-
Elektrodenmaterial für Zündeinrichtungen, wie sie z. B. für Verbrennungskraftmaschinen
benutzt werden Die Erfindung richtet sich auf Elektroden für Zündvorrichtungen,
beispielsweise für Zündkerzen, wie sie gewöhnlich bei Verbrennungskraftmaschinen
benutzt werden. Diese Zündkerzen bestehen wesentlich aus einem Paar elektrisch leitender
Elemente, die durch ,einen Isolator getrennt sind. Die Enden dieser Elemente, 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 dem freiliegenden
Teil der Zündkerze gebildet hat, 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 angewandt 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 Zündspalt kein Funke gebildet wurde, der das brennbare Gemisch gezündet
hätte.
-
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 Folge
dieser Charakteristik des Zündapparates ist offenbar die, daß eine Zündkerze von
hoher Zündspannung sehr viel schneller verschmutzt wird- als eine Kerze von niedriger
Zündspannung. An einer gebräuchlichen Zündanlage wurde bei Erprobung von Zündkerzen
unter gleichen Bedingungen gefunden, daß, während eine Kerze mit einer Zündspannung
von 8ooo Volt aufhörte, die Maschine zu zünden, sobald sich ein genügender Überzug
auf
dem Isolator angesammelt hatte, der einen Nebenweg von 3 Microhm darstellte, dagegen
eine Kerze mit einer Zündspannung von q.000 Volt in ihrer Wirkung fortfuhr, bis
der Nebenweg einen Wert von 2o Microhm erreicht hatte. Da es mehreremal länger dauerte,
um auf einer Kerze einen Überzug niederzuschlagen, der die Leitfähigkeit des Nebenweges
auf 2o Microhm erhöht, als nötig ist, um einen Wert von 3 Microhm -zu, erreichen,
so ergibt die bei niedriger Spannung wirksame Zündkerze eine befriedigende Leistung
für eine längere Zeitdauer als die andere. Daraus zeigt sich, wie wichtig es ist,
die Kerze bei niedriger Spannung arbeiten zu lassen.
-
Es war bisher 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. Es war .ebenso bekannt,
daß sich die Zündspannung- mit- der Gestalt der Elektroden ändert. Man nimmt jedoch
bisher allgemein an, daß die Zündspannung von dem in der Zusammensetzung der Elektroden
angewandten Stoff völlig abhängig sei. Es wurde indessen bei Erprobung einer langen
Reihe von Zündkerzen gleicher Bauart unter gleichen Bedingungen der Spaltweite,
Gasdichte und Elektrodentemperatur eine beträchliche 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 hefrieäg.endeErklärung für die beiden erwähnten Erscheinungen;
es blieb jedoch die Tatsache bestehen, daß offenbar gleiche Zündkerzen, die unter
gleichen Bedingungen betrieben wurden, bei weit voneinander abweichenden Spannungen
zündeten, und daß dieselbe Kerze, welche -offenbar unter derselben Bedingung 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 wurden, haben die im Händel übliche Reinheit. Das Elektrodenmetall
ist gewöhn. lieh 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 weiteren Unterschiede in den Zündspannungen
bei offenbar gleichen Zündkerzen sowie bei derselben Zündkerze nach einer gewissen
Gebrauchsdauer möglicherweise auf die Anwesenheit von Verunreinigungen in den Elektroden
zurückzuführen waren, die in ihrer Menge weit voneinander abwichen, aber stets in
so geringen Spuren vorhanden waren, daß sie der gewöhnlichen 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. Mit Hilfe thermoionis@cher Studien
unter Vakuum und mit Spektralanalyse wurde gefunden, daß die gewöhnliche Legierung
von Zündkerzenelektroden,-.de aüs-iiägefälir 98 @/o Nickel und 2'9/o Mangan bestand,
Spureneiner Anzahl anderer Stoffe enthielt 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 .q.000
Volt schwankt, - bei den verbesserten Elektroden die Spannungsschwankung zwischen
aufeinanderfolgenden Zündungen 500 Volt nicht übersteigt.
