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    公开号:WO1987004017A1
    申请号:PCT/EP1986/000728
    申请日:1986-12-10
    公开日:1987-07-02
    发明作者:Walter Bosshard；Bernd Volle
    申请人:Cerberus Ag；
    IPC主号:H01T1-00
    专利说明:
    [0001] Funkenstrecke, insbesondere zur Verwendung als Vorfunkenstrecke einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors
    [0002] Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit einem gasgefüllten, wenigstens teilweise aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Gehäuse und zwei gegenüberliegenden, elektrisch leitenden Elektroden, zwischen denen bei Ueberschreitung einer bestimmten Zündspannung eine Gasentladung stattfindet, wobei eine der Elektroden die andere Elektrode derart umschliesst, dass ein Entladungsraum zwischen den Elektroden gebildet ist, welcher durch einen ringförmigen Spalt zwischen den beiden Elektroden abgeschlossen ist.
    [0003] Funkenstrecken dieser Art sind beispielsweise aus der GB-A-544 264 bekannt; sie werden insbesondere in Zündanlagen von Verbrennungsmotoren als Vorfunkenstrecken zu den Zündkerzen verwendet. Mit solchen Vorfunkenstrecken soll die Ausbildung einer Bogen- oder Glimmentladung durch eine Zündkerze im Brennraum eines Motors verhindert werden. Statt dessen soll nur eine Durchbruchsentladung bei hoher Spannung, und damit eine optimale Ausnutzung der Energie der Zündfunken erreicht werden. Hierdurch lässt sich nicht nur eine bessere Brennstoffausnützung erreichen, sondern auch eine reduzierte Schadstoffemission, insbesondere von Stickoxiden. Ausserdem lassen sich dadurch auch schwer zündbare Gemische sicher zünden, so dass solche Zündanlagen speziell für umweitschonende Magermotoren brauchbar sind (R. Maly et al, : "Automobil-Industrie", 1978, Nr. 3 , Seiten 37-41).
    [0004] Hierzu ist es erforderlich, dass die Vorfunkenstrecken selbst eine geringe Energieaufnahme haben und der Hauptteil der Energie für die Zündung des Brennstoffgemisches im Motor zur Verfügung steht. Dies bedingt geringe Elektrodenabstände in der Vorfunkenstrecke, führt aber zu relativ grossen Kapazitäten der Funkenstrecke, sofern es nicht gelingt, die Flächen der Elektroden klein zu halten. Die Kapazität der Funkenstrecke sollte deutlich kleiner sein als die der Zündkerze, damit beim Aufbau der Zündspannung der Hauptteil der Ladespannung des Zündkondensators an der Funkenstrecke liegt. Damit wird sichergestellt, dass die Funkenstrecke wunschgemäss vor der Zündkerze ihre Zündspannung erreicht.
    [0005] Weiterhin müssen die Funkenstrecken einer sehr grossen Anzahl von Gasentladungen in der Grössenordnung von Hunderten von Millionen standhalten, ohne ihre Betriebsdaten wesentlich zu verändern, was enge Toleranzen der Zündspannung über eine lange Betriebsdauer mit einer ausserordentlich grossen Anzahl von Gasentladungen zu gewährleisten erforderlich macht.
    [0006] Die aus der GB-A-544 264 vorbekannten Funkenstrecken genüg en den genannten Anforderungen nur im Anfangszustand. Bei längerer Betriebsdauer zeigt sich eine unzulässige Aenderung der Betriebsdaten. Bei anderen vorbekannten Funkenstrecken wird der Entladungsraum nicht wie im vorstehend genannten Beispiel durch eine hülsenförmige Elektrode gebildet, die eine zentrale Elektrode umschliesst. In der EP-A-99 522 ist beispielsweise eine solche Funkenstrecke beschrieben, bei welcher der Entladungsraura von zwei mit ihren flachen Stirnflächen gegenüberstehenden Elektroden und dem elektrisch isolierenden Gehäuse gebildet ist. Der Einsatz solcher Funkenstrecken in Verbrennungsmotoren war jedoch beschränkt. Die Betriebsdaten zeigten für eine allgemeine Verwendung unzulässige Schwankungen und eine ungenügende Stabilität, insbesondere bei längerdauerndem Betrieb.
    [0007] Auch der Versuch, die Merkmale vorbekannter Ueberspannungsableiter zum Schutz von elektrischen Netzen und nachrichtentechnischen Anlagen und Geräten vor sporadisch auftretenden Ueberspannungen auf Funkenstrecken für Verbrennungsmotoren zu übertragen, konnte die bei letzteren auftretenden Probleme nicht lösen. Solche, beispielsweise in der GB-A-1 505 035 beschriebenen Ueberspannungsableiter sind so konstruiert, dass sie lediglich mit Sicherheit auf eine bestimmte Ueberspannung ansprechen und nur wenige, äusserst selten vorkommende Entladungen aushalten müssen, wenn sie nicht ohnehin nach jedem Ansprechen ausgewechselt werden. Eine Einhaltung besonders enger Toleranzen und eine Stabilität der Betriebsdaten bei ausserordentlich zahlreichen Entladungen ist dafür nicht erforderlich. Vorschläge, bei solchen Ueberspannungsableitern den Niederschlag des bei Entladungen zerstäubten Elektrodenmaterials in bestimmten Zonen des Isolator-Gehäuses zu verhindern dienten dazu, die Isolation aufrechtzuerhalten. Bei Funkenstrecken für Verbrennungsmotoren genügen diese Massnahmen jedoch nicht, um die erforderlichen genau definierten Betriebsdaten und eine Stabilität der Zündeigenschaften bei langen Betriebszeiten und ausserordentlich zahlreichen Entladungen zu gewährleisten, was bei Ueberspannungsableitera überhaupt nicht notwendig war.
