DE3022549A1 - Plasmastrahl-zuendkerze fuer brennkraftmaschinen - Google Patents
Plasmastrahl-zuendkerze fuer brennkraftmaschinenInfo
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Description
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G066-80
Die Erfindung betrifft eine Plasmastrahl-Zündkerze für Plasmastrahl-Zündsysteme gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs
.
Bei Brennkraftmaschinen mit Funkenzündung ist es notwendig,
die Zündung auch bei einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch
sicherzustellen. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Verbesserungen bei Zündkerzen bekannt geworden,
die dazu dienen sollen, die Zündfähigkeit direkt zu beeinflüssen.
Zur Verbesserung der Zündfähigkeit von Brennkraftmaschinen
mit Funkenzündung ist unter anderem vorgeschlagen worden, ein Plasmastrahl-Zündsystem einzusetzen, bei dem eine Anzahl
von sogenannten Plasmastrahl-Zündkerzen verwendet wird.
Bekannte Plasmastrahl-Zündkerzen weisen den Nachteil auf, daß eine elektromagnetische Störfrequenz, die bei der Funkenabgabe
auftritt, so stark ist, daß sie einen Fernseh- und Rundfunkempfang und andere Arten von drahtlosen Kommunikationssystemen
stört. Im übrigen führt die Erzeugung von Störfrequenzen zu Betriebsfehlern bei elektronisch geregelten
Schaltungen, die für Steuersysteme eines Fahrzeugs, wie etwa eine elektronisch geregelte Brennstoffeinspritzung
oder ein elektronisch geregeltes Antiblockiersystem führen, so daß die Verkehrssicherheit gefährdet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmastrahl-Zündkerze
der eingangs genannten Art zu schaffen, die derart ausgebildet ist, daß die Störschwingungen aufgrund
der Funkenabgabeimpulse so gering wie möglich sind.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.
Die erfindungsgemäße Plasmastrahl-Zündkerze umfaßt in einer
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bevorzugten Ausführungsform einen elektrischen Isolator
mit einem Hohlraum zur Funkenabgabe und einer Anzahl von Elektroden, die mit diesem in Verbindung stehen und innerhalb des Hohlraumes einen Funkenspalt bilden. Die Elektroden
umfassen eine Mittelelektrode, die mit einer elektrischen Hochspannungsschaltung und einer elektrischen Niederspannungsschaltung
verbunden ist, und eine mit Masse verbundene Seitenelektrode, die im wesentlichen den Hohlraum
abschließt und eine Düsenöffnung aufweist- Wenigstens derjenige Teil bei wenigstens einer Elektrode, die mit dem
Funkenabgabe-Hohlraum in Verbindung steht, besteht aus. einem Material aus der Gruppe Ferrit, Nickellegierung mit
wenigstens einem Legierungsanteil der Materialien Silicium, Aluminium und Magnesium, und elektrisch leitendem Keramik-Material.
Wenn die Nickellegierung Silicium enthält, beträgt der Anteil 3-7%. Im Falle des Aluminium beträgt der Anteil 2-10%.
Im Falle des Magnesium ist ein Anteil von 1-15% vorgesehen.
Wenn elektrisch leitendes Keramik-Material verwendet wird, kann verhindert werden, daß die Spitze einer Elektrode
durch die Hitze des Plasmagases schmilzt und rasch verschleißt, so daß die Zündkerze eine längere Lebensdauer
erhält. Der Grund besteht darin, daß elektrisch leitendes Material dieser Art hitzebeständig ist.