-
Als- weitere Betätigung für die Richtigkeit der Schlußfolgerung wurde
gefunden, da.ß die Zündspannung stieg, wenn das Magnesium verdampft oder auf andere
Weise aus den Elektroden -entfernt war. Das erklärt Glas Ansteigen oder Zündspannung
mit fortgesetztem Gebrauch der Kerze. Ferner zeigte sich, daß- Zündkerzen, die beim
tatsächlichen Gebrauch in einer -Maschine versagten, Elektroden der gewöhnlichen
Legierung besaßen, denen das Magnesium ermangelte oder völlig fehlte. ' - _ -1Vach
erschöpfenden `Untersuchungen in dem angedeuteten Sirine 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 Energiefunktion
gekennzeichnet. Mit Energiefunktion ist der Betrag der Energie gemeint, der nötig
ist, um ein Elektron von dem Element zu entfernen. Die Energiefunktion kann dadurch
gemessen werden, daß -man die thermoionische Emission mißt, und auf verschiedenen
anderen 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 Alkali und alkalische Erdmetalle.
-
Die Gruppe der erwähnten Elemente umfaßt : Lithium, Natrium, Kalium,
Rhubidium, Cäsium, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Radium.
-
Außer der niedrigen Energiefunktion b@estimmen noch andere Einflüsse
die Brauchbarkeit der Elemente zu Zündkerzenelektroden. Die Elemente sollen vorzugsweise
mit anderen Elementen, beispielsweise Nikkel 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 anderen Worten, es ist
wichtig, daß der Verflüchtigungsgrad des Elementes oder der Elemente von niedriger
Energiefunktion 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 Standpunkt der Zündkerzenherstellung die alkalischen Erdmetalle Magnesium,
Strontium, Calcium und Barium gehören. Von diesen Stoffen hat Barium den niedrigsten
Verflüchtigungsgrad, wenn es mit der erwähnten Nickel-Mangan-Legierung benutzt wird.
Während alle anderen 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 Barium mehr als einer der anderen 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, und zwar -in einem Betrag von nicht weniger als einem hundertstel
Prozent, so wird eine sehr hohe Erniedrigung der Zündspannung bis zu mehr als
25 o;o erreicht. Gleichzeitig wird der Unterschied in der Spannung zwischen
aufeinanderfolgend,en 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 Kostenfrage bestimmt.
-
Das Ergebnis, das sich durch die Anwendung dieser Stoffe bei Zündkerzen
herausgestellt hat, kann anscheinend durch die Elektronentheorie der Leitung der
Elektrizität durch Gase .erklärt werden. Diese Theorie setzt für das Entstehen eines
Zündfunkens voraus, daß zwischen den Elektrodeal ein ununterbrochener Fluß von Elektronen
vorhanden sein muß. Um diesen Fluß in Gang zu setzen, müssen in dem Spalt eine Anzahl
freier Ionen vorhanden sein. Solche freien Ionen finden sich stets in Gasen in Behältern
und in der freien Luft. Diese werden durch das elektrische Feld beschleunigt, und
indem sie nach den Elektroden wandern, stoßen sie mit Gasmolekülen zusammen, und
zwar in solchem Maße, daß andere freie Ionen unter der Einwirkung dieses Zusammenstoßes
gebildet werden. Ferner wird durch den Zusammenprall der positiven Ionen mit der
Kathode oder der negativen Elektrode die Abstoßung von Elektronen aus der Kathode
verursacht, die durch das Gas zu der Anode wandern. Diese Elektronen stoßen bei
ihrem Gang durch das Gas mit Gasmolekülen zusammen und bilden durch die Heftigkeit
ihres Auftreffens freie Ionen und Elektronen. 'In Anbetracht ihrer verhältnismäßig
großen Beweglichkeit gegenüber den freien Ionen hilden die Elektronen die Hauptträger
der elektrischen Ladungen durch das Gas zwischen den Elektroden. Die Strommenge
hängt hauptsächlich von der Zahl der Elektronen Ab, die durch das Gas in der Sekunde
hindurchgehen können, und der Grad, in dem sich der Strom steigert, hängt weitgehend
von der Zahl der Elektronen ab, die in der Sekunde von der Kathode ausgehen können.