    [0008] Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Funkenstrecke der eingangs erwähnten Art, insbesondere zur Verwendung als Vorfunkenstrecke einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors, zu schaffen, welche definierte Betriebsdaten, speziell Zündeigenschaften, aufweist, wobei engere Toleranzen als bisher eingehalten werden, die auch bei längerer Betriebsdauer und bei ausserordentlich vitflen Gasentladungen eingehalten werden, so dass die Funkenstrecke auch bei längerem Betrieb in einem Verbrennungsmotor funktionsfähig bleibt.
    [0009] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Elektroden derart gestaltet und angeordnet sind, dass der von den beiden Elektroden gebildete ringförmige Spalt, vom Entladungsraum betrachtet, von elektrisch isolierenden Teilen des Gehäuses weggewandt ist, und die Gasentladung an einer Stelle entfernt vom ringförmigen Spalt stabilisiert ist.
    [0010] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Einhaltung und langzeitige Aufrechterhaltung engerer Toleranzen der Betriebsdaten der Funkenstrecke durch weitgehende Aufrechterhaltung der Isolationseigenschaften der elektrisch isolierenden Gehäuseteile möglich wird. Die Umschliessung des Entladungsraumes durch eine elektrisch leitende Elektrode und die Stabilisierung der Gasentladung entfernt vom ringförmigen Spalt der Entladungsräumes verhindert den Einfluss von Schwankungen und Aenderungen der Isolationseigenschaften des Gehäuses weitgehend. Ausserdem wird ein Niederschlag zerstäubten Elektrodenmaterials, der bei jeder Gasentladung zwangsläufig eintritt, auf dem Gehäuse-Isolator dadurch vermieden , dass der ringförmige Spalt, aus dem das zerstäubte Material austritt, vom Isolator weggewandt ist. Der Niederschlag erfolgt daher auf ohnehin metallisch leitenden Teilen und nicht auf dem Isolator, wo er zu Gleitentladungen und Feldverzerrungen führen würde, so dass eine deutlich verbesserte Langzeitstabilität der Betriebseigenschaften erreicht wird.
    [0011] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gasentladung an einer Stelle entfernt vom ringförmigen Spalt eingeleitet wird und durch die Ausbildung und Anordnung der Elektroden verhindert wird, dass die Gasentladung anschliessend von dieser Stelle wegläuft, wobei diese Stelle, an der die Gasentladung räumlich stabilisiert ist und an der eine Elektrodenzerstäubung auftritt, in grösstmöglicher Entfernung vom ringförmigen Spalt liegt, wo das zerstäubte Material aus dem Entladungsraura austreten kann, und naeh Umlenkung in geringem Masse doch noch auf den Gehäuse-Isolator gelangen könnte.
    [0012] Die Stabilisierung des Entladungsortes kann mit Vorteil durch Aktivierung der Spitze der als Kathode geschalteten zentralen Elektrode erfolgen, beispielsweise durch Ausbildung als Vorratskathode, die eine Substanz niedriger Elektronenaustrittsarbeit enthält. Mit Vorteil sind die Elektroden so gestaltet, dass die Stelle grösster Feldstärke der Aktivierungssubstanz benachbart ist, so dass die Zündung direkt neben dem Ort des folgenden Durchschlagskanals der Entladung erfolgt. Um definierte Zündeigenschaften zu erreichen, können zusätzliche Zündelektroden , Vorionisierung oder feldstabilisierende Mittel von besonderm Vorteil sein. Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    [0013] Figur 1 eine erste Funkenstrecke im Axialschnitt,
    [0014] Figur 2 eine zweite Funkenstrecke im Axialschnitt, und
    [0015] Figur 3 eine dritte Funkenstrecke im Axialschnitt.
    [0016] Bei der in Figur 1 dargestellten Funkenstrecke sind in einem zylinder- oder rohrförmigen Gehäuse 1 aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Keramik, Glas oder Porzellan, an beiden Enden Elektroden 2 und 3 aus elektrisch leitendem Material eingesetzt, vorzugsweise aus gasarmen Metallen, wie Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, in reiner Form, oder als Legierung derselben, wobei die Verbindung mit dem Gehäuse 1 in bekannter Weise, beispielsweise mit einer Metall- Keramik-Verbindung vorgenommen wird.
    [0017] Eine der Elektroden 2 ist als zentrale Elektrode mit einem Stab k und einem Körper 5 ausgebildet, der an seiner Stirnseite eine Aktivierungssubstanz 6 aus einer Substanz niedriger Elektronenaustrittsarbeit trägt, welche die Elektronenemission fördert, beispielsweise eine alkali- oder erdalkalihaltige Substanz.
    [0018] Die andere Elektrode 3 ist asymmetrisch dazu als Haube oder Hülse 7 ausgebildet und derart angeordnet, dass sie die zentrale Elektrode oder deren stabförmiges Teil 4 und den Körper 5 so umschliesst, dass zwischen der Haube 7 und dem Stab 4 nur ein ringförmiger Spalt 8 offenbleibt, mit dem der Innenraum 7 der Haube 7, in dem die Entladung stattfindet, mit dem vom Gehäuse 1 umschlossenen Aussenraum 1 in Verbindung steht. Der ringförmige Spalt 8 zwischen dem Ende 7 der haubenförmigen Elektrode 7 und der stabförmigen Elektrode 4 ist vom Entladungsraum 7 betrachtet der Elektrodenplatte 2 zugewandt, also vom Isolator-Gehäuse 1 weggewandt, so dass das aus dem Spalt 8 austretende zerstäubte Elektrodenmaterial fast vollständig auf der Elektrode 2 niedergeschlagen wird und nicht oder nur in sehr geringem Masse auf den Isolator 1 gelangt. Das äussere Ende 7 der Elektrodenhülse 7 ist etwas eingezogen, so dass hier der Abstand vom Gehäuse 1 grösser ist, als am inneren Teil 72, der mit dem Gehäuse einen so engen Spalt bildet, dass dort praktisch kein Niederschlag hingelangen kann.