Wenn die Lebensdauer einer Elektrode verlängert werden soll, sollte wenigstens derjenige Teil der Elektrode, der mit
dem Hohlraum in Verbindung steht, aus einem hitzebeständigen Material, wie etwa elektrisch leitendem Keramik-Material,
elektrisch leitender Metallkeramik, Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehen, so daß ein Schmelzen der
Elektrode aufgrund der Hitze des Plasmastrahlgases und ein rascher Verschleiß verhindert werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
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Erfindung anhand.der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Plasmastrahl-
Zündkerze in Verbindung mit einer elektrischen Stromquelle;
Fig. 2A ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses Zwischen
dem Entladungsstrom und der Frequenz;
Fig. 2B ist eine Tabelle;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung
zwischen der Intensität des elektrischen Störfeldes und der Frequenz
veranschaulicht;
Fig. 4 ist eine Teildarstellung einer er
sten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Plasmastrahl-Zündkerze;
Fig. 5A und 5B sind perspektivische Teildarstellungen
von abgewandelten Ausführungs-
formen einer Mittelelektrode für eine Zündkerze gemäß Fig. 4;
Fig. 6 ist ein Teilschnitt einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 dient zur Veranschaulichung des Prin
zips der Erfindung;
Fig. 8A ist eine Teilschnittdarstellung einer
dritten Ausführungsform der Zündkerze;
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Fig. 8B entspricht Fig. 8A, zeigt jedoch
eine vierte Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 ist eine teilweise aufgebrochene
Seitenansicht zur Veranschaulichung einer fünften Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 9A zeigt eine Seitenansicht der Mittelelektrode der Fig. 9;
Fig. 9B zeigt eine entsprechende Ansicht von
unten;
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Fig. 10A bis 10C sind Seitenansichten, die Abwandlungen der Mittelelektrode darstellen;
Fig. 11A und 11B entsprechen weitgehend Fig. 9B, veransöhaulichen jedoch Abwand
lungen der Seitenelektrode.
Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wird anschließend auf die in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Plasmastrahl-Zündkerze
Bezug genommen. Gemäß Fig. 1 umfaßt die erfindungsgemäße Zündkerze eine Anzahl von Elektroden
einschließlich einer Mittelelektrode T und einer Seiten-' elektrode 2. Ein elektrischer Isolator 3 weist einen Hohlraum
4 zur Funkenabgabe auf. Die Mittelelektrode 1 und die Seitenelektrode 2 stehen mit dem Hohlraum 4 in Verbindung
und bilden innerhalb des Hohlraumes 4 einen Funkenspalt. Der Funkenspalt wird durch den Isolator 3 umgeben.
Der Isolator 3 besteht aus Keramik, Die Umfangs- oder Seitenelektrode 2 verschließt im wesentlichen den
Hohlraum 4 und weist eine Düsenöffnung 5 auf, dünch die
Plasmagas, das innerhalb des Hohlraumes 4 erzeugt worden ist, zu dem Luft-Brennstoff-Gemisch außerhalb des Hohl-
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raumes 4 ausgestoßen wird.
Die Mittelelektrode 1 besteht aus einer Nickellegierung, die als Zusatz eine sehr geringe Menge Mangan, Barium
oder Eisen enthält. Diese Zusätze bewirken eine Verringerung einer Beschädigung durch die Hitze des Plasmastrahlgases,
durch Hochtemperaturoxidation und durch chemische Korrosion.
Im Betrieb wird ein Funken zwischen der Mittelelektrode 1 und der Seitenelektrode 2 erzeugt, der die Erzeugung eines
heißen, energiereichen Plasmagases in dem Hohlraum 4 bewirkt. Ein entsprechender Druckanstieg in dem Hohlraum
4 und damit eine thermische Ausdehnung des Plasmagases hat zur Folge, daß ein Teil des Plasmagases durch
die Düsenöffnung 5 in das Luft-Brennstoff-Gemisch außerhalb des Hohlraumes 4 in der Form eines Strahles mit hoher
Temperatur und hoher Energie ausgestoßen wird und zahlreiche punktförmige Flammen in dem Luft-Brennstoff-Gemisch
bildet, die eine Verbrennung des Gemisches sicherstellen.
