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WO2006111444A1 - Elektrode für eine zündkerze - Google Patents

Elektrode für eine zündkerze Download PDF

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Publication number
WO2006111444A1
WO2006111444A1 PCT/EP2006/060884 EP2006060884W WO2006111444A1 WO 2006111444 A1 WO2006111444 A1 WO 2006111444A1 EP 2006060884 W EP2006060884 W EP 2006060884W WO 2006111444 A1 WO2006111444 A1 WO 2006111444A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
base material
sub
metal oxide
electrode
vol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/060884
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Menken
Klaus Czerwinski
Thomas Kaiser
Alexander Flaig
Jochen Boehm
Jochen Rager
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US11/918,999 priority Critical patent/US20100045156A1/en
Priority to JP2008507034A priority patent/JP2008538447A/ja
Priority to EP06725175A priority patent/EP1875570A1/de
Publication of WO2006111444A1 publication Critical patent/WO2006111444A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

  • the invention relates to an electrode for a spark plug, which is formed from a base material and at least one distributed in the base material dispersively arranged filler material which is incorporated in the base material.
  • spark-ignited internal combustion engines convert the energy contained in the fuel into kinetic energy, wherein a fuel mixture injected into a combustion chamber is ignited via a time-controlled spark ignition.
  • the ignition of the gasoline engine is electrical, with an engine-controlled ignition system periodically generates a high voltage. This high voltage causes in each case a sparkover between the electrodes of the spark plugs in the combustion chamber.
  • the energy contained in the spark ignites the compressed air-fuel mixture, and under all operating conditions the spark plug must introduce the ignition energy into the combustion chamber without leaking or becoming hot.
  • the electrodes of a spark plug are exposed to high levels of ignition sparks and chemical-thermal attacks, which cause erosion and corrosion on the electrodes.
  • the spark plug electrodes are manufactured from materials which are characterized by a low susceptibility to oxidation and corrosion and high resistance to spark erosion attacks.
  • Other suitable electrode materials are nickel and silver as well as nickel and silver based alloys.
  • Electrode is applied. It is proposed to supply the coating material in powder form to a high-energy heat source and to melt it. The molten particles of the coating material are directed toward a substrate, i. H. the main body of the electrode, accelerated and hit at mostly high speed to form a layer.
  • a substrate i. H. the main body of the electrode
  • Such thermally sprayed layers are characterized by layer thicknesses in the range of 100 microns to several millimeters, wherein the binding mechanism based either on mechanical interlocking, adhesion, diffusion, chemical bonding or electrostatic forces.
  • a spark plug for an internal combustion engine is known, the E- lektrode with a highly erosion resistant area, which forms part of the spark gap facing end face of the electrode is executed.
  • the high erosion resistant area is made of an alloy comprising at least the alloying constituents iridium and nickel, and is welded to the base electrode.
  • this known spark plug for an internal combustion engine has the disadvantage that its electrode between the base electrode and the highly erosion-resistant region welded thereto has no homogeneous material structure, whereby a thermal conductivity of the electrode is impaired, resulting in undesirable high temperatures in certain operating ranges. temperature loads of the electrode and thus leads to a reduction in the life of the spark plug.
  • spark electrode which is made of a mixture of a metal compound and a noble metal-containing electrically conductive substance.
  • a titanium compound such as TiO 2 , TiC and / or TiN or a mixture of TiO 2 and TiC or TiN and TiC
  • a noble metal Pt a mixture of Pt and Pd, a mixture of Pt and at least one of Elements Au, Ru, Ag and Rh or a mixture of Pt, Pd and at least one of the elements Au, Ru, Ag and Rh
  • the above-mentioned mixtures of the metal compound and the noble metal component may contain additional substances as base metal, oxide, carbide, nitride and / or silicide.
  • the proportions of the individual substances in the mixture are inter alia at least 10 to 30 wt .-% titanium compound powder, 40 to 60 wt .-% platinum powder and 20 to 30 wt .-% palladium powder, each mixture of a titanium compound and a noble metal up to 3 wt .-% base metal and a total of up to 10 wt .-% of oxide, carbide, nitride and silicide may be added.
  • the known from DE 30 38 649 C2 spark electrode which consists of a mixture of a filler material, d. H. a titanium compound, and of a base material which is at least Pt or a Pt-Pd mixture, has the disadvantage that the titanium compounds break up during a sintering process to a considerable extent and the released titanium with the platinum of the base material new Connections received.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an electrode for a spark plug, which is simple and inexpensive to manufacture and has a long service life.
  • An inventively constructed electrode for a spark plug with the features of claim 1, 8 and 15 has the advantage over the known from the prior art spark plug electrodes that a low electrode wear is achieved with lower manufacturing costs.