    [0019] Das Gehäuse 1 ist mit einem Gas hohen Druckes gefüllt, wie Stickstoff oder Wasserstoff und dergleichen, mit einem Druck von mehreren bar, vorzugsweise über 10 bar, z.B. ca. 20 bar. Mit dem gleichen Ziel können auch Gasgemische aus den erwähnten Gasen mit anderen elektronegativen Gasen, wie SF6 , verschiedene Kohlenwasserstoffe, sowie Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Nach der Gasfüllung wird das Gehäuse 1 mit einem Verschluss 9 in bekannter Weise gasdicht verschlossen» Gasart und Druck sind so gewählt, dass die Funkenstrecke die notwendige Zündspannung, z.B. im Bereich von 20 - 30 kV, besitzt.
    [0020] Die Stirnseite des als Kathode geschalteten Elektrodenkörpers 5 ist mit scharfen Kanten 5 versehen, während die übrigen Kanten der verschiedenen Elektrodenteile abgerundet sind. Dadurch wird mittels Spitzenentladung erreicht, dass die Zündung direkt benachbart zur Stelle erfolgt, wo die emissionsfordernde Substanz 6 angebracht ist, und wo die weitere Entladung stattfindet, Der Ort der Gasentladung ist durch diese Massnahmen festgelegt. Da dieser Ort weit vom Spalt 8 zwischen den Elektroden entfernt ist, wandert das am Entladungsort zerstäubte Elektrodenraaterial kaum bis zum Spalt 8 und kann daher nicht oder nur in sehr beschränktem Masse auf die Innenwand des Gehäuses 1 gelangen. Zusätzlich kann der Austritt der meist positiv geladenen Metallionen aus dem Spalt 8 durch einen negativ aufgeladenen Ring 10, der durch das Gehäuse 1 bis zum Spalt 8 reicht, blockiert werden. Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass bei der gezeigten Anordnung auch der Niederschlag verdampfter Aktivierungsmasse 6 auf die Elektrodenflächen beschränkt bleibt, die weit vom Spalt 8 entfernt sind. Insgesamt zeigt die beschriebene Funkenstrecke eine erheblich bessere Konstanz der Zünd- und Entladungseigenschaften als vorbekannte Funkenstrecken.
    [0021] Die Abmessungen der Funkenstrecke liegen dabei insgesamt im Zentimeter-Bereich und die der Entladungsstrecke im Millimeter-Bereich. Zusammen mit der gewählten Hochdruck- Gasfüllung hat dies zur Folge, dass bei Serienschaltung mit einer Zündkerze die Durchbruchspannung mit Sicherheit bei den gewünschten hohen Werten um 25 kV gehalten wird, bei gezündeter Entladung jedoch nur ein kleiner Teil der Entladungsenergie von der Funkenstrecke verbraucht wird, und der Rest der Energie für die Entladung im Motorbrennraum zur Verfügung steht. Auf diese Weise lassen sich auch recht zündunwillige Brennstoffgemische über längere Betriebszeiten sicher zünden.
    [0022] Figur 2 zeigt eine ähnliche Funkenstrecke mit einem Gehäuse 11 und zwei Elektroden 12 und 13. Die Kathode 12 weist einen zentralen Stab 14 auf, der an seiner Stirnseite 15 einen Aktivierungsvorrat 16 besitzt, d.h. die Elektrode ist als Vorratskathode ausgebildet. Die andere Elektrode 13 weist ein den Kathodenstab 14 umhüllendes zylindrisches Rohr 17 auf, das an seinem offenen Ende 171 mit dem Stab 14 einen ringförmigen Spalt 18 bildet. Da die Gasentladung an der Stelle des Aktivierungsvorrats 16 stabilisiert ist, welche auch hier weit vom Spalt 18 entfernt ist, kann zerstäubtes Elektrodenmaterial, das die Isolation verschlechtern könnte, nicht oder nur in äusserst geringer Menge aus dem Spalt 18 austreten und auf die Innenwand des Gehäuses 11 gelangen. Die Aussenfläche des zylindrischen Elektrodenrohres 17 weist einen oder mehrere Absätze 17 auf, so dass auch hier der Abstand der Elektrode 17 vom Gehäuse 11 am offenen Ende 17 grösser ist als am inneren Teil 172, wo der Abstand der
    [0023] Elektrode vom Gehäuse am kleinsten ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine eventuell an der Gehäuse-Innenwand niedergeschlagene geringe Menge an Material die geringstmögliche Wirkung hat.
    [0024] Auf der Innenwand des Gehäuses 11 kann ein Metallring 31 auf freiem oder vorgewähltem Potential vorgesehen sein, der feldstabilisierend wirkt und zusätzlich eine abschattende Wirkung haben kann. Auch ringförmige Kerben auf der Gehäuse-Innenseite können vorteilhaft sein.
    [0025] Die Gasfüllung ist analog wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbei spiel.. An der rohrförmigen Elektrode 13 ist ein Gasfüllstutzen 19 vorgesehen, der nach erfolgter Gasfüllung verschlossen oder abgequetscht wird, und über dem eine Schutzhaube 20 angebracht wird. Eigenschaften und Funktion dieser Funkenstrecke sind daher anolog dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel.
