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Widerstände für den Zündstromkreis von Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung betrifft Widerstände zum Einbau in den Zündstromkreis von Ver'brennungskraftmaschinen.
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Um die hochfrequenten Schwingungen, die durch die Funkenentladung
im Zündsystem erzeugt werden, zu unterdrücken, werden üblicherweise Widerstände
in den Zündstromkreis einbebaut, .die in manchen Fällen innerhalb der Zündkerze
einen Teil der Mittelelektrode bilden. Für derartige Widerstände ist unter anderem
die Verwendung einer Masse, die neben anderen Zusätzen aus Glas und Kohlenstoff
besteht, vorgeschlagen worden.
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Gemäß .der Erfindung ist die den Widerstand darstellende Masse, die
neben anderen Beimischungen aus dem gesinterten Gemenge von Glas und einem Spezialruß
besteht, in einem keramischen Isoliergehäuse zu beiden Seiten von je einer elektrisch
leitenden Glasabdichtung umgeben und somit gasdicht im Isoliergehäuse eingekittet.
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Der in der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen als Spezialruß
bezeichnete Ruß kann aus Erdgas durch Krackung unter Sauerstoff= ausschluß erhalten
werden. Die Struktur der einzelnen Partikeln ist etwa hantelförmig: kleine, sphärische
Gebilde, -die durch Stäbe verbunden sind. Die besten Ergebnisse konnten bei Verwendung
eines Spezialrußes mit möglichst groben Einze'1-partikeln, etwa von 1,a'3 ,u Größe,
erhalten werden.
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In einer Ausführungsform .der Erfindung stellt der Isolator einer
Zündkerze das keramische Isoliergehäuse dar, und die Widerstandsmasse bildet einen
Teil der Mittelelektrode, während nach einer anderen Ausführungsform das die Isoliermasse
aufnehmende Isoliergehäuse so ausgebildet ist, daß die
Anordnung
in Reihe in ein zu den Zündkerzen führendes Hochspannungskabel eingebaut werden
kann.
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In den Zeichnungen sind beide Ausführungsformen an je einem Beispiel
dargestellt.
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Fig. i ist ein Schnitt durch eine Zündkerze mit eingedichteter Widerstandsmasse;
Fig.2 ist ein Schnitt durch einen Widerstand zum Einbau in ein Stromkabel. -Fig.
i ist ein Schnitt durch eine Zündkerze, wie sie für Flugmotoren verwendet wird.
In einem mit Elektroden 12 versehenen Zündkerzenkörper io ist ein Isolator 14 befestigt,
der in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung das keramische
Isoliergehäuse für die Widerstandsmasse darstellt. Dieser Isolator 14 besteht @vorzugsweise
aus gesinterten Metalloxyden, entweder vollkommen aus Aluminiumoxyd oder aber aus
einem Gemisch von vorwiegend Aluminiumoxyd mit anderen Zusätzen, wie Magnesiumoxyd,
Berylliumoxyd oder geeigneten Silicaten, wie Mullit. Nach Wunsch kann jedoch auch
ein Porzellanisolator Verwendung finden, der vorwiegend aus Mullit, Zirkon i(Zr
Si 04), Zirkonerde oder ähnlichen Substanzen und Glas besteht.
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Der Isolator 14 ist mit der üblichen Mittelbohrung 16 zur .Aufnahme
der Mittelelektrode versehen. Diese Mittelelektrode ;besteht erstens aus dem eigentlichen
Elektrodenteil 18 im untersten Abschnitt der Mittelbohrung, zweitens aus einem elektrisch
leitenden keramischen Verbindungsstück 22. und drittens aus einer oberen Zünd'kabelanschlußklemme
24. Der Elektrodenteil 18 wird aus irgendeinem geeigneten, hochtemperaturbeständigen
Material gefertigt, vorzugsweise aus einer Nickellegierung; er kann zur besseren
Wärmeableitung mit einem Kupferkern versehen werden. Der Elektrodenteil 18 weist
am oberen Ende eine Verbreiterung oder einen Kopf 2o auf, der auf einer Schulter
in der Mittelbohrung 16 des Isolators 14 aufliegt. Die AnSChlußiklemme 2@4 besteht
vorzugsweise aus Stahl. Das keramische Verbindungsstück 22 setzt sich aus einer
unteren Abdichtung 2!6, einer oberen Abdichtung 28 und der dazwischenliegenden Widerstandsmasse
3101 zusammen.