Mit der Mittelelektrode 1 der Zündkerze P ist eine mit einer elektrischen Stromquelle verbundene Schaltung 20
verbunden. Die Schaltung 20 umfaßt eine Hochspannungs-Schaltung 20a und eine Niederspannungs-Schaltung 20b. Die
Hochspannungs-Schaltung 20a entspricht im wesentlichen einer elektrischen Schaltung, wie sie für normale Zündkerzen
verwendet wird, und sie umfaßt einen Nocken 21, der synchron mit der Maschine drehbar ist, einen Finger 22
und zwei Kontakte 22a, eine Zündspule 23 und eine Stromquelle 24. Die elektrische Niederspannungsschaltung 20b
ist über eine Steuerdiode 29 mit der Mittelelektrode 1 verbunden und derart ausgebildet, daß eine Spule 25 und
ein Kondensator 26 in Reihe geschaltet und zu dem Konden sator 26 eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 27 und
einer Stromquelle 28 parallel geschaltet ist.
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Wenn bei einer derartigen Konstruktion der Pinger 22
durch den Nocken 21 bewegt wird, der synchron zu der Maschine gedreht wird, werden die Kontakte 22a geöffnet,
und ein elektrischer Primärstrom, der durch eine Primär'-spule
23a der Zündspule 23 fließt, wird unterbrochen, so daß eine hohe Spannung in der Sekundärspule 23b induziert
wird, durch die sich ein Funken 'in dem Hohlraum 4 zwischen der Mittelelektrode 1 und der Seitenelektrode 2
ergibt. Sodann ist die Isolation in dem Hohlraum 4 zusammengebrochen, so daß ein Zustand entsteht, bei dem ein
Funken mit relativ niedriger Spannung erzeugt werden kann, so daß die Abgabe von Funken mit Hilfe eines relativ
niedrigen elektrischen Gleichstroms fortgesetzt werden kann, der von der Niederspannungsschaltung 20b zugeführt
wird. Mit anderen Worten, die elektrische Ladung,
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die durch den Kondensator 26 über den Widerstand 27 von der Stromquelle 28 aufgenommen worden ist, wird über die Steuerdiode 29 und die Spule 25 in dem Hohlraum 4 entladen, so daß die Abgabe von Funken so lange fortgesetzt wird, wie die elektrische Eadung entladen wird.
die durch den Kondensator 26 über den Widerstand 27 von der Stromquelle 28 aufgenommen worden ist, wird über die Steuerdiode 29 und die Spule 25 in dem Hohlraum 4 entladen, so daß die Abgabe von Funken so lange fortgesetzt wird, wie die elektrische Eadung entladen wird.
Eine derartige Plasmastrahl-Zündkerze weist den bereits
erwähnten Nachteil auf, daß eine elektromagnetische Störschwingung, die bei der Funkenentladung auftritt, so
stark sein kann, daß ein Fernseh- oder Rundfunkempfang oder andere drahtlose Kommunikationssysteme gestört werden.
Im übrigen führt die Störfrequenz zu Betriebsfehlern bei elektronisch gesteuerten Schaltungen, die als Steuersystem
für das Fahrzeug verwendet werden, wie etwa elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzsysteme oder elektronisch
gesteuerte Antiblockiersysteme. Auf diese Weise kann daher die Verkehrssicherheit gefährdet werden.
Anschließend soll zur Erläuterung der Erfindung auf die übrigen Figuren der Zeichnung Bezug genommen werden.
Fig. 2A bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform der erfin-
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dungsgemäßen Plasmastrahl-Zündkerze. Diese Zündkerze ist im wesentlichen in gleicher Weise wie die in Fig, 1 gezeigte Zündkerze aufgebaut, ausgenommen, daß die Mittelelektrode 1 aus einem Material besteht, das aus der Gruppe
Ferrit, Nickellegierung mit wenigstens einem der Legierungsbestandteile Silicium, Aluminium und Magnesium, und elektrisch
leitender Keramik ausgewählt ist.
Wenn eine Nickellegierung als Material gewählt wird und Silicium der Legierungszusatz ist, beträgt dessen Anteil
3-7%, im Falle von Aluminium 2-10% und im Falle von Magnesium 1-15%.