  • a base material of the electrode which is an Au or Rh base material or pure Au or Rh
  • at least one dispersively distributed and designed as a metal oxide filler material is provided, which is embedded in the base material and by a negative Enthalpy of formation greater than 800 kJ / mol O 2 is characterized, wherein the proportion of the filler material is between 5 vol .-% and 50 vol .-%.
  • a base material of the electrode which is a Pt, base material or pure Pt
  • at least one filler material distributed in a dispersed manner and designed as a metal oxide, which is incorporated in the base material and is characterized by a negative enthalpy of formation greater than 800 kJ / mol of O 2 , the fraction of the filler material being between 21% by volume and 50% by volume and an average diameter (D50) of the filler material being between 5 ⁇ m and 20 ⁇ m
  • D50 average diameter
  • a Pt base material or pure Pt at least one metal oxide from the group of rare earth metal oxides and / or at least one metal oxide from the group Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO, SrO, BaO and / or at least one mixed oxide, such as spinel, of at least one alkaline earth metal oxide, a rare earth metal oxide, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and / or Sc 2 O 3 as filler material, wherein the filler material has a negative BiI- enthalpy greater than 800 kJ / mol O 2 , and wherein the proportion of the filler material (12) is between 5 vol .-% and 50 vol .-%.
  • filler metal materials designed as metal oxides with a negative formation enthalpy greater than 800 kJ / mol of O 2 takes into account the fact that spark erosion resistance of electrodes whose base materials are formed from noble metals during operation of an internal combustion engine due to oxidation of the base material occurs both due to the presence of oxygen in the environment and due to the released in the operation of the spark plug by splitting the present in the electrode metal oxides oxygen is deteriorated, and thereby a life of a spark plug is disadvantageously reduced.
  • spark erosion resistance of a spark plug electrode having a high noble metal content by adding a metal oxide such as MgO whose negative enthalpy of formation is about 1200 kJ / mol of O 2 to an electrode carried out without metal oxide or metal oxide is, whose negative enthalpy of formation in the range below 800 kJ / mol O 2 is increased.
  • a metal oxide such as MgO whose negative enthalpy of formation is about 1200 kJ / mol of O 2
  • the proportion of the filler material on an electrode having the features of claim 1 is in an advantageous development preferably between 10 vol .-% and 30 vol .-% and in an electrode with the features of claim 8 between 21 vol .-% and 30 vol .-%.
  • an average particle diameter (D50) of the filler material is between 0.5 .mu.m and 20 .mu.m, preferably between 1 .mu.m and 7 .mu.m, so that an electrode can be produced cost-effectively, since larger particle sizes are considerable and increase production-process times due to long-lasting annealing processes.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a spark plug in a partial sectional view
  • FIG. 2 shows a ground electrode of the spark plug shown in FIG. 1 in a cross section in isolation.
  • FIG. 1 is a partial sectional view of an arranged in a cylinder head of an internal combustion engine spark plug 1 is shown, which is screwed with a formed on a housing 2 male thread 3 in an internal thread of the cylinder head.
  • the spark plug 1 formed in a manner known per se consists in the present case of metal, ceramic and glass. These materials have different properties that are used by material-appropriate design of the spark plug 1.
  • the most important components of the spark plug 1 are a connecting bolt 5, an insulator 6, the housing 2, a center electrode 7 and a ground electrode 8, wherein an electrically conductive glass melt 9 arranged in the insulator 6 connects the center electrode 7 to the connecting bolt 5.
  • the center electrode 7 and the ground electrode 8 are exposed to high wear during operation of the internal combustion engine due to erosion and corrosion. Both factors can not be treated separately in their effect on wear. The wear causes an increase in the ignition voltage. Further, good heat dissipation from the electrodes is required.
  • the requirements may require different electrode shapes and electrode materials depending on the operating conditions and application.
  • pure metals conduct heat better than metal alloys.
  • pure metals such as nickel react more sensitively to chemical attacks of combustion gases and solid combustion residues than alloys.
  • electrodes of spark plugs for example made of nickel, to which, inter alia, chromium, manganese and silicon is alloyed.
  • the added metals have to fulfill special tasks.
  • manganese and silicon additives increase the chemical resistance, especially against the very aggressive sulfur dioxide.
  • nickel-base alloys with additions of silicon, aluminum and yttrium improve the scale and oxidation resistance.
  • silver is also used as electrode material. This results from the fact that among all materials, silver has the highest electrical and thermal conductivity, and, moreover, is chemically extremely stable, provided that unleaded fuel is used. A significant increase in the heat resistance is achieved by silver-based particle composites. The listed properties of silver are decisive for use as electrode material.
  • platinum or platinum-based alloys are used for the production of electrodes, since they have a very good corrosion and oxidation resistance and high erosion resistance.
  • FIG. 2 shows the ground electrode 8 in a cross-sectional view in isolation, which has a substantially rectangular cross-section and the present invention is described below by way of example, as well as center electrodes of spark plugs can be performed according to the invention.