    [0026] Figur 3 zeigt eine Weiterbildung des in Figur 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles, bei welchem zwecks einer noch grösseren Sicherheit vor Isolationsverschlechterungen bei langer Betriebszeit zwischen der rohrförmigen Elektrode 17 und der Gehäusewand 11 zusätzliche Schikanen 30 vorgesehen sind. Stattdessen oder zusätzlich kann auch die Gehäusewand abschattende Wandelemente aufweisen.
    [0027] Ausserdem fehlt in diesem Beispiel ein Gasfüllstutzen, da die Gasfüllung in an sich bekannter Weise auch direkt beim Zusammenschmelzen des Gehäuses 21 mit den Elektroden 22 und 23 in einer Hochdruckkamraer erfolgen kann.
    [0028] Eine rasche und möglichst genaue Zündung der Gasentladungsstrecke kann auch durch Vorionisierung der Zündstrecke bewirkt werden, beispielsweise mittels an sich bekannter radioaktiver Substanzen in fester Form oder als Beimischung zur Gasfüllung in Gasform, oder aber durch eine Hilfsentladung.
    [0029] Zur Erhöhung der Durchschlagsspannung der Funkenstrecke kann dem Gas in dem Gehäuse ein elektronegatives Gas zugesetzt werden. Dieser Zusatz besteht vortoilhafterweise aus einem Kohlenwasserstoff, einem halogenisierten Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise einem Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff, oder aus Schwefelhexafluorid.
    INTERNATIONALE ANMELDUNG VERÖFFENTLICHT NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT)
    (51) Internationale Patentklassifikation ** (11) Internationale Veröffentlichungsnummer : WO 87/ 0401 H01T 1/00, 1/22 AI (43) Internationales
    Veröffentlichungsdatum : 2. Juli 1987 (02.07.87
    (21) Internationales Aktenzeichen: PCT/EP86/00728 (81) Bestimmungsstaaten: JP, US.
    (22) Internationales Anmeldedatum:
    10. Dezember 1986 (10.12.86) Veröffentlicht
    Mit internationalem Recherchenbericht.
    Vor Ablauf der für Änderungen der Ansprüche zugelas
    (31) Prioritätsaktenzeichen: 25/86-8 senen Frist. Veröffentlichung wird wiederholt falls An derungen eintreffen.
    (32) Prioritätsdatum: 18. Dezember 1985 (18.12.85)
    (33) Prioritätsland: CH
    (71) Anmelder (für alle Bestimmungsstaaten ausser US):
    CERBERUS AG [CH/CH]; CH-8708 Männedorf (CH).
    (72) Erfinder ;und
    (75) Erfinder/Anmelder (nur für US) : BOSSHARD, Walter [CH/CH]; Speerstrasse 10, CH-8640 Rapperswill (CH). VOLLE, Bernd [DE/DE]; Fahrionstrasse 37, D- 7000 Stuttgart 30 (DE).
    (74) Anwalt: TIEMANN, Ulrich; Cerberus AG, CH-8708 Männedorf (CH).
    (54) Title: SPARK GAP, IN PARTICULAR FOR USE AS A PRE-SPARK GAP OF A SPARK PLUG OF AN INTER NAL COMBUSTION ENGINE
    (54) Bezeichnung: FUNKENSTRECKE, INSBESONDERE ZUR VERWENDUNG ALS VORFUNKENSTRECK EINER ZÜNDKERZE EINES VERBRENNUNGSMOTORS
    (57) Abstract
    Spark arrangement for internal combustion engines for achieving a reliable ignition even of a fuel mixture which is very reluctant to ignite, by means of a small-dimension spark gap which is connected in series with a conventional spark plug. With this spark-gap a long-term constancy of operating parameters is achieved for millions of ignitions by the fact that an electrode (17) enve- lopes, in the manner of a sleeve, another electrode (14) so that a discharge space is formed between the electrodes, said space being linked with the casing (1 1) by only a narrow gap (18). The gas discharge is stabilized locally at a point which is as far as possible from the gap (18), for example by means of an emission-promoting activation material (16) of the front face of the inner electrode (14), so that the emergence of disintegrated electrode material from the gap (18) is prevented, as well as its deposition on the wall of the casing, and the operating parameters of the spark gap re- main unchanged. The ignition of the spark gap in the immediate vicinity of the electrode activation material is effected b choosing a suitable geometry for the electrodes and possibly by appropriate pre-ionization.
    (57) Zusammenfassung
    Bei einer Zündanlage für Verbrennungsmotoren wird eine zuverlässige Zündung auch sehr zündunwilliger Brenn stoffgemische durch eine Funkenstrecke kleiner Abmessungen erreicht, die in Serie mit einer üblichen Zündkerze geschal tet ist. Bei dieser Funkenstrecke wird eine Langzeitkonstanz der Betriebsdaten über Millionen von Zündungen dadurch er reicht, dass eine Elektrode (17) die andere Elektrode (14) hülsenförmig umschliesst, so dass zwischen den Elektroden ei Entladungsraum gebildet wird, der nur über einen schmalen Spalt (18) mit dem Gehäuse (1 1) in Verbindung steht. Di Gasentladung wird an einer möglichst weit vom Spalt (18) entfernten Stelle örtlich stabilisiert, beispielsweise durch ein emissionsfördernde Aktivität (16) der Stirnseite der inneren Elektrode ( 14), so dass der Austritt zerstäubten Elektrodenma terials aus dem Spalt (18) und der Niederschlag auf der Gehäusewand verhindert wird und die Betriebsdaten der Funken strecke erhalten bleiben. Die Zündung der Funkenstrecke in der unmittelbaren Nachbarschaft der Elektrodenaktivierun wird durch eine geeignete Geometrie der Elektroden und gegebenenfalls durch gezielte Vorionisierung bewirkt.