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Die leitenden Abdichtungen 26 und 28 bestehen aus irgendeinem
geeigneten Material mit relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit, das sich sowohl
mit dem keramischen Isolator als auch mit der Widerstandsmasse und den außen anschließend-en
iVIetallteilen fest und dauerhaft verbindet. Vorzugsweise wird hierfür die Mischung
-eines Hartglases mit Kupferpulver verwendet.
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,Die untere Abdichtung 26, die sich während des Betriebes stark
erwärmt, wird vorzugsweise aus einer Mischung von 55 Gewichtsteilen Kupferpulver
und 45 Gewichtsteilen Borsilicatglas unter Zusatz von etwa 30/0 eines .geeigneten
Bindemittels, wie gehärteten Baumwollsamenöls, hergestellt. Die obere, im Betrieb
weniger stark erwärmte Abdichtung 218 besteht :vorzugsweise aus zwei Teilen
28', 28", deren tiefergelegener Teil 2,8' von gleicher Zusammensetzung wie die Abdichtung
26 ist, während für den höhergelegenen Teil 28" neben dem Kupferpulver und dem Bindemittel
eine Glassorte verwendet wird, die bei gleicher Temperatur stärker erweicht als
Borsilicatglas, @vorzugs@ eise wird hierfür ein Blei-Bor-Kieselsäureglas benutzt.
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Die günstigste Zusammensetzung der Widerstandsmasse ist wie folgt:
62,4% Borsilicatglas, 25,2'/o Flußspat (CaF2),7;8% Magnesdumboratglas, 4;6% Spezialruß.
Die Ausgangssubstanzen werden im angegebenen Gewichtsverhältnis zu einem homogenen
Gemenge miteinander vermischt. Dann werden auf ioo Gewichtsteile des Gemenges 4o
Gewichtsteile Wasser zugesetzt und die Masse so weit getrocknet, daß sie gekörnt
und durch ein Sieb mit 64 Maschen/cm2 getrieben werden. kann. Nach vollständiger
Trocknung und abermaligem Sieben unter Verwendung eines Siebes mit gleicher Maschenweite
ist die Substanz .gebrauchsfertig.
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Das Verhältnis der Ausgangssubstanzen kann natürlich je nach -den
vom Endprodukt geforderten Eigenschaften abgeändert -werden. Da die Leitfähigkeit
der Widerstandsmasse dem Gehalt an Spezialruß direkt proportional ist, kann .der
Widerstand durch Erhöhung oder Erniedrigung des Gehaltes an Spezialruß in weiten
Grenzen geändert werden.
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Borsilicatglas ist durch einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und durch Hitzeheständigkeit ausgezeichnet. Das Magnesiumboratglas, das ebenfalls
einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, dient zur Verbesserung der elastischen
Eigenschaften der fertigen Glasmasse, so daß seine Gegenwart der Ausbildung innerer
Spannungen entgegenwirkt. Durch Zusatz von Flußspat läßt sich die Wärmeausdehnung
der fertigen Masse steigern und auf .den gewünschten Betrag bringen.
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Alle nachfolgend angeführten Widerstandswerte sind zur Vereinfachung
auf gleichartig gestaltete Körper gleichen Querschnitts bezogen. Der Widerstand
des Bezugskörpers bei Fertigung aus einer Masse oben angeführter Zusammensetzung
liegt zwischen 6'ä ünd@-i.o@Q-9hm. Zur Erhöhung des Widerstandes kann die Zusammensetzung
der Widerstandsmasse folgendermaßen abgeändert werden
| Ungefährer Widerstand des |
| Zusammensetzung Bezugskörpers |
| soo Ohm 5 ooo Ohm io ooo Ohm |
| Borsilicatglas ...... 63,8 0 ;, 63,5 0 ,, 64,0 0 " |
| Magnesiumboratglas 81o 1' 0 9,0 '" 9,0 0 u |
| Flußspat .......... 25,60.1 o 11,o o " 11100
" |
| Schlämmkreide 15,0 |
| 0 |
| Beryll............. - - @ 15,0 |
| Spezialruß ......... 2,6 0'0 1,5 0." 11o o o |
Die Erhöhung .des Widerstandes beruht auf der Verminderung des Gehalts an Spezialruß.