  • the ground electrode 8 consists of a base material 11 and at least one finely distributed in the base material 11 arranged filler material 12, which is incorporated in the base material 11 and due to its distribution, its material properties and interaction with the base material 11, a wear resistance of the ground electrode 8 not impaired and possibly even improved with appropriate material selection.
  • the base material 11 of the ground electrode 8 may be Au or Rh base materials or pure Au or Rh.
  • At least one metal oxide having a negative formation enthalpy greater than 800 kJ / mol of O 2 in particular alkaline earth metal oxides, rare earth metal oxides, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , ZrO 2 and their mixed oxides, such as spinels, is used as filler material , or MgO, with particle sizes or average diameters D50 between 0.5 .mu.m to 20 .mu.m, preferably between 1 .mu.m and 7 .mu.m and proportions of 5 vol.% to 50 vol.%, preferably 10 vol.% to 30 Vol .-%, provided.
  • the base material 11 of the ground electrode 8 may be Pt base materials or pure Pt, to which at least one metal oxide having a negative formation enthalpy greater than 800 kJ / mol of O 2 is added as filler material.
  • additional materials are in particular alkaline earth metal oxides, rare earth metal oxides, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , ZrO 2 and their mixed oxides, such as spinels, or MgO, with particle sizes or average diameters D50 between 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 7 ⁇ m and proportions of 21% by volume to 50% by volume, preferably 21% by volume. % to 30 vol.%, provided.
  • the base material of the ground electrode 8 is a Pt base material or pure Pt and the filler material at least one metal oxide from the group of rare earth metal oxides and / or at least one metal oxide from the group Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO, SrO, BaO and / or at least one mixed oxide such as spinel, from at least one alkaline earth metal oxide, a rare earth metal oxide, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and / or Sc 2 O 3 , wherein the filler material has a negative enthalpy of formation greater than 800 kJ / mol of O 2 , and wherein the fraction of the filler material (12) is between 5% by volume and 50% by volume.
  • the filler material 12 is arranged in the base material 11 in the form of small particles and in a fine dispersion.
  • the wetting between the particles of the filler material 12 and the base material 11, the volume content of the filler material and the grain size of the particles of the filler cause a life of electrodes compared to known from practice electrodes for spark plugs or electrodes formed from the aforementioned base materials are the same or improved at significantly lower material costs, since oxidation of the base material is not favored by the presence of the less expensive metal oxide or even improved with appropriate material selection of the filler material.
  • the improvement of the resistance of the electrode to oxidation is achieved by the high negative enthalpy of formation of the filler material, since the energy input of the arc of the spark of the spark plug into the electrode is not sufficient to break the atomic bond of the metal oxide. Thus, only little or no oxygen at all is provided for the oxidation of the base material on the additive side.
  • the electrodes designed according to the invention have the same or an improved spark erosion resistance compared to electrodes known from the prior art. This applies to both Au alloys and Rh alloys as well as Pt alloys. For pure Pt, Au and Rh electrodes, the addition of stoffes achieved a reduction in manufacturing costs with at least approximately constant wear resistance.
  • noble metal costs can be saved for the same performance with a relatively long or longer service life, or longer service life of a spark plug can be realized with the same material costs by using a higher material volume.

Landscapes

  • Spark Plugs (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

Es wird eine Elektrode (8, 9) für eine Zündkerze, die aus einem Grundwerkstoff (11) und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff (11) dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff (12) gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff (11) eingelagert ist und ein Metalloxid ist sowie durch eine negative Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O<SUB>2</SUB> gekennzeichnet ist, beschrieben. Der Grundwerkstoff (11) ist ein Au- oder Rh-Basiswerkstoff oder reines Au oder Rh, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt. Alternativ sind als Grundwerkstoff (11) Pt-Basiswerkstoffe oder reines Pt vorgesehen, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) bei mittleren Partikeldurchmessern (D50) des Zusatzwerkstoffes (12) zwisehen 5 µm und 20 µm zwischen 21 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt oder der der Zusatzwerkstoff (12) wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe der Seltenerdmetalloxide und/oder wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>, Y<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>, Sc<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>, CaO, SrO, BaO und/oder wenigstens ein Mischoxid, wie Spinell, aus wenigstens einem Erdalkalimetalloxid, einem Seltenerdmetalloxid, Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>, Y<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> und/oder Sc<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 5 Vol-% und 50 Vol.-% beträgt.

Description

Elcktrodc für eine Zündkerze
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Zündkerze, die aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff eingelagert ist.
Aus der Praxis bekannte fremdgezündete Verbrennungsmotoren wandeln die im Kraftstoff enthaltene Energie in Bewegungsenergie um, wobei ein in einen Brennraum eingespritztes Kraftstoffgemisch über eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung entflammt wird. Die Zündung des Ottomotors erfolgt elektrisch, wobei eine vom Motor gesteuerte Zündanlage periodisch eine Hochspannung erzeugt. Diese Hochspannung bewirkt jeweils einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerzen im Verbrennungsraum. Die in dem Funken enthaltene Energie entzündet das verdichtete Luft-Kraftstoffgemisch, wobei die Zündkerze unter allen Betriebsbedingungen die Zündenergie in dem Brennraum einbringen muss, ohne undicht oder heiß zu werden.
