutzschicht auf der ersten Zündkerzenelektrode, auftritt. Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass diese Anlagerung und Anreicherung von durch Befunkung der Elektrodenoberfläche bereits erodiertem Nickel, auf die Anwesenheit von Rhodium in der ersten Zündkerzenelektrode 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 der ersten Zündkerzenelektrode ausgebildet, was in Kombination mit der Anlagerung von Nickel von der zweiten Zündkerzenelektrode dort zu einer nickelreichen Elektrodenoberfläche und in Summe damit zu einem deutlich reduzierten Gesamtabtrag an Zündkerzenelektrodenmaterial der ersten Zündkerzenelektrode führt. Hierdurch wird auch die Korrosionsstabilität der Zündkerze gefördert. Die sich durch Nickelanreicherung an der Oberfläche der ersten Zündkerzenelektrode ausbildende Schutzschicht besteht vorzugsweise zu 100% aus Nickel. Diese Nickelschutzschicht wird somit durch erodiertes Nickel aus der zweiten Zündkerzenelektrode gebildet. Durch die relativ kostengünstigen Elemente Nickel und Rhodium, zeichnet sich die erfindungsgemäße Zündkerze ferner durch moderate Materialkosten aus.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt der Anteil an Rh in der ersten Zündkerzenelektrode 0,5 bis 40 Gew.-% und vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der ersten Zündkerzenelektrode. Gehalte an Rh von mindestens 0,5 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 5 Gew.-%, sind für die Stabilisierung des Elektrodenmaterials gegenüber funkenerosivem Verschleiß vorteilhaft, lassen sich homogen in das Zündkerzenelektrodenmaterial einlegieren und stehen zur Wiederanreicherung von Ni aus der Gasphase großflächig zur Verfügung. Sehr hohe Gehalte an Rh von mehr als 40 Gew.-% führen hingegen zu einer Verminderung der Stabilität der Zündkerzenelektrode und zudem zu deutlich erhöhten Kosten desselben. Durch Limitierung des Rh Gehalts auf maximal 40 Gew.-% und vorzugsweise maximal 30 Gew.-%, können somit die Kosten des Elektrodenmaterials gesenkt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Anteil an Nickel in der zweiten Zündkerzenelektrode größer ist als 10 Gew.-%, vorzugsweise größer als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt größer als 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zweiten Zündkerzenelektrode. Dies wirkt sich positiv auf die Kostenstruktur der Zündkerze aus.
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Weiter vorteilhaft enthält die erste Zündkerzenelektrode mindestens ein erstes Edelmetall. Durch das erste Edelmetall wird die Verschleißrate der ersten Zündkerzenelektrode bei gleichzeitiger Erhöhung deren Leistungsdichte, reduziert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich nach einer gewissen Befunkungsdauer an der Oberfläche der ersten Zündkerzenelektrode eine Schutzschicht aus Nickel und erstem Edelmetall ausbildet, wobei sich das Nickel, wie bereits ausgeführt, durch seine hohe Affinität zu dem ferner enthaltenen Rhodium an der Elektrodenoberfläche anreichert. Damit erhöht sich auch die Laufleistung der erfindungsgemäßen Zündkerze.
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Vorzugsweise ist das erstes Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Osmium (Os), Rhenium (Re), und Ruthenium (Ru). Diese Edelmetalle zeichnen sich durch eine hohe Verfügbarkeit aus und maximieren die Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Zündkerze.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, das das erste Edelmetall in Gew.-% den Hauptbestandteil der ersten Zündkerzenelektrode darstellt und/oder dass der Anteil erstem Edelmetall weniger als 95 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 90 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der ersten Zündkerzenelektrode, beträgt. Stellt das erste Edelmetall den Hauptbestandteil der ersten Zündkerzenelektrode dar, so fördert dies die Stabilität des Elektrodenmaterials gegenüber Funkenerosion und erhöht somit auf Dauer die Leistungsdichte der Zündkerze. Ein Anteil an erstem Edelmetall von maximal 95 Gew.-% und vorzugsweise maximal 85 Gew.-% ist ausreichend um eine Grundstabilität des Elektrodenmaterials gegenüber funkenerosivem Verschleiß und damit eine Zündkerze mit hoher Leistungsdichte und Materialstabilität bereitzustellen. Durch einen geringeren Gehalt an erstem Edelmetall, können ferner die Materialkosten für die erfindungsgemäße Zündkerze gesenkt werden.
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Weiter vorteilhaft enthält die erste Zündkerzenelektrode 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 der ersten Zündkerzenelektrode, beträgt. Das zweite Edelmetall ist nicht mit dem ersten Edelmetall identisch und dient der Verarbeitbarkeit des Zündkerzenelektrodenmaterials, der Erhöhung der Korrosionsstabilität und Steigerung der Leistungsfähigkeit der Zündkerze. 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 äußert.
