DE1601432C3

DE1601432C3 - Sliding spark plug

Info

Publication number: DE1601432C3
Application number: DE1601432A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Franciscus Knippenberg; Gregorius Theodorus Maria Neelen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-03-18
Filing date: 1968-02-09
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1159904A; US3522465A; FR1559333A; NL6704095A; BE712371A; DE1601432A1; SE332913B; DE1601432B2; CH477772A

Description

Unter Gleitfunkenzündkerzen werden hier Zündkerzen verstanden, deren Elektroden durch einen Isolieroder Halbleiterkörper voneinander getrennt sind, wobei durch das Anlegen einer Spannung, z. B. mittels einer Kondensatorentladung, zwischen den Elektroden ein Gleitfunken über der Oberfläche des Trennkörpers erzeugt werden kann. Dabei können entweder die Elektroden in einem Abstand voneinander angeordnet sein oder die eine Elektrode kann die andere koaxial umgeben. Auch ist es möglich, daß mehr als zwei Elektroden vorhanden sind.Under sliding spark spark plugs are understood here spark plugs whose electrodes are covered by an insulating or Semiconductor bodies are separated from one another, wherein by applying a voltage, for. B. by means of a Capacitor discharge, between the electrodes a sliding spark over the surface of the separator can be generated. Either the electrodes can be arranged at a distance from one another or one electrode can coaxially surround the other. It is also possible that more than two Electrodes are present.

Solche Gleitfunkenzündkerzen bieten gegenüber normalen Zündkerzen, die an der Funkenbildungsstelle keinen Trennkörper aufweisen, den Vorteil, daß sie bei so niedrigeren Spannungen wirksam sein können. Auch sind sie viel weniger empfindlich gegen Verschrnutzung, wie sie z. B. bei Anwendungen auftreten kann, bei denen flüssige Brennstoffe in Form von Brennstofftropfen verwendet werden oder aus diesen im Betrieb Kohleniederschläge gebildet werden können.Such sliding spark plugs offer compared to normal spark plugs, which at the point of sparking have no separating body, the advantage that they are at so lower voltages can be effective. They are also much less sensitive to pollution, how they z. B. can occur in applications where liquid fuels in the form of fuel droplets can be used or from these coal deposits can be formed in the company.

Gleitfunkenzündkerzen mit einem isolierenden Trennkörper zwischen den Elektroden sind z. B. aus der NL-PS 46 114 bekannt. Dabei wird von dem Umstand Gebrauch gemacht, daß die Ablagerung von Brennstoff- &< > tropfen und Ruß auf dem isolierenden Trennkörper die Bildung von Gleitfunken möglich macht.Slide spark plugs with an insulating separator between the electrodes are z. B. from the NL-PS 46 114 known. Use is made of the fact that the deposition of fuel & < > Drops and soot on the insulating separator make the formation of sliding sparks possible.

Da man diese Ablagerung aber nicht genau beeinflussen kann und für die Gleitfunkenbildung eine gewisse Leitfähigkeit an der Oberfläche des Trennkör- iv> pers notwendig ist, wurden auch, wie in der NL-PS 54 723 beschrieben, isolierende Trennkörper verwendet, die mit dünnen leitenden Schichten aus Kohlenstoff oder Metall, z. B. aufgebrannten Platinschichten, überzogen sind. Solche Schichten, die naturgemäß einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen und daher besonders dünn sein müssen, zeigen sich aber bereits nach kurzzeitigem Betrieb schwer beschädigt, so daß eine betriebssichere Arbeitsweise der Gleitfunkenzündkerze durch diese Maßnahme nicht erreicht wird.Since you cannot influence this deposit exactly and one for the formation of sliding sparks certain conductivity on the surface of the separating body is necessary, insulating separators were also used, as described in NL-PS 54 723, those with thin conductive layers of carbon or metal, e.g. B. burned-on platinum layers, coated are. Those layers that naturally have a high electrical resistance and therefore must be particularly thin, but show themselves to be severely damaged even after brief operation, so that a reliable operation of the sliding spark spark plug is not achieved by this measure.

