[0001] 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.
[0002] 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 umweltschonende Magermotoren brauchbar
sind (R. Maly et al. : "Automobil-Industrie", 1978, Nr. 3, Seiten 37-41).
[0003] 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,
[0004] 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 genügen den genannten Anforderungen
nur im Anfangszustand. Bei längerer Betriebsdauer zeigt sich eine unzulässige Aenderung
der Betriebsdaten.
[0007] 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 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.
[0008] Auch der Versuch, die Merkmale vorbekannter Ueberspannungableiter 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 Ueberspannungsableitern überhaupt nicht notwendig ware
[0009] 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 aussorordentlich vielen Gasentladungen eingehalten werden, so dass die Funkenstrecke
auch bei längerem Betrieb in einem Verbrennungsmotor funktionsfähig bleibt.
[0010] 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,
[0011] 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 Umsohliessung des Entladungsraumes durch eine elektrisch leitende
Elektrode und die Stabilisierung der Gasentladung entfernt vom ringförmigen Spalt
des Entladungsraumes 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.
[0012] 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 Umlenkung in geringem Masse doch noch
auf den Gehäuse-Isolator gelangen könnte.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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 MetallKeramik-Verbindung vorgenommen wird.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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,
das& 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 SF
6, 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 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.
[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 17 1 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.
[0023] 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.
[0024] Die Gasfüllung ist analog wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel. 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] Zur Erhöhung der Durchschlagsspannung 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-ChlorKohlenwasserstoff, oder aus Schwefelhexafluorid.
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 (7°)
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 (7 ) 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 (7°) 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.
30 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 (17°)
aufweist.
6. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens
eine Elektrode (4, 5, 7, 14, 17) im Inneren des Entladungsraumes (7°) 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 (7°) 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 (30) oder Abschirmungen zum Auffangen zerstäubten
Elektrodenmaterials vorgesehen sind.
11. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass im
Entladungsraum (7°) 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 (1, 11, 21) mindestens 10 bar beträgt.