    LEDIGLICH ZUR INFORMATION
    Code, die zur Identifizierung von PCT-Vertragsstaaten auf den Kopf bögen der Schriften, die internationale
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    AT Österreich FR Frankreich MR Mauritanien
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    BR Brasilien KP Demokratische Volksrepublik Korea SE Schweden
    CF Zentrale Afrikanische Republik KR Republik Korea SN Senegal
    CG Kongo LI Liechtenstein SU Soviet Union
    CH Schweiz LK Sri Lanka TD Tschad
    CM Kamerun LU Luxemburg TG Togo
    DE Deutschland, Bundesrepublik MC Monaco US Vereinigte Staaten von Amerika
    DK Dänemark MG Madagaskar
    FI Finnland ML Mali
    Funkenstrecke, insbesondere zur Verwendung als Vorfunkenstrecke einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors
    Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit einem gasgefüllten, wenigstens teilweise aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Gehäuse und zwei gegenüberliegenden, elektrisch leitenden Elektroden, zwischen denen bei Ueberschreitung einer bestimmten Zündspannung eine Gasentladung stattfindet, wobei eine der Elektroden die andere Elektrode derart umschliesst, dass ein Entladungsraum zwischen den Elektroden gebildet ist, welcher durch einen ringförmigen Spalt zwischen den beiden Elektroden abgeschlossen ist.
    Funkenstrecken dieser Art sind beispielsweise aus der GB-A-544 264 bekannt; sie werden insbesondere in Zündanlagen von Verbrennungsmotoren als Vorfunkenstrecken zu den Zündkerzen verwendet. Mit solchen Vorfunkenstrecken soll die Ausbildung einer Bogen- oder Glimmentladung durch eine Zündkerze im Brennraum eines Motors verhindert werden. Statt dessen soll nur eine Durchbruchsentladung bei hoher Spannung, und damit eine optimale Ausnutzung der Energie der Zündfunken erreicht werden. Hierdurch lässt sich nicht nur eine bessere Brennstoffausnützung erreichen, sondern auch eine reduzierte Schadstoffemission, insbesondere von Stickoxiden. Ausserdem lassen sich dadurch auch schwer zündbare Gemische sicher zünden, so dass solche Zündanlagen speziell für umweitschonende Magermotoren brauchbar sind (R. Maly et al.: "Automobil-Industrie", 1978, Nr. 3, Seiten 37-41).
    Hierzu ist es erforderlich, dass die Vorfunkenstrecken selbst eine geringe Energieaufnahme haben und der Hauptteil der Energie für die Zündung des Brennstoffgemisches im Motor zur Verfügung steht. Dies bedingt geringe Elektrodenabstände in der Vorfunkenstrecke, führt aber. zu relativ grossen Kapazitäten der Funkenstrecke, sofern es nicht gelingt, die Flächen der Elektroden klein zu halten. Die Kapazität der Funkenstrecke sollte deutlich kleiner sein als die der Zündkerze, damit beim Aufbau der Zündspannung der Hauptteil der LadeSpannung des Zündkondensators an der Funkenstrecke liegt. Damit wird sichergestellt, dass die Funkenstrecke wunschgeraäss vor der Zündkerze ihre Zündspannung erreicht.
    Weiterhin müssen die Funkenstrecken einer sehr grossen Anzahl von Gasentladungen in der Grössenordnung von Hunderten von Millionen standhalten, ohne ihre Betriebsdaten wesentlich zu verändern, was enge Toleranzen der Zündspannung über eine lange Betriebsdauer mit einer ausserordentlich grossen Anzahl von Gasentladungen zu gewährleisten erforderlich macht.
    Die aus der GB-A-544 264 vorbekannten Funkenstrecken genüg en den genannten Anforderungen nur im Anfangszustand. Bei längerer Betriebsdauer zeigt sich eine unzulässige Aenderung der Betriebsdaten. Bei anderen vorbekannten Funkenstrecken wird der Entladungsraum nicht wie im vorstehend genannten Beispiel durch eine hülsenförraige Elektrode gebildet, die eine zentrale Elektrode umschliesst. In der EP-A-99 522 ist beispielsweise eine solche Funkenstrecke beschrieben, bei welcher der Entladungsraum von zwei mit ihren flachen Stirnflächen gegenüberstehenden Elektroden und dem elektrisch isolierenden Gehäuse gebildet ist. Der Einsatz solcher Funkenstrecken in Verbrennungsmotoren war jedoch beschränkt. Die Betriebsdaten zeigten für eine allgemeine Verwendung unzulässige Schwankungen und eine ungenügende Stabilität, insbesondere bei längerdauerndem Betrieb.
    Auch der Versuch, die Merkmale vorbekannter Ueberspannungsableiter zum Schutz von elektrischen Netzen und nachrichtentechnisehen Anlagen und Geräten vor sporadisch auftretenden Ueberspannungen auf Funkenstrecken für Verbrennungsmotoren zu übertragen, konnte die bei letzteren auftretenden Probleme nicht lösen. Solche, beispielsweise in der GB-A-1 505 035 beschriebenen Ueberspannungsableiter sind so konstruiert, dass sie lediglich mit Sicherheit auf eine bestimmte Ueberspannung ansprechen und nur wenige, äusserst selten vorkommende Entladungen aushalten müssen, wenn sie nicht ohnehin nach jedem Ansprechen ausgewechselt werden. Eine Einhaltung besonders enger Toleranzen und eine Stabilität der Betriebsdaten bei ausserordentlich zahlreichen Entladungen ist dafür nicht erforderlich. Vorschläge, bei solchen Ueberspannungsableitern den Niederschlag des bei Entladungen zerstäubten Elektrodenmaterials in bestimmten Zonen des Isolator-Gehäuses zu verhindern dienten dazu, die Isolation aufrechtzuerhalten. Bei Funkenstrecken für Verbrennungsmotoren genügen diese Massnahmen jedoch nicht, um die erforderlichen genau definierten Betriebsdaten und eine Stabilität der Zündeigenschaften bei langen Betriebszeiten und ausserordentlich zahlreichen Entladungen zu gewährleisten, was bei Ueberspannungsableitera überhaupt nicht notwendig war.
    Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Funkenstrecke der eingangs erwähnten Art, insbesondere zur Verwendung als Vorfunkenstrecke einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors, zu schaffen, welche definierte Betriebsdaten, speziell Zündeigenschaften, aufweist, wobei engere Toleranzen als bisher eingehalten werden, die auch bei längerer Betriebsdauer und bei ausserordentlich vielen Gasentladungen eingehalten werden, so dass die Funkenstrecke auch bei längerem Betrieb in einem Verbrennungsmotor funktionsfähig bleibt.
    Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Elektroden derart gestaltet und angeordnet sind, dass der von den beiden Elektroden gebildete ringförmige Spalt, vom Entladungsraum betrachtet, von elektrisch isolierenden Teilen des Gehäuses weggewandt ist, und die Gasentladung an einer Stelle entfernt vom ringförmigen Spalt stabilisiert ist.
    Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Einhaltung und langzeitige Aufrechterhaltung engerer Toleranzen der Betriebsdaten der Funkenstrecke durch weitgehende Aufrechterhaltung der Isolationseigenschaften der elektrisch isolierenden Gehäuseteile möglich wird. Die Umschliessung des Entladungsraumes durch eine elektrisch leitende Elektrode und die Stabilisierung der Gasentladung entfernt vom ringförmigen Spalt des Entladungsräumes verhindert den Einfluss von Schwankungen und Aenderungen der Isolationseigenschaften des Gehäuses weitgehend. Ausserdem wird ein Niederschlag zerstäubten Elektrodenmaterials, der bei jeder Gasentladung zwangsläufig eintritt, auf dem Gehäuse-Isolator dadurch vermieden , dass der ringförmige Spalt, aus dem das zerstäubte Material austritt, vom Isolator weggewandt ist. Der Niederschlag erfolgt daher auf ohnehin metallisch leitenden Teilen und nicht auf dem Isolator, wo er zu Gleitentladungen und Feldverzerrungen führen würde, so dass eine deutlich verbesserte Langzeitstabilität der Betriebseigenschaften erreicht wird.
    Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gasentladung an einer Stelle entfernt vom ringförmigen Spalt eingeleitet wird und durch die Ausbildung und Anordnung der Elektroden verhindert wird, dass die Gasentladung anschliessend von dieser Stelle wegläuft, wobei diese Stelle, an der die Gasentladung räumlich stabilisiert ist und an der eine Elektrodenzerstäubung auftritt, in grösstmöglicher Entfernung vom ringförmigen Spalt liegt, wo das zerstäubte Material aus dem Entladungsraum austreten kann, und nach Uralenkung in geringem Masse doch noch auf den Gehäuse-Isolator gelangen könnte.
    Die Stabilisierung des Entladungsortes kann mit Vorteil durch Aktivierung der Spitze der als Kathode geschalteten zentralen Elektrode erfolgen, beispielsweise durch Ausbildung als Vorratskathode, die eine Substanz niedriger Elektronenaustrittsarbeit enthält. Mit Vorteil sind die Elektroden so gestaltet, dass die Stelle grösster Feldstärke der Aktiv!erungssubstanz benachbart ist, so dass die Zündung direkt neben dem Ort des folgenden Durchschlagskanals der Entladung erfolgt. Um definierte Zündeigenschaften zu erreichen, können zusätzliche Zündelektroden, Vorionisierung oder feldstabilisierende Mittel von besondern. Vorteil sein. Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    Figur 1 eine erste Funkenstrecke im Axialschnitt,
    Figur 2 eine zweite Funkenstrecke im Axialschnitt, und
    Figur 3 eine dritte Funkenstrecke im Axialschnitt.
    Bei der in Figur 1 dargestellten Funkenstrecke sind in einem zylinder- oder rohrförmigen Gehäuse 1 aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Keramik, Glas oder Porzellan, an beiden Enden Elektroden 2 und 3 aus elektrisch leitendem Material eingesetzt, vorzugsweise aus gasarmen Metallen, wie Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, in reiner Form, oder als Legierung derselben, wobei die Verbindung mit dem Gehäuse 1 in bekannter Weise, beispielsweise mit einer Metall-Keramik-Verbindung vorgenommen wird.
    Eine der Elektroden 2 ist als zentrale Elektrode mit einem Stab 4 und einem Körper 5 ausgebildet, der an seiner Stirnseite eine Aktivierungssubstanz 6 aus einer Substanz niedriger Elektronenaustrittsarbeit trägt, welche die Elektronenemission fördert, beispielsweise eine alkali- oder erdalkalihaltige Substanz.
    Die andere Elektrode 3 ist asymmetrisch dazu als Haube oder Hülse 7 ausgebildet und derart angeordnet, dass sie die zentrale Elektrode oder deren stabförmiges Teil 4 und den Körper 5 so umschliesst, dass zwischen der Haube 7 und dem Stab 4 nur ein ringförmiger Spalt 8 offenbleibt, mit dem der Innenraum 7 der Haube 7, in dem die Entladung stattfindet, mit dem vom Gehäuse 1 umschlossenen Aussenraum 1 in Verbindung steht. Der ringförmige Spalt 8 zwischen dem Ende 7 der haubenförmigen Elektrode 7 und der stabförmigen Elektrode h ist vom Entladungsraum 7 betrachtet der Elektrodenplatte 2 zugewandt, also vom Isolator-Gehäuse 1 weggewandt, so dass das aus dem Spalt 8 austretende zerstäubte Elektrodenmaterial fast vollständig auf der Elektrode 2 niedergeschlagen wird und nicht oder nur in sehr geringem Masse auf den Isolator 1 gelangt. Das äussere Ende 7 der Elektrodenhülse 7 ist etwas eingezogen, so dass hier der Abstand vom Gehäuse 1 grösser ist, als am inneren Teil 72, der mit dem Gehäuse einen so engen Spalt bildet, dass dort praktisch kein Niederschlag hingelangen kann.