Dies ist dagegen der Fall bei Verwendung von Trennkörpern, die völlig aus Sinterprodukten eines Gemisches von leitenden und nicht-leitenden Stoffen bestehen, wie dies in der NL-PS 62 644 beschrieben ist. Um das Auftreten von störenden Kriechströmen zwischen den Elektroden über einen solchen Trennkörper zu verhindern, ist es dann aber notwendig, wie in der NL-PS 90 047 beschrieben, die Elektroden über eine große Länge zu isolieren und den elektrischen Kontakt mit den Elektroden nur auf die Oberfläche des Trennkörpers zu beschränken. Dies hat aber den Nachteil, die Herstellung der Gleitfunkenzündkerze wesentlich zu komplizieren.On the other hand, this is the case when using separating bodies that are made entirely of sintered products Mixtures of conductive and non-conductive substances exist, as described in NL-PS 62 644. About the occurrence of disruptive leakage currents between the electrodes via such a separator To prevent it, it is then necessary, as described in NL-PS 90 047, to connect the electrodes via a Insulate great length and make electrical contact with the electrodes only on the surface of the Restrict separating body. However, this has the disadvantage of producing the sliding spark spark plug to complicate considerably.

Sämtliche Trennkörper der oben erwähnten Art haben den Nachteil, daß sie gegen die Funkenwirkung nicht besonders beständig sind. Um.diesen Nachteil zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, die Trennkörper aus hitzebeständigen und chemisch beständigen Materialien, wie Siliziumkarbid und Borkarbid, herzustellen. Nach der DE-PS 8 98 325 wird dazu der Trennkörper aus diesen Stoffen, gegebenenfalls unter Zusatz von keramischen Materialien und Kohlenstoff, gebildet und längere Zeit Temperaturen von 1500⁰C ausgesetzt. Vorzugsweise wird auf dem erhaltenen hochohmigen Sinterprodukt dann noch eine dünne Metallschicht aufgedampft. Eine entscheidende Verbesserung wird auf diese Weise nicht erreicht. 1st der Widerstand des Körpers sehr hoch, so ist das regelmäßige Auftreten von Gleitfunken nur dann gesichert, wenn eine Metallschicht aufgebracht ist. Diese ist aber im Betrieb wenig dauerhaft. Andererseits ist bei einem solchen niedrigen Widerstand des Trennkörpermaterials, daß Gleitfunken gebildet werden können, eine zusätzliche Isolierung der Elektroden, wie in der NL-PS 90 047 beschrieben, notwendig.All separating bodies of the type mentioned above have the disadvantage that they are not particularly resistant to the effect of sparks. In order to eliminate this disadvantage, it has already been proposed to manufacture the separating bodies from heat-resistant and chemically resistant materials, such as silicon carbide and boron carbide. According to DE-PS 8 98 325, the separating body is formed from these substances, optionally with the addition of ceramic materials and carbon, and exposed to ^{temperatures of 1500 ° C. for a prolonged period.} A thin metal layer is then preferably also vapor-deposited on the high-resistance sintered product obtained. A decisive improvement is not achieved in this way. If the resistance of the body is very high, the regular occurrence of sliding sparks is only ensured if a metal layer is applied. However, this is not very permanent in operation. On the other hand, if the resistance of the separating body material is so low that sliding sparks can be formed, additional insulation of the electrodes, as described in NL-PS 90 047, is necessary.

Dieser Nachteil zeigt sich auch bei Verwendung von Halbleiterkörpern auf Basis von Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, die in der FR-PS 12 47 883 beschrieben sind.This disadvantage is also evident when using semiconductor bodies based on silicon carbide and Silicon nitride, which are described in FR-PS 12 47 883.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitfunkenzündkerze zu schaffen, die eine lange Lebensdauer aufweist und bei der zwischen den Elektroden und dem Trennkörper keine zusätzliche Isolierung erforderlich ist.The invention specified in claim 1 is based on the object of providing a sliding spark spark plug create, which has a long service life and where between the electrodes and the separator no additional insulation is required.

Mit der Ausbildung nach der Erfindung wird erreicht, daß der Trennkörper nicht nur besonders beständig gegen Gleitfunkenentladungen ist, so daß eine lange Lebensdauer gewährleistet ist, sondern es kann auch jede zusätzliche Isolierung der Elektroden zum Verhüten von Kriechströmen unterbleiben.With the training according to the invention it is achieved that the separating body is not only particularly resistant against sliding spark discharge, so that a long service life is guaranteed, but it can too any additional insulation of the electrodes to prevent leakage currents is omitted.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous further developments of the invention are described in the subclaims.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird eint Leitfähigkeit der Oberflächenschicht herbeigeführt, d'u sich wenig mit der Temperatur ändert, damit de Widerstand im Betrieb nicht so hoch oder so niedri; wird, daß eine Gleitfunkenentladung unmöglich wird. E kann z. B. durch das Eindiffundieren von Stickstoff ein^ Oberflächenschicht mit einem schwach positiven Tem peraturkoeffizienten des Widerstandes erhalten wei den, während eine Diffusion mit Bor oder Aluminium iWith the embodiment according to claim 2, a conductivity of the surface layer is brought about, d'u changes little with temperature, so that the resistance during operation is not as high or as low; becomes that sliding spark discharge becomes impossible. E can e.g. B. by the diffusion of nitrogen a ^ Surface layer with a slightly positive temperature coefficient of resistance obtained white while a diffusion with boron or aluminum i