Wenn der Gehalt unter den genannten Werten liegt, läßt die Störunterdrückung nach. Bei einem größeren Anteil oberhalb
des oberen Grenzbereiches wird die Nickellegierung zu hart, so daß die Bearbeitung schwierig ist und Risse oder Brüche
bei Temperaturschwankungen im Betrieb auftreten können.
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Es ist erkennbar, daß die Nickellegierung einen relativ großen Anteil von Silicium, Aluminium oder Magnesium im
Vergleich zu der Mittelelektrode herkömmlicher Plasmastrahl-Zündkerzen
gemäß Fig. 1 enthält, bei denen nur geringe Zusätze, wie etwa Mangan, Barium oder Eisen vorgesehen
sind.
Anschließend soll erläutert werden, weshalb die erwähnten Zusatzmaterialien der Legierung zweckmäßig sind,
Die Intensität oder Stärke des elektrischen Störfeldes, das von einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit 1800cm3
Hubraum ausgeht, die mit einer Plasmastrahlzündung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist, ist im Verhältnis zu der Frequenz gemessen worden.. Das Ergebnis
wird durch die durchgezogene Linie in Fig. 3 wiedergegeben. Die gestrichelte Linie in Fig. 3 zeigt das Ergebnis
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der Messung der Stärke des Störfeldes derselben Maschine mit herkömmlicher Plasmastrahlzündung gemäß Fig. 1. Die
Skala der Ordinate ist unterteilt in Ιμν/m = OdB.
Aus Fig. 3 geht hervor, daß die Erfindung eine Reduzierung des elektrischen Störfeldes um ungefähr 20 dB ermöglicht..
Die Erfinder haben sich bemüht, eine theoretische Erklärung für die bemerkenswerte Reduktion der Entladespannung und
des Entladestroms zu finden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Fig. 7.
Wenn Ferrit verwendet wird, besteht der Grund darin, daß Ferrit ein gebrannter, zusammengesetzter Körper aus elektrisch
isolierenden Materialien und elektrisch leitenden Teilchen ist. In diesem Falle sammeln sich Ionen an den
elektrisch isolierenden Bereichen innerhalb der Entladungsflache
einer Elektrode. Dadurch wird die Emission von Elektronen und die Ionisation zwischen den Elektroden ver^
stärkt. Folglich wird eine Verringerung der Entladespan— nung und des Entladestroms erreicht.
Im Falle einer Nickellegierung mit Silicium, Aluminium oder Magnesium besteht der Grund darin, daß SiC>2 oder Al3O-
oder MgO an der Oberfläche einer Elektrode auftreten. Dadurch wird die Emission von Elektroden und die Ionisation
zwischen den Elektroden verstärkt. Folglich wird eine Verringerung der Entladespannung und des Entladestromes
erreicht.
Fig. 5A und 5B zeigen Variationen oder Abwandlungen der Ausführung der Mittelelektrode. Gemäß Fig. 5A ist ein
freier Endbereich 1a der Mittelelektrode 1 aus dem genannten
Material hergestellt, während gemäß Fig. 5B ein Mit telbereich Tb des freien Endbereiches der Mittelelektrode
1 aus dem genannten Material besteht.
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Gemäß Fig. 6 besteht der die Düsenöffnung begrenzende Bereich 2a der Umfangs- oder Seitenelektrode aus dem genannten
Material. ■—*
In den Fällen der Fig. 5A, 5B und 6 ergibt sich dieselbe Wirkung wie bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 4.
Fig. 8A zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung
mit einer dritten Elektrode 7, während Fig. 8B eine vierte Ausführungsform zeigt, bei der eine Zwischenelektrode
8 vorgesehen ist.
Die dritte Elektrode 7 ist mit einer zweiten Elektrode 2 über einen Widerstand 6 verbunden, der einen hohen
Widerstandswert aufweist (Fig, 8A). Die Zwischenelektrode 8 ist mit der zweiten Elektrode 2 über einen Widerstand 6
verbunden, der ebenfalls einen hohen Widerstandswert aufweist (Fig. 8B).