Außer -der Wirkung des Auftreffens von
positiven Ionen auf die Kathode
sind noch andere Vorgänge wirksam, um Elektronen von der negativen Elektrode abzusondern,
nämlich: die photoelektrische Wirkung des in dem Spalt zwischen den Elektroden durch
den Durchgang der .elektrischen Ladungen erzeugten Lichtes oder des Lichtes, das
von einer äußeren Quelle auf den Zündkerzenspalt fällt, die 'thermoionische Emission
von Elektronen aus der Kathode als Folge davon, daß sie von den umgebenden Körpern
geheizt wird, oder als Folge der durch das Aufschlagen der positiven Ionen erzeugten
Hitze, die Wirkung des elektrischen Feldes auf das Herausziehen von Elektronen aus
der Kathode. Bei jedem dieser Vorgänge muß Energie aufgewandt werden, um die Elektronen
im Verhältnis zu der Energiefunktion des Elektrodenstoffes herauszuziehen, und die
Elektronenzahl, die in der Sekunde abgestoßen werden kann, vergrößert sich -beim
Einschluß von Stoffen niedriger Energiefunktion in den Elektrodenstoff entsprechend
der verhältnismäßigen Leichtigkeit, mit der die Elektronen aus der Masse herausgezogen
werden. Ist der Grad, in dem Elektronen abgestoßen werden, gesunken, so wird die
schnell steigende Zündspannung der Spule auf einen höheren Wert getrieben, bevor
die notwendigen Elektronen verfügbar sind, um eine genügende Strommenge zu leiten,
welche das Ansteigen der Spannung begrenzen würde. Der Einschluß von Stoffen niedriger
Energiefunktion in den Elektrodenstoff verringert die Zündspannung entsprechend
dem Anwachsien des Grades, in dem Elektroden aus der Kathode herausgezogen werden,
und dem daraus folgenden Anwachsen des Grades, . in dem der Strom unter der vereinigten
Wirkung solcher ofenerwähnter Vorgänge steigt, wie sie in jedem Augenblick wirksam
sind.
-
Obwohl im vorstehenden die beste Erklärung der Theorie für die Wirkung
dieser Stoffe gemäß der heutigen Erkenntnis gegeben ist, so sei doch betont, daß
der gehaue Charakter der als elektrischer Funke bezeichneten Erscheinung nicht bekannt
ist. Die gemachten Ausführungen sollen als Erklärungsversuc1. betrachtet werden
und nicht in der Absicht, die Erfindung zu beschränken.
-
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 Elektro7. den
aus Kupfer, Eisen oder anderen 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.
-
Während es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, den die Zündspannung
herabmindernden Stoff der Elektrode der Zündkerze durch Legieren oder Mischen einzuverleiben,
hat man schon vorgeschlagen, in die Funkenstrecke der Zündkerze Oxyde der verschiedensten
Elemente zu bringen. Auf diese Weise gelingt es aber nicht, mit derselben Sicherheit
und Zuverlässigkeit die Zündspannung herabzusetzen wie durch die vorlie-. gende
Erfindung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird .eine Zündkerze
so vorgesehen, daß eine innere Elektrode von einem Isolator der üblichen Porzellan-,
mischung 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 ob@enerwäbnten Gruppen @einschließt. Wie .schon gesagt wurde, kann dieser
Anteil bis auf o,ot % heruntergehen; um jedoch eine vollständige Verteilung des
Stoffes durch die Masse zu erzielen, sohlte ein etwas höherer Prozentsatz angewandt
werden. Der Rest der Mischung mag aus Kupfer, Eisen, Graphit oder irgendeinem anderen.
bevorzugten Stoff bestehen.
-
Eine besondere Zusammensetzung für Zündkerzenelektroden, die ausgezeichnete
Ergebnisse sowohl vom Standpunkt der niedrigen Zündspannung als auch der Gleichförmigkeit
der Zündspannung ergeben 'hat, ist folgende: ,
| Nickel . . . . . . . . . . . . . . . 98,o |
| Mangan ............. i,80/0 |
| Barium.............. 0,i°/0 |
| zusammen ... 99,9 |
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 ofenerwähnten Zusammensetzung arbeiten
bei viel tieferen Zündspannungen als die Kerzen von gleicher Form, die mit Elektroden
der gew_öhnlichen-°-- Nickel-Mangan_M__ischung__- versehen sind. Die Abweichung
der Zündspannung vom Durchschnitt übersteigt 4.0o bis 50o Volt nicht, im Gegensatz
zu der Abweichung von r ooo bis q.000 Volt 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
anderen 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 galvanoplastischem Wege o. dgl. hergestellten überzugs 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.