Funkenerosion an Zündkerzenelektroden

Die Lebensdauer einer Zündkerze wird durch die Aufweitung des Elektrodenabstands als Folge des Materialabtrags an den Elektroden begrenzt. Das Wissen über die Mechanismen der Erosion an Elektrodenmaterialien ist für die Entwicklung erosionsbeständiger Werkstoffe von großem Interesse. Es ist äußerst wichtig, jene Parameter zu kennen, welche das Erosionsverhalten eines Materials maßgeblich bestimmen. In dieser Arbeit wird eine zuverlässige und reproduzierbare Prüfmethode vorgestellt, die es erlaubt, Verschleiß unter definierten Bedingungen zu erzeugen und zu charakterisieren und die es ermöglicht, Einflussparameter gezielt zu verändern. In Dauerlaufexperimenten wurde das Erosionsverhalten von reinem Nickel und Platin in Abhängigkeit der Elektrodentemperatur, des Gases, des Elektrodenabstandes und -durchmessers, sowie des Umgebungs- und Sauerstoffpartialdrucks untersucht. Es wurde gezeigt, dass Erosion unter Stickstoff für alle Materialien zu vernachlässigen ist. Damit werden alle Mechanismen in der Literatur zur Erklärung des Materialabtrags von Zündkerzenelektroden widerlegt. Auf der Grundlage dieser Beobachtung und der Variation der erwähnten Parameter wurde ein neues Verschleißmodell abgeleitet. Dieses basiert auf der Oxidation des Elektrodenmaterials und beschreibt die Erosion an Nickel und Platin unabhängig voneinander. Bei Nickel wird der Elektrodenverschleiß durch die Entfernung einer Oxidschicht durch den Funken verursacht. Im Falle von Platin ereignet sich der Materialabtrag aufgrund der plasmaunterstützten Bildung und anschließenden Verdampfung flüchtiger Oxide im Funkenfußpunkt. Davon ausgehend wurde ein neuer Verbundwerkstoff entwickelt, dessen Verschleißbeständigkeit über der des reinen Platins liegt. Um die Oxidationsbeständigkeit des Verbundes zu erhöhen, wurden oxidationsresistente Metalloxidteilchen in eine Platinmatrix eingebracht. Die Oxidationsbeständigkeit des Verbundes wird jedoch durch eine unerwünschte Nebenreaktion herabgesetzt, der Abspaltung von Sauerstoff von den Metalloxiden, welche die Oxidation des Matrixmetalls sehr effektiv unterstützt. Durch Verwendung stabiler Metalloxide, gekennzeichnet durch eine hohe negative freie Bildungsenthalpie, kann diese Reaktion jedoch unterdrückt werden. von Rager, Jochen