Im Betrieb sind die Elektroden einer Zündkerze hohen Belastungen durch den Zündfunken sowie chemisch-thermischen Angriffen ausgesetzt, welche Erosion sowie Korrosion an den Elektroden hervorrufen. Um dem im Betrieb durch Funkenerosion sowie Korrosion im Brennraum auftretenden Elektrodenverschleiß entgegentreten zu können, werden die Zündkerzenelektroden aus Werkstoffen hergestellt, die durch eine geringe Oxidations- und Korrosionsneigung sowie eine hohe Verschleißbeständigkeit gegen funkenerosive Angriffe gekennzeichnet sind. Hierbei zeigen Werkstoffe aus reinen Edelmetallen oder auf Edelmetallbasis, wie Platin oder Platin- und Iridiumbasislegierungen, die besten Eigenschaften. Weitere geeignete Elektrodenwerkstoffe sind Nickel und Silber sowie Nickel- und Silberbasislegierungen.
Der bei der Zündung des Funkens entstehende Lichtbogen verursacht an der Elektrode einen funkenerosiven Verschleiß, wobei bisher neben dem reinen Oxidationsangriff das Wegspritzen geschmolzener Metalltröpfchen von der Elektrode als grundlegender Verschleißmechanismus angesehen worden ist.
Aus der DE 196 31 985 Al ist eine Elektrode mit einer verschleißfesten Beschichtung bekannt, die mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens auf einem Grundkörper der
Elektrode aufgebracht ist. Es wird vorgeschlagen, den Beschichtungswerkstoff in Pulverform einer energiereichen Wärmequelle zuzuführen und aufzuschmelzen. Die schmelzflüssigen Partikel des Beschichtungswerkstoffes werden in Richtung eines Substrats, d. h. dem Grundkörper der Elektrode, beschleunigt und treffen mit meist hoher Geschwindigkeit auf, um eine Schicht zu bilden. Derartig thermisch gespritzte Schichten zeichnen sich durch Schichtdicken im Bereich von 100 μm bis zu einigen Millimetern aus, wobei der Bindungsmechanismus entweder auf mechanischer Verklammerung, Adhäsion, Diffusion, chemischer Bindung oder elektrostatischen Kräften beruht.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass die Herstellung der zur Verschleißerhöhung aufzubringenden Verschleißschicht einen hohen apparativen Aufwand erfordert und bei einer Beschädigung der Verschleißschicht der Grundkörper der Elektroden den hohen korrosiven sowie funkenerosiven Belastungen im Betrieb ungeschützt ausgeliefert ist.
Aus der DE 100 15 642 Al ist eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bekannt, deren E- lektrode mit einem hochabbrandbeständigen Bereich, der einen Teil der der Funkenstrecke zugewandten Stirnfläche der Elektrode bildet, ausgeführt ist. Der hochabbrandbeständige Bereich besteht aus einer Legierung, die mindestens die Legierungsbestandteile Iridium und Nickel aufweist, und ist mit der Grundelektrode verschweißt.
Diese bekannte Zündkerze für eine Brennkraftmaschine weist jedoch den Nachteil auf, dass ihre Elektrode zwischen der Grundelektrode und dem daran angeschweißten hochabbrandbeständigen Bereich kein homogenes Werkstoffgefüge aufweist, wodurch eine Wärmeleitfähigkeit der Elektrode beeinträchtigt ist, was in bestimmten Betriebsbereichen zu unerwünscht hohen Tem- peraturbelastungen der Elektrode und damit zu einer Herabsetzung der Lebensdauer der Zündkerze führt.
Aus der DE 30 38 649 C2 ist eine Funkenelektrode bekannt, welche aus einer Mischung aus ei- ner Metallverbindung und einer ein Edelmetall enthaltenden elektrisch leitenden Substanz hergestellt ist.
Als Metallverbindung wird eine Titanverbindung, wie TiO2, TiC und/oder TiN oder eine Mischung von TiO2 und TiC oder von TiN und TiC vorgeschlagen, wohingegen als Edelmetall Pt, eine Mischung aus Pt und Pd, eine Mischung aus Pt und zumindest einem der Elemente Au, Ru, Ag und Rh oder eine Mischung aus Pt, Pd und zumindest einem der Elemente Au, Ru, Ag und Rh vorgeschlagen wird. Des Weiteren können den vorgenannten Mischungen aus der Metallverbindung und dem Edelmetallanteil zusätzliche Stoffe als Basismetall, Oxid, Karbid, Nitrid und/oder als Silizid zugesetzt sein.