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Die Erfindung sieht vor, dass die zweite Zündkerzenelektrode im Wesentlichen, also bis auf technisch unvermeidbare Mengen, Rhodiumfrei ist (Rh-frei). Hierdurch wird eine Zündkerze mit reduziertem funkenerosivem Verschleiß bereitgestellt, die ferner eine minimierte Korrosionsrate aufweist.
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Weiter vorteilhaft liegt das Nickel der zweiten Zündkerzenelektrode in Form einer Beschichtung auf mindestens einem Teil der Oberfläche der zweiten Zündkerzenelektrode vor. Dies maximiert den Beitrag der zweiten Zündkerzenelektrode zur Reduktion des funkenerosiven Verschleißes der ersten Zündkerzenelektrode und stabilisiert im Wesentlichen die zweite Zündkerzenelektrode gegen korrosiven Materialabtrag.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich damit durch eine sehr niedrige Verschleißrate, insbesondere durch einen minimierten funkenerosiven Verschleiß, eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und damit eine hohe Laufleistung bei hoher Leistungsdichte aus. Durch den gegenüber herkömmlichen Edelmetallzündkerzen reduzierten Gehaltes an Edelmetall, ist die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zudem kostengünstig.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze
- 2 eine schematische vergrößerte Darstellung der Zündkerzenelektroden der Zündkerze aus 1 vor Befunkung und
- 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 erfindungsgemäße 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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Beispielsweise kann die Masseelektrode 2 eine erste Zündkerzenelektrode im Sinne der Erfindung darstellen und bei einer nicht zur Erfindung gehörigen Ausführung Rhodium und Nickel enthalten. Die Mittelelektrode 3 stellt dann die zweite Zündkerzenelektrode dar, die Nickel enthält. Der umgekehrte Fall ist aber ebenfalls möglich.
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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 quaderförmige Mittelelektrode dargestellt ist und eine zweite Zündkerzenelektrode 2, die als quaderförmige Masseelektrode dargestellt ist. Die geometrischen Formen der ersten Zündkerzenelektrode 3 und der zweiten Zündkerzenelektrode 2 sind jedoch im Einzelnen nicht beschränkt.
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Die erste Zündkerzenelektrode 3 enthält Rhodium 8, das im Zustand vor Befunkung gleichmäßig im Elektrodenmaterial und an der Elektrodenoberfläche verteilt ist. Das Zündkerzenelektrodenmaterial 11 der ersten Zündkerzenelektrode 3 ist somit homogen; alle Elemente sind gleichmäßig im Elektrodenmaterial 11 verteilt. Die erste Zündkerzenelektrode 3 kann neben Rhodium 8 auch mindestens ein erstes Edelmetall und vorzugsweise auch mindestens ein zweites Edelmetall enthalten ist aber im Zustand vor Befunkung im Wesentlichen, also bis auf technisch unvermeidbare Mengen, Nickelfrei.
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Die zweite Zündkerzenelektrode 2 enthält hohe Anteile an Nickel und somit insbesondere mehr als 90 Gew.-% Nickel, bezogen auf das Gesamtgewicht der zweiten Zündkerzenelektrode 2. Alternativ dazu kann die zweite Zündkerzenelektrode 2 an ihrer Oberfläche eine nickelreiche Oberflächenbeschichtung aufweisen.
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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 9 ausgebildet. Diese Oberflächenschicht 9 enthält hohe Anteile an Nickel 7. Die Oberflächenschicht 9 wird durch Wiederanlagerung und Anreicherung von bereits erodiertem Nickel 7 aus der Gasphase gebildet und dient der ersten Zündkerzenelektrode 3 als Schutzschicht.
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Das Nickel 7 in der Oberflächenschicht 9 der ersten Zündkerzenelektrode 3 entstammt initial aus durch Zündfunken erodiertem Nickel der zweiten Zündkerzenelektrode 2. Das Nickel in der Oberflächenschicht 9 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 einem deutlich reduzierten Materialabtrag unterliegt, wobei die Oberflächenschicht 9 überwiegend Nickel 7 enthält.
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Sofern die erste Zündkerzenelektrode 3 mindestens ein erstes und/oder mindestens ein zweites Edelmetall enthält, kann auch dieses/können diese Teile der Oberflächenbeschichtung 9 sein. Dies ist für den Verschleiß der ersten Zündkerzenelektrode 3 ebenfalls unkritisch, da Edelmetalle aufgrund ihrer guten Stabilität wesentlich seltener durch Funkenerosion abgetragen werden.
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An Teilen der ersten Zündkerzenelektrode 3, die nicht der Befunkung unterliegen, und an denen auch kein Nickel angelagert wird, ist das Elektrodenmaterial 11 nach wie vor homogen ausgebildet.
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Die hier dargestellte Zündkerze zeichnet sich somit durch einen niedrigen funkenerosiven Verschleiß, eine geringe Korrosion und damit eine hohe Leistungsdichte und Laufleistung aus.