Die Plasmastrahl-Zündkerzen gemäß Fig, 8A und 8B sind als solche bekannt. Erfindungsgemäß bestehen die dritte Elektrode
7 und die Zwischenelektrode 8 aus einem der genannten Materialien aus der Gruppe Ferrit, Nickellegierungen
mit wenigstens einem Anteil der Stoffe Silicium, Aluminium und Magnesium, und elektrisch leitender Keramik.
Mit den Zündkerzen gemäß Fig» 8A und 8B sind im Hinblick
auf den Entladestrom in bezug auf die Frequenz (Fig. 2A) und das elektrische Störfeld in bezug auf die Frequenz
(Fig. 3) dieselben Ergebnisse erzielt worden.
Es konnte daher eine Reduktion von etwa 2OdB auch gemäß Fig. 8A und 8B erreicht werden.
Obwohl bei den Äusführungsformen-der Fig. 8A und 8B die
dritte Elektrode 7 und die Zwischenelektrode 8 aus dem genannten Material bestehen, ist es ebenfalls möglich,
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nur denjenigen Teil der Elektroden 7 und 8 aus dem genannten Material herzustellen, der in Verbindung mit dem Hohlraum
4 steht.
Weil elektrisch leitende Keramik verwendet wird, hat sich bestätigt, daß eine Elektrode aus einer elektrisch leitenden
Keramik nicht schmilzt. Dies beruht darauf, daß die elektrisch leitende Keramik hitzebeständig ist.
Fig. 9A und 9B zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung,
bei der der Endbereich 1a der MitteIelektrode 1,
der in den Hohlraum 4 eintritt, und ein die Düsenöffnung begrenzender Randbereich 2a der Seitenelektrode 2 aus
elektrisch leitender Keramik bestehen. Gemäß Fig. 9A ist eine stangenförmige Hilfselektrode 1a aus elektrisch leitender
Keramik in die Mittelelektrode 1 durch Sintern integriert, so daß der Endbereich gebildet wird, der in den
Hohlraum 4 eintritt.
Die übrigen geeigneten hitzebeständigen Materialien sind elektrisch leitende Metallkeramik, Wolfram und Wolframlegierungen,
d.h., eine gesinterte Legierung aus Wolfram und einem anderen Metall.
Ein Beispiel einer elektrisch leitenden Keramik ist ein Produkt, das durch eine Reaktions-Heisspressung aus einem
Hauptmaterial gewonnen ist, das im wesentlichen 50% Bn
und 50% TiB? enthält. Der Widerstandswert dieses Materials
ist gering und liegt in der Größenordnung von 200μΛ/οπι, so daß die maximal zulässige Temperatur dieses
Materials 20000C beträgt und der Schmelzpunkt sehr hoch
im Vergleich zu herkömmlichen Materialien liegt. Beispiele von. Wolframlegierungen sind gesinterte Legierungen aus
Wolfram und Silber sowie gesinterte Legierungen aus WoIf- ram und Kupfer, Sie werden hergestellt aus Wolfram-Pulver,
das unter Druck mit Silber-Pulver oder Kupfer-Pulver vermischt wird und sodann erhitzt wird, so daß dieses Pro-
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- 13 dukt in einfacher Weise hergestellt werden kann.
Fig. 1OA, 10B und 10C zeigen Abwandlungen der Mittelelektrode. Gemäß Fig. 10A ist eine stangenförmige Hilfselektrode
1a vorgesehen, die einen Bereich 1c verringerten Durchmessers aufweist, der sich in einem Schlitz 1b befindet,
den die Mittelelektrode 1A aufweist.
Fig. 10B zeigt eine stangenförmige Hilfselektrode 1a mit
einem kegelförmigen Endbereich 1d, der in eine Bohrung eingefügt werden kann, den eine Mitteleketrode- 1B aufweist,
in der die Hilfselektrode mit Hilfe von Stiften 1e festgelegt wird.
Fig. 10C veranschaulicht eine stangenförmige Hilfselektrode
1a mit einem Gewindebereich 1f, der in eine Gewindebohrung
1g der Mittelelektrode 1C eingeschraubt werden kann.