Die Anteile der einzelnen Stoffe an der Mischung sind unter anderem wenigstens 10 bis 30 Gew.-% Titanverbindungspulver, 40 bis 60 Gew.-% Platinpulver und 20 bis 30 Gew.-% Palladiumpulver, wobei jeder Mischung aus einer Titanverbindung und einem Edelmetall bis zu 3 Gew.-% Basismetall und insgesamt bis zu 10 Gew.-% Oxid, Karbid, Nitrid und Silizid zugesetzt sein können.
Die aus der DE 30 38 649 C2 bekannte Funkenelektrode, welche aus einer Mischung aus einem Zusatzwerkstoff, d. h. einer Titanverbindung, und aus einem Grundwerkstoff, der wenigstens Pt oder eine Pt-Pd-Mischung ist, hergestellt ist, weist den Nachteil auf, dass die Titanverbindungen während eines Sinterprozesses zu einem nicht unerheblichen Teil aufbrechen und das freiwerdende Titan mit dem Platin des Grundwerkstoffes neue Verbindungen eingeht.
Diese während eines Sinterprozesses sich neu ausbildenden Ti-Pt- Verbindungen sind nachteil- hafterweise sehr spröde, weshalb die Funkenelektrode nach dem Sinterprozess nur sehr schwer weiter verarbeitbar ist. Darüber hinaus wird das durch die Zugabe der Titanverbindungen zu Platin oder zu Pt-Basiswerkstoffen angestrebte Ziel, die Schmelztemperatur einer auf Platin o- der einem Pt-Basiswerkstoff basierenden Funkenelektrode zu erhöhen und dadurch die Erosionsbeständigkeit der Funkenelektrode zu verbessern, nicht in dem erwünschten Umfang erreicht. Dies führt zu keiner Erhöhung der Lebensdauer einer Zündkerze. - A -
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist und eine hohe Lebensdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Elektrode für eine Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, 8 bzw. 15 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Elektrode für eine Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, 8 bzw. 15 hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerzenelektroden den Vorteil, dass ein geringer Elektrodenverschleiß mit niedrigeren Fertigungskosten erzielt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass in einem Grundwerkstoff der Elektrode, der ein Au- oder Rh- Basiswerkstoff oder reines Au oder Rh ist, wenigstens ein dispers verteilt angeordneter und als Metalloxid ausgebildeter Zusatzwerkstoff vorgesehen ist, der in dem Grundwerkstoff eingelagert ist und durch eine negative Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2 gekennzeichnet ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
Die vorgenannten Vorteile werden auch dadurch erreicht, dass in einem Grundwerkstoff der E- lektrode, der ein Pt-, -Basiswerkstoff oder reines Pt ist, wenigstens ein dispers verteilt angeordneter und als Metalloxid ausgebildeter Zusatzwerkstoff vorgesehen ist, der in dem Grundwerk- stoff eingelagert ist und durch eine negative Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2 gekennzeichnet ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes zwischen 21 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt und ein mittlerer Durchmesser (D50) des Zusatzwerkstoffes zwischen 5 μm und 20 μm ist.
Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit einem Pt-Basiswerkstoff oder reinem Pt wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe der Seltenerdmetalloxide und/oder wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe Al2O3, Y2O3, Sc2O3, CaO, SrO, BaO und/oder wenigstens ein Mischoxid, wie Spinell, aus wenigstens einem Erdalkalimetalloxid, einem Seltenerdmetalloxid, Al2O3, Y2O3 und/oder Sc2O3 als Zusatzwerkstoff zuzugeben, wobei der Zusatzwerkstoff eine negative BiI- dungsenthalpie größer 800 kJ/mol O2 aufweist, und wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
Mit den erfindungsgemäßen Materialzusammensetzungen einer Elektrode einer Zündkerze be- steht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den kostenintensiven Edelmetallanteil einer Elektrode zu reduzieren, ohne eine Funkenerosionsbeständigkeit einer Elektrode herabzusetzen, womit auf einfache Art und Weise die Herstellungskosten einer Zündkerze gegenüber herkömmlichen Zündkerzen bei zumindest gleich bleibender Lebensdauer reduziert sind.
Durch die Zugabe von als Metalloxiden mit einer negativen Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2 ausgebildeten Zusatzwerkstoffen wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass eine Funkenerosionsbeständigkeit von Elektroden, deren Grundwerkstoffe aus Edelmetallen gebildet sind, im Betrieb einer Brennkraftmaschine aufgrund einer Oxidation des Grundwerkstoffes, die sowohl aufgrund des in der Umgebung vorhandenen Sauerstoffs als auch aufgrund des im Be- trieb der Zündkerze durch Aufspalten der in der Elektrode vorhandenen Metalloxide freiwerdenden Sauerstoffs stattfindet, verschlechtert wird und dadurch eine Lebensdauer einer Zündkerze nachteilhafterweise reduziert wird.
