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Elektrode für Zündvorrichttmgen.
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wie sie gewöhnlich bei Brennkraftmaschinen benutzt werden. Diese Zündkerzen bestehen wesentlich aus einem Paar elektrisch leitender Teile, die von einem Isolator getrennt sind. Die Enden dieser Teile, die sogenannten Elektroden, sind derart im Abstand voneinander angeordnet, dass ein Spalt entsteht, über den ein elektrischer Funke zum Springen gebracht wird, um das brennbare Gemisch zu zünden.
Eine der Hauptschwierigkeiten, die sich bei Zündkerzen gezeigt haben, ist der Umstand, dass der Überzug, der sich durch die Verbrennungsgase über den freiliegenden Teil der Zündkerze bildet, manchmal die Zündung zu verhindern vermag. Der Überzug besteht aus verschiedenen Nebenerzeugnissen der Verbrennung, beispielsweise Kohlenstoff, Eisenoxyd u. dgl., sowie aus besonderen Verbindungen, die sich zuweilen bilden, wenn nichtklopfende Brennstoffe angewendet werden.
Der Überzug vergrössert sich in dem Masse, wie die Zündkerze gebraucht wird, und da er ein verhältnismässig guter Elektrizitätsleiter ist, bildet er mitunter eine Parallelleitung zu dem Weg quer durch den Zündspalt, die hinreichend hohe Leitfähigkeit besitzt, so dass der Strom durch diesen Überzug fliesst, statt den Spalt zwischen den Elektroden zu überspringen. Die Folge ist, dass die Maschine versagt, d. h., dass ein Zylinder keine Kraft abgibt, da an dem Ziindspalt kein Funke gebildet wurde, der das brennbare Gemisch zündet.
Bei den heutigen Zündeinrichtungen liefert eine Zündspule oder Magnetmaschine die Zündspannung.
Diese Einrichtungen sind notwendigerweise so gebaut, dass die verfügbare Spannung mit wachsender Leitfähigkeit des durch den Überzug am Isolator gebildeten Weges schroff abfällt. Nach dem anfänglichen scharfen Abfall sinkt die Spannung mit dem Wachsen der Leitfähigkeit in der genannten Bahn mehr schrittweise. Die Folgen dieser Charakteristik des Zündapparates ist offenbar die, dass eine Zündkerze von hoher Zündspannung sehr viel schneller durch Verschmutzungen funktionsunfähig wird, als eine Kerze von niedriger Zündspannung.
An einer gebräuchlichen Ziindanlage wurde bei Erprobung von Zündkerzen unter gleichen Bedingungen gefunden, dass, während eine Kerze mit einer Zündspannung von 8000 Volt aufhörte die Maschine zu zünden, sobald sich ein Überzug auf dem Isolator angesammelt hatte, der einen Nebenweg von 3 Mikroohm darstellt, dagegen eine Kerze mit einer Zündspannung von 4000 Volt in ihrer Wirkung fortfuhr, bis der Nebenweg einen Wert von 20 Mikroohm erreicht hatte.
Da es mehreremal länger dauerte, um auf einer Kerze einen Überzug niederzuschlagen, der die Leitfähigkeit des Nebenweges auf 20 Mikroohm erhöht, als nötig ist, um einen Wert von 3 Mikroohm zu erreichen, fO ergibt die bei niedriger Spannung wirksame Zündkerze eine befriedigende Leistung für eine längere Zeitdauer als die andere. Es zeigt sich also wie wichtig es ist, die Kerze bei niedriger Spannung arbeiten zu lassen.
Es ist bekannt, dass die Zündspannung mit der Länge des Spaltes und der Dichtigkeit der Gase in der Verbrennungskammer im Augenblick der Zündung sowie mit der Temperatur der Elektroden veränderlich ist. Ebenso ist es bekannt, dass sich die Zündspannung mit der Gestalt der Elektroden ändert. Man nimmt jedoch bisher an, dass die Zündspannung von dcm Stoff, aus dem die Elektroden
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bestehen, nahezu unabhängig sei. Es wurde indessen bei Erprobung einer langen Reihe von Zündkerzen gleicher Bauart unter gleichen Bedingungen der Spaltweite, Gasdichte und Elektrodentemperatur eine beträchtliche Abweichung der Zündspannung beobachtet, die nicht genügend erklärt werden konnte.