niedriger Dosierung eine Schicht mit einem akzeptablen negativen Temperaturkoeffizienten ergibt.low dosage results in a layer with an acceptable negative temperature coefficient.

Für die gute Wirkungsweise der Vorrichtung ist es von Bedeutung, daß die Elektroden in gutem elektrischen Kontakt mit der leitenden Schicht des Trennkörpers stehen.For the good operation of the device it is important that the electrodes are in good electrical condition Be in contact with the conductive layer of the separator.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 3 ergibt sich ein besonders gut haftender Kontakt auf Siliziumkarbid.
'' Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird vermieden, daß sich bei einer Donatoren aufweisenden Oberflächenschicht unerwünschte gleichrichtende Kontakte bilden.With the embodiment according to claim 3, there is a particularly good adhesive contact on silicon carbide.
'' With the embodiment according to claim 4 it is avoided that undesired rectifying contacts are formed in a surface layer having donors.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawing of some exemplary embodiments.

Fig. 1 zeigt schematisch in Ansicht und teilweise im Schnitt eine Ausführungsform einer Gleitfunkenzündkerze nach der Erfindung.Fig. 1 shows schematically in view and partially in section an embodiment of a sliding spark spark plug according to the invention.

Mit 1 und 2 sind zwei koaxiale Elektroden bezeichnet, die durch einen Körper 3 aus hochohmigem Siliziumkarbid getrennt sind. Durch das Eindiffundieren von als Akzeptor oder Donator wirksamen Stoffen ist die Oberflächenschicht 4 des Körpers 3 stromleitend gemacht. Die Schicht 4 steht durch aufgeschmolzene 5! Schichten 5 aus einer Gold-Tantal-Legierung in elektrischem Kontakt mit den Elektroden 1 und 2.With 1 and 2, two coaxial electrodes are designated, which are supported by a body 3 made of high-resistance silicon carbide are separated. Because of the diffusion of substances that act as acceptors or donors, the Surface layer 4 of the body 3 made conductive. The layer 4 stands through melted 5! Layers 5 made of a gold-tantalum alloy in electrical contact with the electrodes 1 and 2.

Für den Trennkörper lassen sich große plattenförmige Kristalle aus reinem Siliziumkarbid verwenden, wie sie gemäß dem Verfahren der US-PS 28 54 364 hergestellt werden können. Dabei können reine Kristalle aus Siliziumkarbid mit einer Oberfläche von 1 cm² und einer Stärke von 1 mm in 5 Stunden durch Rekristallisation und/oder Kondensation in einer Argonatmosphäre in einem durch Siliziumkarbid begrenzten Raum bei einer Temperatur von etwa 2500° C gebildet werden. ^Large plate-shaped crystals made of pure silicon carbide can be used for the separating body, as can be produced according to the method of US Pat. No. 2,854,364. Pure silicon carbide crystals with a surface area of 1 cm ² and a thickness of 1 mm can be formed in 5 hours by recrystallization and / or condensation in an argon atmosphere in a space delimited by silicon carbide at a temperature of around 2500 ° C. ^

Für die Gewinnung der Kristalle kann eine Vorrichtung verwendet werden, die in F i g. 2 schematisch im Schnitt dargestellt ist. In dieser Figur ist mit 6 ein Graphitzylinder bezeichnet, in den ein Zylinder 7 eingesetzt ist, der durch das Sintern von reinem, pulverförmigem Siliziumkarbid hergestellt ist. Das Siliziumkarbid kann durch Pyrolyse von Methylchlorsilan (SiHCl₂CH₃) in Wasserstoff bereitet werden. Der Zylinder wird beiderseits durch Graphitplatten 8 verschlossen. Das Ganze ist in einer Quarzhülle 9 untergebracht, in der eine Argonatmosphäre aufrechterhalten wird. Mittels der Induktionsspule 10 wird auf 2450° C erhitzt, wobei die plattenförmigen reinen Siliziumkarbidkristalle etwa senkrecht zur Wand des Zylinderraumes abgesetzt werden. soFor the recovery of the crystals, a device can be used which is shown in FIG. 2 is shown schematically in section. In this figure, 6 denotes a graphite cylinder, in which a cylinder 7 is inserted, which is produced by sintering pure, powdery silicon carbide. The silicon carbide can be prepared by pyrolysis of methylchlorosilane (SiHCl ₂ CH ₃ ) in hydrogen. The cylinder is closed on both sides by graphite plates 8. The whole is housed in a quartz shell 9 in which an argon atmosphere is maintained. The induction coil 10 is used to heat to 2450 ° C., the plate-shaped pure silicon carbide crystals being deposited approximately perpendicular to the wall of the cylinder space. so