    Das Gehäuse 1 ist mit einem Gas hohen Druckes gefüllt, wie Stickstoff oder Wasserstoff und dergleichen, mit einem Druck von mehreren bar, vorzugsweise über 10 bar, z.B. ca. 20 bar. Mit dem gleichen Ziel können auch Gasgemische aus den erwähnten Gasen mit anderen elektronegativen Gasen, wie SF6 , verschiedene Kohlenwasserstoffe, sowie Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Nach der Gasfüllung wird das Gehäuse 1 mit einem Verschluss 9 in bekannter Weise gasdicht verschlossen. Gasart und Druck sind so gewählt, dass die Funkenstrecke die notwendige Zündspannung, z.B. im Bereich von 20 - 30 kV, besitzt.
    Die Stirnseite des als Kathode geschalteten Elektrodenkörpers 5 ist mit scharfen Kanten 5 versehen, während die übrigen Kanten der verschiedenen Elektrodenteile abgerundet sind. Dadurch wird mittels Spitzenentladung erreicht, dass die Zündung direkt benachbart zur Stelle erfolgt, wo die emissionsfördernde Substanz 6 angebracht ist, und wo die weitere Entladung stattfindet, Der Ort der Gasentladung ist durch diese Massnahmen festgelegt. Da dieser Ort weit vom Spalt 8 zwischen den Elektroden entfernt ist, wandert das am Entladungsort zerstäubte Elektrodenmaterial kaum bis zum Spalt 8 und kann daher nicht oder nur in sehr beschränktem Masse auf die Innenwand des Gehäuses 1 gelangen. Zusätzlich kann der Austritt der meist positiv geladenen Metallionen aus dem Spalt 8 durch einen negativ aufgeladenen Ring 10, der durch das Gehäuse 1 bis zum Spalt 8 reicht, blockiert werden. Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass bei der gezeigten Anordnung auch der Niederschlag verdampfter Aktivierungsmasse 6 auf die Elektrodenflächen beschränkt bleibt, die weit vom Spalt 8 entfernt sind. Insgesamt zeigt die beschriebene Funkenstrecke eine erheblich bessere Konstanz der Zünd- und Entladungseigenschaften als vorbekannte Funkenstrecken.
    Die Abmessungen der Funkenstrecke liegen dabei insgesamt im Zentimeter-Bereich und die der Entladungsstrecke im Millimeter-Bereich. Zusammen mit der gewählten Hochdiruck-Gasfüllung hat dies zur Folge, dass bei Serienschaltung mit einer Zündkerze die Durchbruchspannung mit Sicherheit bei den gewünschten hohen Werten um 25 kV gehalten wird, bei gezündeter Entladung jedoch nur ein kleiner Teil der Entladungsenergie von der Funkenstrecke verbraucht wird, und der Rest der Energie für die Entladung im Motorbrennraum zur Verfügung steht. Auf diese Weise lassen sich auch reoht zündunwillige Brennstoffgemische über längere Betriebszeiten sicher zünden.
    Figur 2 zeigt eine ähnliche Funkenstrecke mit einem Gehäuse 11 und zwei Elektroden 12 und 13. Die Kathode 12 weist einen zentralen Stab 14 auf, der an seiner Stirnseite 15 einen Aktivierungsvorrat 16 besi tzt , d.h . die Elektrode ist als Vorratskathode ausgebildet. Die andere Elektrode 13 weist ein den Kathodenstab 14 umhüllendes zylindrisches Rohr 17 auf, das an seinem offenen Ende 171 mit dem Stab 14 einen ringförmigen Spalt 18 bildet. Da die Gasentladung an der Stelle des Aktivierungsvorrats 16 stabilisiert ist, welche auch hier weit vom Spalt 18 entfernt ist, kann zerstäubtes Elektrodenmaterial, das die Isolation verschlechtern könnte, nicht oder nur in äusserst geringer Menge aus dem Spalt 18 austreten und auf die Innenwand des Gehäuses 11 gelangen. Die Aussenfläche des zylindrischen Elektrodenrohres 17 weist einen oder mehrere Absätze 17 auf, so dass auch hier der Abstand der Elektrode 17 vom Gehäuse 11 am offenen Ende 17 grösser ist als am inneren Teil 172, wo der Abstand der
    Elektrode vom Gehäuse am kleinsten ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine eventuell an der Gehäuse-Innenwand niedergeschlagene geringe Menge an Material die geringstmögliche Wirkung hat.
    Auf der Innenwand des Gehäuses 11 kann ein Metallring 31 auf freiem oder vorgewähltem Potential vorgesehen sein, der feldstabilisierend wirkt und zusätzlich eine abschattende Wirkung haben kann. Auch ringförmige Kerben auf der Gehäuse-Innenseite können vorteilhaft sein.
    Die Gasfüllung ist analog wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbei spiel. An der rohrförmigen Elektrode 13 ist ein Gasfüllstutzen 19 vorgesehen, der nach erfolgter Gasfüllung verschlossen oder abgequetscht wird, und über dem eine Schutzhaube 20 angebracht wird. Eigenschaften und Funktion dieser Funkenstrecke sind daher anolog dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel.