Es war aus früheren Versuchen ebenfalls bekannt, dass die Spannung, die erforderlich ist, um einen Funken zwischen den Elektroden einer Zündkerze, überspringen zu lassen, mit der Zeit und dem Gebrauch schrittweise zunimmt und unter Umständen höher wird als die höchste Spannung, welche die Zündspule erzeugen kann. Diese Wirkung ist besonders deutlich, wenn bei kaltem Wetter angelassen wird. Man hatte bisher keine befriedigende Erkärung für die beiden erwähnten Erscheinungen ; es blieb jedoch die Tatsache bestehen, dass anscheinend gleiche Zündkerzen, die unter gleichen Bedingungen betrieben wurden, bei weit voneinander abweichenden Spannungen zündeten und dass dieselbe Kerze, welche unter gleichbleibenden Bedingungen betrieben wurde, einer höheren Spannung für die Zündung bedurfte, wenn einige Zeit verstrichen war.
Die Stoffe, gewöhnlich Metalle, aus denen die Elektroden der Zündkerzen meist gemacht werden, haben die im Handel übliche Reinheit. Das Elektrodenmetall ist gewöhnlich eine Legierung, die gemäss einer bestimmten Formel gemacht ist, und sie zeigt bei chemischer Analyse lediglich die Gegenwart der gewählten Bestandteile : Es wurde jedoch gefunden, dass die Unterschiede in den Zündspannungen bei anscheinend gleichen Zündkerzen sowie bei derselben Zündkerze noch einer gewissen Gebrauchsdauer möglicherweise auf die Anwesenheit von Verunreinigungen in den Elektroden zurückzuführen sind, die in ihrer Menge weit voneinander abwichen, aber stets in so geringen Spuren vorhanden waren, dass sie der gewöhnliche chemischen Analyse entgingen.
Es wurde infolgedessen eine gründliche Laboratoriumsuntersuchung angestellt, um zu ermitteln, welche Änderung, wenn überhaupt, in der Zusammensetzung des Elektrodendrahtes mit Änderungen in der Zündspannung eintrat. Es wurde gefunden, dass die gewöhnliche Legierung von Zündkerzenelektroden, die aus ungefähr 98% Nickel und 2% Mangan besteht, Spuren einer Anzahl anderer Stoffe enthält, und unter diesen häufig Magnesium ; ferner ergab sich, dass das Magnesium aus der Legierung in höherem Grade austrat als das Nickel, und dass die Zündspannung stieg, wenn der Magnesiumgehalt in der Legierung erschöpft war.
Zur Nachprüfung dieses Ergebnisses wurden Zündkerzen gefertigt, deren Elektroden einen bemerkenswert hohen Prozentsatz von Magnesium im Gegensatz zu den mikroskopischen Spuren enthielten, denen man oft in den käuflichen Legierungen begegnet. Beim Versuch zeigten diese Zündkerzen bemerkenswert niedrigere Zündspannungen. Weiterhin ergab sich, dass die Zündkerze, wenn das Magnesium in genügender Menge hinzugefügt war, die Eigenschaft einer sehr hohen Gleichförmigkeit in der Zündspannung besass. Damit ist gemeint, dass, während die Zündspannung bei gewöhnlichen Zündkerzen bei aufeinanderfolgenden Zündungen unter gleichen Betriebsbedingungen um etwa 4000 Volt schwankt, bei den verbesserten Elektroden die Spannungsschwankung zwischen aufeinanderfolgenden Zündungen 500 Volt nicht übersteigt.
Als weitere Bestätigung für die Richtigkeit der Schlussfolgerung wurde gefunden, dass die Zündspannung stieg, wenn das Magnesium verdampft oder auf andere Weise aus den Elektroden entfernt war.
Das erklärt das Ansteigen der Zündspannung mit fortgesetztem Gebrauch der Kerze. Ferner zeigte sieh, dass Zündkerzen, die beim tatsächlichen Gebrauch in einer Maschine versagten, Elektroden der gewöhnlichen Legierung besassen, denen das Magnesium mangelte oder völlig fehlte.