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Borkarbid und Wolframkarbid können als leitende Materialien zugesetzt
werden. Ein Zusatz beider Karbide scheint den Widerstand gut gegen Änderungen der
Ohmzahl im Laufe des Gebrauchs
zu stabilisieren. Das Wolframkarbi@d
ist durch elementares Bor ersetzbar. Andere, hitzebeständige, elektrisch leitende
Materialien, wie Metallkarbide oder -oxy de mit oder ohne Gehalt an elementarem
Metall, können zur Mischung aus Glas und Spezialruß zugegeben werden, so daß die
fertige Widerstandsmasse je nach den gewünschten Eigenschaften entweder nur aus
Glas und Spezialruß oder aber aus Glas, Spezialruß und anderen Substanzen besteht.
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Zur Herstellung einer Zündkerze gemäß der Erfindung wird der Isolator
in bekannter Weise geformt und bei Temperaturen von 145o bis 175o° C gebrannt, je
nach .dem verwendeten Ausgangsmaterial. Der Einbau und die Eindichtung der 1littelelektrode
im Isolator geschieht etwa folgendermaßen: Nach Einsetzen der Elektrode 18 in die
\T.ittelbohrung 16 wird eine abgemessene Menge der leitenden Abdichtungsmasse aus
Kupferpulver und Borsilicatglas in Pulverform in die :Mittelbohrung eingeführt und
im Raum oberhalb des Kopfes 2o der Elektrode i8 fest zusammengestampft. Etwaige
noch pulverförmige Reste der Abdichtungsmasse werden ausgeblasen, um eine Verschmelzung
mit der nachfolgend zugebrachten Widerstandsmasse zu verhindern. Diese wird dann
in gewünschter Menge auf die gestampfte Abdichtungsmasse aufgebracht und ebenfalls
festgestampft. Darüber kommt eine weitere Lage der pulverförmigen Abdichtungsmasse
aus Kupfer und Borsilicatglas und als letztes eine kleine Menge der leichter schmelzenden
Abdichtungsmasse aus Kupferpulver und Blei-Bor-Kieselsäureglas. Nach Einführung
der oberen Zünd'kabelanschlußklemme 2 4 wird die besamte Anordnung auf etwa 87o°
C erwärmt. Dabei erweichen die eingebrachten Glasmassen, so daß die obere Anschluß'klemme
@24. in .die Mittelbohrung eingedrückt werden kann. ;Durch. die Druckeinwirkung
wird das plastische Material nach unten außen gepreßt und in innige Berührung mit
den umliegenden Teilen gebracht; die leichter schmelzende Abdichtungsmasse aus Kupferpulver
und Blei-Bor-Kieselsäureglas dringt in den Raum zwischen der Wand der lUittelbohrutig
16 und der Anschlußklemme 24 ein und verkittet diese in der Bohrung.
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In Fig. 2 ist die Erfindung am Beispiel eines Widerstandes
35 zum Einbau in ein iHochspannungs-IcAel der Zündvorrichtung .eines Flugmotors
dargestellt.
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Der Widerstand 35 ist von einem mit Kühlrippen versehenen Metallgehäuse
42 umgeben. Dieses an einem Ende mit einem Außengewinde versehene 1Tetallgehäus@e
42 ist in eine Aufsatzplatte 44 eingeschraubt, die wiederum durch Schraubenbolzen
46 am Gehäuse 48 des Verteilers befestigt ist.
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Der Widerstand 35 enthält ein Isoliergehäuse 34 aus gesinterten Metalloxyden
oder aus Porzellan, das dem Zündkerzenisolator i4 der Fig. i entspricht. Das Gehäuse
34 kann jedoch auch aus irgendeinem anderen geeigneten Isolierstoff bestehen, da'
es im Betrieb nicht den hohen thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt
ist wie ein Zündkerzenisolator. Innerhalb des Isoliergehäuses befindet sich eine
fest mit dem Gehäuse verbundene Widerstandsmasse 36 der oben beschriebenen Zusammensetzung.
Diese ist zu beiden Seiten von je einer leitenden Glasabdichtung 38 umgeben, die
infolge der festen und haltbaren Verbindung mit dem Isoliergehäuse, der Widerstandsmasse
und den anschließenden Metalleitungen die Widerstandsmasse gasdicht im Isoliergehäuse
einkitten. Die Glasabdichtungen 38 bestehen aus der gleichen Masse .wie die Glasabdichtungen
26 und 28 der Fig. i. Nach Wunsch kann auch hier der äußere Teil der Glasabdichtungen
38 aus einem Gemisch von Kupferpulver mit einem leichter schmelzenden Glas bestehen,
genauso wie das bei der Glasabdichtung 28" der Fig. i beschrieben worden ist. Die
Glasabdichtungen 38 verkitten gleichzeitig zwei metallene Polklemmen 5o im Isoliergehäuse
34, deren eine mit einem von der Zündspule kommenden Kabel 52 verbunden ist,
während die andere mit einem zum Verteiler führenden Kabel 54 in leitender Verbindung
steht. Durch geeignete, nicht dargestellte Vorrichtungen werden die Kabel in der
in den Zeichnungen gezeigten Lage in leitender Verbindung mit den Polklemmen 5tto
gehalten.