So bildet sich durch die Oxidation beispielsweise bei einer Platin-Basiswerkstoffelektrode oder bei einer Elektrode, deren Grundwerkstoff aus reinem Platin hergestellt ist, flüchtiges gasförmiges Platinoxid, welches der Elektrode im Betrieb der Zündkerze nachteilhafterweise entzogen wird. Da sich Metalloxide bereits in der höchsten Oxidationsstufe befinden, sind diese gegen weitere Oxidation geschützt. Um zu vermeiden, dass der Sauerstoff des Metalloxids unter Einwirkung des Funkens an den Grundwerkstoff abgegeben wird und die vorgenannten Oxidati- onsprozesse stattfinden, werden dem Grundwerkstoff Metalloxide mit derartigen negativen Bildungsenthalpien zugegeben, die unter den Einsatzbedingungen einer Zündkerze eine ausreichend stabile Bindung aufweisen, dass der Sauerstoff der Metalloxide nicht abgespalten wird und somit nicht für eine Oxidation des Grundwerkstoffes zur Verfügung steht.
Dabei wurde in Versuchen festgestellt, dass eine Funkenerosionsbeständigkeit einer Zündkerzenelektrode, die einen hohen Edelmetallanteil aufweist, durch Zugabe eines Metalloxids, wie MgO, dessen negative Bildungsenthalpie bei etwa 1200 kJ/mol O2 liegt, gegenüber einer Elektrode, die ohne Metalloxid oder mit Metalloxid ausgeführt ist, dessen negative Bildungsenthalpie im Bereich unterhalb von 800 kJ/mol O2 liegt, angestiegen ist. D. h., dass höhere Beständigkei- ten der Verbindungen der als Zusatzwerkstoffe vorgesehenen Metalloxide mit steigender negativer Bildungsenthalpie zu einer Verbesserung der Funkenerosionsbeständigkeit einer Elektrode führen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die weiteren Gegenstände der Unteransprüche.
Der Anteil des Zusatzwerkstoffes an einer Elektrode mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 beträgt bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorzugsweise zwischen 10 Vol.-% und 30 Vol.-% und bei einer Elektrode mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 zwischen 21 Vol.-% und 30 Vol.-%.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Elektrode gemäß Patentanspruch 1 ist ein mittlerer Partikeldurchmesser (D50) des Zusatzwerkstoffes zwischen 0,5 μm und 20 μm, vor- zugsweise zwischen 1 μm und 7 μm, so dass eine Elektrode kostengünstig herstellbar ist, da größere Partikelgrößen erhebliche und fertigungskostenerhöhende Prozesszeiten aufgrund langandauernder Glühprozesse nach sich ziehen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung erge- ben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer Zündkerze in einer Teilschnittansicht; und Figur 2 eine Masseelektrode der in Figur 1 dargestellten Zündkerze in einem Querschnitt in Alleinstellung. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bezug nehmend auf Figur 1 ist eine Teilschnittansicht einer in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine anordenbaren Zündkerze 1 dargestellt, die mit einem an einem Gehäuse 2 ausge- bildeten Außengewinde 3 in ein Innengewinde des Zylinderkopfes einschraubbar ist.
Die in an sich bekannter Art und Weise ausgebildete Zündkerze 1 besteht vorliegend aus Metall, Keramik und Glas. Diese Werkstoffe haben unterschiedliche Eigenschaften, die durch materialgerechte Konstruktion der Zündkerze 1 genutzt werden. Die wichtigsten Bestandteile der Zünd- kerze 1 sind ein Anschlussbolzen 5, ein Isolator 6, das Gehäuse 2, eine Mittelelektrode 7 sowie eine Masseelektrode 8, wobei eine in dem Isolator 6 angeordnete und elektrisch leitende Glasschmelze 9 die Mittelelektrode 7 mit dem Anschlussbolzen 5 verbindet.
Die Mittelelektrode 7 und die Masseelektrode 8 sind während des Betriebs der Brennkraftma- schine einem hohen Verschleiß ausgesetzt, der aufgrund von Erosion und Korrosion hervorgerufen wird. Beide Faktoren können in ihrer Auswirkung auf den Verschleiß nicht getrennt behandelt werden. Der Verschleiß bewirkt eine Erhöhung der Zündspannung. Weiter wird ein gutes Wärmeableitvermögen von den Elektroden verlangt.
Die Anforderungen können je nach Betriebsbedingungen und Anwendungsfall unterschiedliche Elektrodenformen und Elektrodenwerkstoffe erforderlich machen.
Grundsätzlich leiten reine Metalle die Wärme besser als Metalllegierungen. Andererseits reagieren reine Metalle, wie beispielsweise Nickel, auf chemische Angriffe von Verbrennungsgasen und festen Verbrennungsrückständen empfindlicher als Legierungen.