Nach erschöpfenden Untersuchungen in dem angedeuteten Sinne wurde gefunden, dass die grosse Mehrzahl der für Zündkerzen brauchbaren Stoffe bei der Anwendung als Zündkerzenelektroden wesentlich bei derselben durchschnittlichen Zündspannung wirken, dass jedoch eine bestimmte Klasse von Elementen durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass sie bei der Anwendung als Zündkerzenelektroden die Zündspannung mit der gewünschten, erwähnten Wirkung beträchtlich herabsetzen. Diese Elemente sind durch eine niedrige Austrittsarbeit gekennzeichnet. Mit "Austrittsarbeit" ist der Betrag der Energie gemeint, der nötig ist, um ein Elektron von dem Element zu entfernen. Die Austrittsarbeit kann dadurch gemessen werden, dass man die thermoionische Emission misst und auf verschiedenen andern Wegen.
Die Elemente, welche die Wirkung haben, die Zündspannung herabzusetzen, sind ausserdem im allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass sie stark elektropositiv sind, und sie umfassen das Gebiet der Alkali-und Erdalkalimetalle einschliesslich Beryllium und Magnesium, ferner Radium.
Die Gruppe der erwähnten Elemente umfasst : Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium, Beryllium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Radium.
Ausser der niedrigen Austrittsarbeit bestimmen noch andere Einflüsse die Brauchbarkeit der Elemente zu Zündkerzenelektroden. Die Elemente sollen vorzugsweise mit andern Elementen, beispielsweise Nickel und Mangan, legierbar sein, deren Einschluss in die Legierung sich mit. Rücksicht auf ihre elektrische Leitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Hitze und Anfressung empfiehlt. Ebenso ist wichtig, dass die zugesetzten Elemente nicht leicht von dem Grundstoff entfernt werden können. Mit andern Worten, es ist wichtig, dass der Verflüchtigungsgrad des Elementes oder der Elemente von niedriger Austrittsarbeit aus der Legierung niedrig ist. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass die Zündkerze eine lange Zeitdauer hindurch mit der gewünschten niedrigen Spannung arbeitet.
Die Untersuchungen haben bis jetzt ergeben, dass zu den geeignetsten Elementen vom Standpunkte der Zündkerzenherstellung die Erdalkalimetalle, Magnesium, Strontium, Kalzium und Barium gehören.
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Von diesen Stoffen hat Barium den niedrigsten Verflüehtigungsgrad, wenn es mit der erwähnten NickelManganlegierung benutzt wird. Während alle andern eben erwähnten Stoffe aus der Legierung schneller verdampfen als das Nickel, ist der Verflüchtigungsgrad des Bariums aus der Legierung nicht grösser, als der des Nickels. Dieser niedrige Verflüchtigungsgrad scheint die Tatsache zu erklären, dass Bailum mehr als einer der andern Stoffe die Eigenschaft besitzt, dass es eine sehr hohe Gleichförmigkeit in der Zündspannung bewirkt.
Wenn irgendeines der erwähnten Elemente in eine Mischung für Zündkerzenelektroden eingeschlossen wird, u. zw. in einem Betrag von nicht weniger als 0'01%, so wird eine sehr grosse Erniedrigung der Zündspannung bis zu mehr als 25% erreicht. Gleichzeitig wird der Unterschied in der Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Zündungen stark vermindert. In der Praxis ist es wünschenswert, einen höheren Prozentsatz dieses Elementes, als den eben erwähnten, zu nehmen, da es schwierig ist, eine so kleine Menge des Stoffes gleichförmig durch die Masse zu verteilen, und aus dem weiteren Grunde, weil offensichtlich die Spannung mit dem Wachsen des Anteiles des Stoffes sinkt.
Infolgedessen wird für die Praxis ein grösserer Betrag bevorzugt, der sich gewöhnlich mit Rücksicht auf die leichte Herstellung und die Kistenfrage bestimmt.