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,Das Verfahren zur Herstellung derartiger Widerstände ist im wesentlichen
gleich dem oben für Zündkerzen beschriebenen Verfahren. Nach Einsetzen einer der
beiden Polklemmen Soi wird erst die pulverförmige Masse der einen Glasabdichtung,
dann die der Widerstandsmasse und zuletzt das Material,der anderen Glasabdichtung
in das Isoliergehäuse eingebracht. Nach Einführung der zweiten Polklemme 5o und
anschließender Erhitzung werden die Polklemmen 5o gegeneinander gedrückt, so daß
sie in die erweichten Glasabdichtungen 38 eindringen und dort festgekittet werden
(Fig. 2). Durch geeignete Anschläge wird erreicht, daß die Widerstandsmasse in der
Mitte des Isoliergehäuses 34 gelagert ist.
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In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Widerstand 35 zum
Zweck einer besseren Wärmeableitung zum Metallgehäuse 42 auf der Außenseite mit
einem Silberüberzug 4o@ zu versehen. Das äußere Gehäuse 42 besteht, wenigstens bei
Verwendung des Widerstandes im Zündsystem eines Kraftfahrzeuges, gewöhnlich aus
Metall, um den Wi,derstan.d und das Zündkabel gegen die Umgebung abzuschirmen und
dadurch Störungen im Radioempfang zu - vermeiden. Selbstverständlich kann ein derartiger
Widerstand aber auch überall dort Verwendung finden, wo ein über ein beträchtliches
Temperaturintervall konstant bleibender Widerstand gebraucht wird.
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Ein Widerstand der Erfindung -weist etliche Vorzüge auf. Infolge der
festen, lückenlosen und gasdichten Verbindung der Widerstandsmasse mit dem Isoliergehäuse
ist die Möglichkeit des Funkenüberschlages auf .der Oberfläche des Widerstandes,
wie .es bei anderen Widerständen bei hoher Belastung zuweilen eintreten kann, vollkommen
ausgeschlossen; die Widerstandsmasse ist durch die elektrisch leitenden, druckfesten
Glasabdichtungen vollkommen gegen Einwirkung umgebender Gase
und
Dämpfe geschützt, und der Widerstandswert ist in weitem Bereich von der Temperatur
unabhängig.
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Der Widerstandswert kann durch Änderung des Gehalts an Spezialruß
verändert werden. Eine Verminderung des Widerstandswertes kann andererseits bei
gleicher Widerstandsmasse durch Druck-oder Temperaturerhöhung während des Zusammenbaus
erreicht werden, da die leitenden Partikeln in den Glasmassen dann in besseren Kontakt
miteinander kommen.
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Obwohl die Verwendung von Glas und auf Grund des 'kleinen Ausdehnungskoeffizienten,
der guten Temperaturbeständigkeit und des relativ tiefen Erweichungspunktes insbesondere
die Verwendung von Borsilicatglas als keramische Komponente der Widerstandsmasse
und des Abdichtungsmaterials vorzuziehen ist, kann in manchen Fällen doch der Gebrauch
eines noch hitzebeständigen Materials angezeigt erscheinen, etwa von gesinterten
Metalloxyden oder gesinterten Gemischen von Metalloxyden und Silicaten. Auf :jeden
Fall sollte die jeweils verwendete, keramische Komponente bei den Temperaturen,
auf .die sich der Widerstand im Betrieb erwärmt, noch nicht erweichen, .da festgestellt
wurde, daß der Widerstandswert in diesem Fall mit der Zeit anwächst.
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Eine Widerstandsmasse der oben beschriebenen Zusammensetzung dehnt
sich bei der Erwärmung etwas weniger aus als ein gewöhnlicher Isolierkörper auf
Aluminiumoxydbas-is. Bei der während der Abkühlung nach dem Zusammenbau eintretenden
Kontraktion werden daher die Widerstandsmasse und genauso die Glasabdichtungen den
zur Verfügung stehenden Raum vollständig erfüllen und die Anordnung haltbar und
druckfest abdichten.