Aus diesem Grund werden aus der Praxis bekannte Elektroden von Zündkerzen beispielsweise aus Nickel hergestellt, dem u. a. Chrom, Mangan und Silizium zulegiert ist. Die hinzulegierten Metalle haben Sonderaufgaben zu erfüllen. So erhöhen beispielsweise Mangan- und Siliziumzu- sätze die chemische Beständigkeit vor allem gegen das sehr aggressive Schwefeldioxid. Nickel- Basis-Legierungen mit Zusätzen aus Silizium, Aluminium und Yttrium verbessern darüber hinaus die Zunder- und Oxidationsbeständigkeit. Darüber hinaus wird auch Silber als Elektrodenwerkstoff verwendet. Dies resultiert aus der Tatsache, dass Silber unter allen Werkstoffen die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist und darüber hinaus chemisch außerordentlich beständig ist, sofern bleifreier Kraftstoff verwendet wird. Eine erhebliche Stei- gerung der Warmfestigkeit wird durch Teilchenverbundwerkstoffe auf Silberbasis erreicht. Die aufgeführten Eigenschaften von Silber sind maßgebend für die Verwendung als Elektrodenwerkstoff.
Zusätzlich werden auch Platin bzw. Platinbasislegierungen für die Herstellung von Elektroden verwendet, da diese eine sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine hohe Abbrandfestigkeit aufweisen.
Figur 2 zeigt die Masseelektrode 8 in einer Querschnittansicht in Alleinstellung, die einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und anhand der die vorliegende Erfindung nachfolgend exemplarisch beschrieben wird, da auch Mittelelektroden von Zündkerzen erfindungsgemäß ausgeführt werden können. Die Masseelektrode 8 besteht aus einem Grundwerkstoff 11 und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff 11 feinst verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff 12, der in dem Grundwerkstoff 11 eingelagert ist und aufgrund seiner Verteilung, seiner Materialeigenschaften und der Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff 11 eine Ver- Schleißbeständigkeit der Masseelektrode 8 nicht beeinträchtigt und bei entsprechender Materialauswahl unter Umständen sogar verbessert.
Bei dem Grundwerkstoff 11 der Masseelektrode 8 kann es sich um Au-, oder Rh- Basiswerkstoffe oder reines Au oder Rh handeln. Als Zusatzwerkstoff wird wenigstens ein Me- talloxid mit einer negativen Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2, wie insbesondere Erdalkalimetalloxide, Seltenerdmetalloxide, Al2O3, Y2O3, Sc2O3, ZrO2 und deren Mischoxide, wie Spinelle, oder MgO, mit Partikelgrößen bzw. mittleren Durchmessern D50 zwischen 0,5 μm bis 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 7 μm und Anteilen von 5 Vol.-% bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 10 Vol.-% bis 30 Vol.-%, vorgesehen.
Alternativ hierzu kann es sich bei dem Grundwerkstoff 11 der Masseelektrode 8 um Pt- Basiswerkstoffe oder reines Pt handeln, dem als Zusatzwerkstoff wenigstens ein Metalloxid mit einer negativen Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2 zugegeben ist. Als Zusatzwerkstoffe sind insbesondere Erdalkalimetalloxide, Seltenerdmetalloxide, Al2O3, Y2O3, Sc2O3, ZrO2 und deren Mischoxide, wie Spinelle, oder MgO, mit Partikelgrößen bzw. mittleren Durchmessern D50 zwischen 5 μm bis 20 μm, vorzugsweise zwischen 5 μm und 7 μm und Anteilen von 21 Vol.-% bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 21 Vol.-% bis 30 Vol.-%, vorgesehen.
Bei einer weiteren alternativen Lösung ist es vorgesehen, dass der Grundwerkstoff der Masseelektrode 8 ein Pt-Basiswerkstoff oder reines Pt ist und der Zusatzwerkstoff wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe der Seltenerdmetalloxide und/oder wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe Al2O3, Y2O3, Sc2O3, CaO, SrO, BaO und/oder wenigstens ein Mischoxid, wie Spinell, aus wenigstens einem Erdalkalimetalloxid, einem Seltenerdmetalloxid, Al2O3, Y2O3 und/oder Sc2O3 ist, wobei der Zusatzwerkstoff eine negative Bildungsenthalpie größer 800 kJ/mol O2 aufweist, und wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
Bei allen vorgenannten Alternativen ist der Zusatzwerkstoff 12 in dem Grundwerkstoff 11 in Form kleiner Partikel und in einer feinen Dispersion angeordnet. Die Benetzung zwischen den Partikeln des Zusatzwerkstoffes 12 und des Grundwerkstoffes 11, der Volumengehalt des Zusatzwerkstoffes sowie die Korngröße der Partikel des Zusatzwerkstoffes bewirken, dass eine Standzeit von Elektroden im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Elektroden für Zündkerzen oder Elektroden, die aus den vorgenannten Grundwerkstoffen gebildet sind, bei wesentlich ge- ringeren Materialkosten gleich ist oder verbessert ist, da eine Oxidation des Grundwerkstoffes durch das Vorhandensein des kostengünstigeren Metalloxids nicht begünstigt wird bzw. bei entsprechender Materialauswahl des Zusatzwerkstoffes sogar verbessert wird.