Diese Hilfselektroden 1a bestehen aus einem Material der
genannten Art, d.h. aus Ferrit, einer Nickellegierung, die wenigstens einen Bestandteil aus der Gruppe Silicium,
Aluminium und Magnesium enthält, einer elektrisch leitenden Keramik oder hitzebeständigen Materialien wie elektrisch
leitender Metallkeramik oder Wolfram oder Wolframlegierungen .
Gemäß Fig. 11A und 11B kann die Form der Seitenelektrode
2 abgewandelt werden. Fig* 11A zeigt eine zylindrische Hilfselektrode 2a mit gegenüberliegenden, nach innen gerichteten
Vorsprüngen 2b,2b. Fig. 11B stellt zwei Hilfselektroden
in der Form von VorSprüngen 2c,2c dar, die
in einer Umfangs- oder Seitenelektrode eingebettet sind und gegenüber der Düsenöffnung 5 freiliegen,..
Diese Hilfselektroden 2a,2b,2c bestehen aus einem Material
der genannten Art, nämlich Ferrit, einer Nickellegie-
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rung mit wenigstens einem Bestandteil aus der Gruppe Silicium, Aluminium, Magnesium, einer elektrisch leitenden
Keramik oder einem hitzebeständigen Material, wie etwa elektrisch leitende Metallkeramik, Wolfram oder
Wolframlegierungen.
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- 15 ZUSAMMENFASSUNG
Eine Zündkerze für Plasmastrahl-Zündsysteme umfaßt einen
elektrischen Isolator (3), in dem sich ein Entladungs-Hohlraum (4) und eine Anzahl von Elektroden (1,2,7,8) befinden,
die dem Hohlraum zugewandt sind und innerhalb des Hohlraums einen Funkenspalt bilden. Die Elektroden
schließen eine Mittelelektrode (1) in Verbindung mit einer Hochspannungsquelle (20a) und einer Niederspannungsquelle
(20b) ein, und eine Umfangs- oder Seitenelektrode (2) ist mit Masse verbunden. Die Seitenelektrode (2) verschließt
im wesentlichen den Hohlraum und bildet eine Düsenöffnung (5). Wenigstens ein Teil wenigstens einer Elektrode,
der dem Hohlraum zugewandt ist, besteht aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe Ferrit, Nickellegierungen
mit wenigstens einem Bestandteil der Gruppe Silicium, Aluminium und Magnesium und elektrisch leitender
Keramik.
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L e e r s e
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Claims (3)
1.) Plasmastrahl-Zündkerze'mit einem elektrischen Isolator,
der einen Entladungs-Hohlraum bildet, einer Anzahl von Elektroden in Verbindung mit dem Entladungs-Hohlraum, die
in dem Hohlraum einen Punkenspalt bilden und zu denen eine Mittelelektrode in Verbindung mit einer Hochspannungsquelle
und einer Niederspannungsquelle und eine Seitenelektrode in Verbindung mit Masse gehört, welche Seitenelektrode den
Hohlraum im wesentlichen verschließt und eine Düsenöffnung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß we-
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nigstens derjenige Teil wenigstens einer der Elektroden (1,2,7,8), der mit dem Hohlraum (4) in Verbindung steht,
aus einem Material aus der Gruppe Ferrit, Nickellegierungen mit wenigstens einem der Bestandteile Silicium, AIuminium
und Magnesium, und elektrisch leitender Keramik hergestellt ist.
2. Plasmastrahl-Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung im Falle
eines Silicium-Anteils 3-7% Silicium, im Falle eines Aluminium-Anteils 2-10% Aluminium und im Falle eines Magnesium-Anteils
1-15% Magnesium enthält,
3. Plasmastrahl-Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet,
daß wenigstens der mit dem Hohlraum in Berührung kommende Teil der Elektroden aus hitzebeständigem
Material aus der Gruppe elektrisch leitender Keramik, Metallkeramik, Wolfram und Wolframlegierungen
besteht.
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