Es versteht sich, dass die beschriebene Klasse von Elementen die erwünschte Wirkung herbeizuführen vermag, wenn sie in Elektroden von der verschiedensten Zusammensetzung eingeschlossen sind. Die Erfindung ist also in gleicher Weise bei Elektroden aus Kupfer, Eisen oder andern Metallen oder aus nichtmetallischen Stoffen, z. B. Graphit, anwendbar. Gleichfalls ist klar, dass die Erfindung bei Zündkerzen irgendwelcher Form brauchbar ist und ganz allgemein bei Zündeinrichtungen, die unter ähnlichen Bedingungen arbeiten.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Zündkerze so konstruiert, dass eine innere Elektrode von einem Isolator der üblichen Porzellanmischung und der Isolator wiederum von einer Hülle umgeben ist, die eine äussere Elektrode trägt. Eine von beiden Elektroden oder vorzugsweise beide sind aus einer Legierung oder Mischung hergestellt, die einen Anteil eines oder mehrerer der Elemente aus den oben erwähnten Gruppen einschliesst. Wie schon gesagt wurde, kann dieser Anteil bis auf 0'01% heruntergehen ; um jedoch eine vollständige Verteilung des Stoffes durch die Masse zu erzielen, sollte ein etwas höherer Prozentsatz angewandt werden. Der Rest der Mischung mag aus Kupfer, Eisen, Graphit oder irgendeinem andern bevorzugten Stoff bestehen.
Eine besondere Zusammensetzung für Zündkerzenelektroden, die ausgezeichnete Ergebnisse
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<tb> Nickel <SEP> ..................................... <SEP> 98#0%
<tb> Mangan <SEP> .................................... <SEP> 1#8%
<tb> Barium <SEP> 0-10/o
<tb> ZLMammpH... <SEP> 99-9%.
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Um die Legierung herzustellen, werden die reinen Metalle im gewöhnlichen Ofenverfahren zusammengeschmolzen. Die Schmelze wird eine genügende Zeit hindurch auf einer Temperatur gehalten, die hoch genug ist, damit sie flüssig bleibt, um so ein durchgehendes Legieren zu erzielen.
Zündkerzen mit Elektroden der oben erwähnten Zusammensetzung arbeiten bei viel tieferen Zündspannungen, als die Kerzen von gleicher Form, die mit Elektroden der gewöhnlichen Nickel-Manganmischung versehen sind. Die Abweichung der Zündspannung vom Durchschnitt Übersteigt 400-500 Volt nicht, im Gegensatz zu der Abweichung von 1000-4000 V'. lt im Falle der gewöhnlichen Legierung.
Die Zündspannung bleibt während der Lebensdauer der Kerze wesentlich unverändert, da das Barium so lange in der Legierung bleibt wie das Nickel. Dadurch wird die Unannehmlichkeit beseitigt, dass die Zündkerzen aus einem nicht erkennbaren Grund nach einer gewissen Betriebsdauer versagen.
Die Erfindung kann in der Praxis vielfach angewandt und mehrfach abgeändert werden. Die erwähnten Elemente, die den Durchgang des Funkens in der beschriebenen Weise erleichtern und diese Eigenschaft selbst können vorteilhaft bei verschiedenen andern Zündeinrichtungen ausser den Zündkerzen benutzt werden, besonders im Hochspannungsbetrieb. Anstatt die Zusatzstoffe in die Legierung einzuführen, können diese Stoffe auch in der Form eines auf galvanop'astischem Wege od. dgl. hergestellten Überzuges angewandt werden. Die Elektrode mag auch ganz aus einem oder mehreren der genannten Elemente zusammengesetzt sein. Es versteht sich, dass es in manchen Fällen wünschenswert sein kann, zwei oder mehr dieser Elemente an Stelle des einen der beschriebenen Legierung zu benutzen.
Die Untersuchungen haben ferner ergeben, dass die Erfindung nicht auf die Anwendung der Stoffe von niedriger Austrittsarbeit in Form von Elementen beschränkt ist, sondern dass gute Ergebnisse ebenfalls durch Anwendung von Verbindungen dieser Elemente, z. B. als Oxyde, Hydroxyde, Karbonate usw. erreicht werden können, da diese Verbindungen in gleicher Weise die Eigenschaft niedriger Austiitts- arbeit haben und die Zündspannung herabzusetzen und gleichförmig zu halten streben. Die Verbindungen können natürlich allein oder zusammen mit andern Stoffen benutzt werden. Verschiedene andere An-
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