Die Verbesserung der Beständigkeit der Elektrode gegenüber Oxidation wird durch die hohe negative Bildungsenthalpie des Zusatzwerkstoffes erreicht, da der Energieeintrag des Lichtbogens des Zündfunkens der Zündkerze in die Elektrode nicht ausreicht, um die Atombindung des Metalloxids aufzubrechen. Damit wird zusatzstoffseitig nur wenig oder überhaupt kein Sauerstoff für die Oxidation des Grundwerkstoffes zur Verfügung gestellt.
Aus diesem Grund weisen die erfindungsgemäß ausgeführten Elektroden im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Elektroden die gleiche oder eine verbesserte Funkenerosionsbeständigkeit auf. Dies gilt sowohl für Au-Legierungen und Rh-Legierungen sowie für Pt- Legierungen. Bei reinen Pt-, Au- und Rh-Elektroden wird durch die Zugabe des Zusatzwerk- stoffes eine Reduzierung der Herstellungskosten bei wenigstens annähernd gleichbleibender Verschleißbeständigkeit erreicht.
Mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Elektrode können bei gleicher Performance bei glei- eher oder längerer Lebensdauer Edelmetallkosten eingespart werden bzw. durch den Einsatz eines höheren Materialvolumens können bei gleichen Materialkosten längere Standzeiten einer Zündkerze realisiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Elektrode (8, 9) für eine Zündkerze (1), die aus einem Grundwerkstoff (11) und wenigs- tens einem in dem Grundwerkstoff (11) dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff
(12) gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff (11) eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (11) ein Au- oder Rh-Basiswerkstoff oder reines Au oder Rh ist und der Zusatzwerkstoff (12) wenigstens ein Metalloxid mit einer negativen Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2 ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwi- sehen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen
10 Vol.-% und 30 Vol.-% beträgt.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Partikeldurchmesser (D50) des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 0,5 μm und 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 7 μm, beträgt.
4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff ein Erdalkalimetalloxid oder ein Seltenerdmetalloxid ist.
5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff Al2O3, Y2O3, ZrO2 oder Sc2O3 ist.
6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundwerkstoff MgO eingelagert ist.
7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Grundwerkstoff Mischoxide, wie Spinelle, aus wenigstens einem Erdalkalimetalloxid einem Seltenerdmetalloxid, Al2O3, Y2O3, Sc2O3, ZrO2 und/oder MgO eingelagert ist.
8. Elektrode (8, 9) für eine Zündkerze (1), die aus einem Grundwerkstoff (11) und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff (11) dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff (12) gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff (11) eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (11) ein Pt-Basiswerkstoff oder reines Pt ist und der Zusatzwerkstoff (12) wenigstens ein Metalloxid mit einer negativen Bildungsenthalpie größer als 800 kJ/mol O2 ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 21 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
9. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 21 Vol.-% und 30 Vol.-% beträgt.
10. Elektrode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Partikeldurchmesser (D50) zwischen 5 μm und 20 μm, insbesondere zwischen 5 μm und 7 μm, beträgt.
11. Elektrode nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff ein Erdalkalimetalloxid oder ein Seltenerdmetalloxid ist.
12. Elektrode nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz- stoff Al2O3, Y2O3, ZrO2 oder Sc2O3 ist.
13. Elektrode nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundwerkstoff MgO eingelagert ist.
14. Elektrode nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Grundwerkstoff Mischoxide, wie Spinelle, aus wenigstens einem Erdalkalimetalloxid einem Seltenerdmetalloxid, Al2O3, Y2O3, Sc2O3, ZrO2 und/oder MgO eingelagert ist.
15. Elektrode (8, 9) für eine Zündkerze (1), die aus einem Grundwerkstoff (11) und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff (11) dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff (12) gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff (11) eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (11) ein Pt-Basiswerkstoff oder reines Pt ist und der Zusatz- werkstoff (12) wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe der Seltenerdmetalloxide und/oder wenigstens ein Metalloxid aus der Gruppe Al2O3, Y2O3, Sc2O3, CaO, SrO, BaO und/oder wenigstens ein Mischoxid, wie Spinell, aus wenigstens einem Erdalkalimetalloxid, einem Seltenerdmetalloxid, Al2O3, Y2O3 und/oder Sc2O3 ist, wobei der Zusatzwerkstoff (12) eine negative Bildungsenthalpie größer 800 kJ/mol O2 aufweist, und wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
16. Elektrode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen
10 Vol.-% und 30 Vol.-% beträgt.
17. Elektrode nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Partikeldurchmesser (D50) des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 0,5 μm und 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 7 μm, beträgt.
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