    Figur 3 zeigt eine Weiterbildung des in Figur 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles, bei welchem zwecks einer noch grösseren Sicherheit vor Isolationsverschlechterungen bei langer Betriebszeit zwischen der rohrförmigen Elektrode 17 und der Gehäusewand 11 zusätzliche Schikanen 30 vorgesehen sind. Stattdessen oder zusätzlich kann auch die Gehäusewand abschattende Wandelemente aufweisen.
    Ausserdem fehlt in diesem Beispiel ein Gasfüllstutzen, da die Gasfüllung in an sich bekannter Weise auch direkt beim Zusammenschmelzen des Gehäuses 21 mit den Elektroden 22 und 23 in einer Hochdruckkammer erfolgen kann.
    Eine rasche und möglichst genaue Zündung der Gasentladungsstrecke kann auch durch Vorionisierung der Zündstrecke bewirkt worden, beispielsweise mittels an sich bekannter radioaktiver Substanzen in fester Form oder als Beimischung zur Gasfüllung in Gasform, oder aber durch eine Hilfsentladung.
    Zur Erhöhung der Durchschlagespannung der Funkenstrecke kann dem Gas in dem Gehäuse ein elektronegatives Gas zugesetzt werden. Dieser Zusatz besteht vorteilhafterweise aus einem Kohlenwasserstoff, einem halogenisierten Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise einem Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff, oder aus Schwefelhexafluorid.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Funkenstrecke, insbesondere zur Verwendung als Vorfunkenstrecke einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors, mit einem gasgefüllten, wenigstens teilweise aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Gehäuse (1, 11, 21 ) und zwei gegenüberliegenden elektrisch leitenden Elektroden (2, 3, 12, 13, 22, 23), zwischen denen bei Ueberschreitung einer bestimmten Zündspannung eine Gasentladung stattfindet, wobei eine der Elektroden (7, 17) die andere Elektrode (4, 5, 14) derart umschliesst, dass ein Entladungsraum (70) zwischen den Elektroden gebildet ist, welcher durch einen ringförmigen Spalt (8, 18) zwischen den beiden Elektroden abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ( 4 , 5, 7, 14, 17) derart gestaltet und angeordnet sind, dass der von den beiden Elektroden gebildete ringförmige Spalt (8, 18), vom Entladungsraum (70) betrachtet, von elektrisch isolierenden Teilen des Gehäuses (1, 11, 21) weggewandt ist, und die Gasentladung an einer Stelle (5, 6, 15, 16) entfernt vom ringförmigen Spalt (8, 18) stabilisiert ist.
    2. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode (7. 17) in ein Ende (3) des rohrförmig ausgebildeten Gehäuses (1, 11, 21) eingestzt ist und einen inneren Hohlraum (70) aufweist, in welchen die andere, in das entgegengesetzte Ende (2) des Gehäuses (1, 11, 21) eingesetzte Elektrode (4, 14 ) hineinragt, so dass ein ringförmiger Spalt (8, 18) gebildet wird.
    3. Funkenstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode (17) ein Rohr mit zylindrischer Innenfläche aufweist, und die andere Elektrode (14) eine zylindrische Aussenfläche mit kleinerem Durchmesser als dem der Innenfläche des Rohres besitzt.
    4. Funkenstrecke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche der einen inneren Hohlraum aufweisenden Elektrode (7, 17) an ihrem äusseren Teil (71, 171) einen grösseren Abstand vom isolierenden Teil des Gehäuses (1, 11, 21) aufweist, als ihr innerer Teil (72, 172).
    5. Funkenstrecke nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche der einen inneren Hohlraum aufweisenden Elektrode (7, 17) wenigstens einen Absatz (170) aufweist.
    6. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (4, 5, 7, 14, 17) im Inneren des Entladungsraumes (70) und entfernt vom ringförmigen Spalt (8, 18) mit einer die Elektronenemission fördernden Substanz (6, 16) versehen ist.
    7. Funkenstrecke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die emissionsfördernde Substanz (6, 16) als Vorrat in einer Ausnehmung an der Spitze der umschlossenen Elektrode (5, 14) angebracht ist.
    8. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5, 7, 14, 17) so ausgebildet und angeordnet sind, dass die maximale elektrische Feldstärke im Entladungsraum (70) entfernt vom ringförmigen Spalt (8, 18), vorzugsweise in der Nachbarschaft einer die Elektronenemission fördernden Substanz (6, 16) herrscht.
    9. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des ringförmigen Spaltes (8, 18) elektrisch leitende Mittel (10, 31) zur Feldstabilisierung vorgesehen sind.
    10. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Spalt (18) und Gehäuse (21 ) Schikanen (3θ) oder Abschirmungen zum Auffangen zerstäubten Elektrodenmaterials vorgesehen sind.
    11. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladungsraum ( 70 ) Mittel zur Vorionisierung, z.B. in der Form von radioaktiven Substanzen oder einer Hilfsentladung vorgesehen sind»
    12. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1, 11, 21) mit Stickstoff, Wasserstoff, oder einem wenigstens eines dieser Gase enthaltenden Gasgemisch gefüllt ist.
    13. Funkenstrecke nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Gehäuse (1, 11, 21) einen Zusatz wenigstens eines elektronegativen Gases, vorzugsweise eines Kohlenwasserstoffes, eines halogenisierten Kohlenwasserstoffes oder von Schwefelhexafluorid, enthält.
    14. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Gases im Gehäuse (l, 11, 2l) mindestens 10 bar beträgt.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0229303A1|1987-07-22|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1987-07-02| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
    1987-10-08| WR| Later publication of a revised version of an international search report|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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