Eine Anzahl dieser Kristalle 11 wird, nachdem sie auf Maß geschliffen worden sind, wie in Fig.3 dargestellt, in einen Graphitbecher 12 eingebracht, wobei die Kristalle mit Hilfe von Siliziumkarbidpulver 13 voneinander getrennt gehalten werden. Anschließend wird auf die Kristallflächen 14 je ein gesintertes Borkarbidplättchen 15 aufgelegt und in Argon auf 2000⁰C erhitzt. Dabei bildet sich durch Eindiffusion eine dünne mit Bor dotierte p-leitende Schicht auf den Flächen 14. Durch das Aufschmelzen von Schichten 16 aus einer Legierung von Gold mit 5 Gew.% Aluminium wird, wie in Fig.4 im Schnitt dargestellt, die leitende Fläche 14 der Kristalle mit ohmschen Kontakten versehen. Die erhaltenen Kristalle können als Trennkörper für zwei nebeneinander angeordnete Elektroden einer Gleitfunkenzündkerze verwendet werden.A number of these crystals 11, after they have been ground to size, as shown in FIG. A sintered boron carbide plate 15 is then placed on each of the crystal surfaces 14 and heated ^{to 2000 ° C. in argon.} A thin p-conductive layer doped with boron is thereby formed on the surfaces 14 by diffusion. By melting layers 16 made of an alloy of gold with 5% by weight of aluminum, the conductive surface becomes, as shown in section in FIG 14 of the crystals are provided with ohmic contacts. The crystals obtained can be used as separators for two electrodes of a sliding spark plug arranged next to one another.

Wird eine Siliziumkarbidhöhlung nach Fig. 2 mit einer Graphitplatte abgedeckt und darin eine Temperatur von 2600°C aufrechterhalten, so bilden sich nur wenige Kristalle auf der Wand, aber auf der Graphitplatte wird eine dicke Schicht aus kompaktem, reinem, hexagonalem Siliziumkarbid abgesetzt. Diese grob polykristalline Platte wird durch 2-stündige Erhitzung bei 2500⁰C in einer Stickstoffatmosphäre an der Oberfläche η-leitend gemacht. Durch Entfernung des Graphitsubstrats und Sägen in Blöckchen können Trennkörper für Gleitfunkenzündkerzen erhalten werden. Die Kontakte können hier gewünschtenfalls durch das Aufschmelzen einer Legierung von Gold mit 5 Gew.% Tantal gebildet werden.If a silicon carbide cavity according to FIG. 2 is covered with a graphite plate and a temperature of 2600 ° C. is maintained therein, only a few crystals form on the wall, but a thick layer of compact, pure, hexagonal silicon carbide is deposited on the graphite plate. This roughly polycrystalline plate is made η-conductive on the surface by heating it for 2 hours at 2500 ^{° C. in a nitrogen atmosphere.} Separating bodies for sliding spark plugs can be obtained by removing the graphite substrate and sawing in blocks. If desired, the contacts can be formed here by melting an alloy of gold with 5% by weight of tantalum.

Sehr dichte zylinderförmige Trennkörper für Gleitfunkenzündkerzen mit koaxialen Elektroden, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind, lassen sich z. B. wie folgt herstellen:Very dense cylindrical separators for sliding spark plugs with coaxial electrodes, as shown in F i g. 1 are shown, z. B. produce as follows:

Ein Karbonstab mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 30 cm wird bei einer Temperatur von 1500⁰C durch Stromdurchgang in einer 2% Methylchlorsilan enthaltenden Strömung von sehr reinem Wasserstoff erhitzt. Bei einer Durchleitungsgeschwindigkeit der Gasströmung von 5 Liter pro Minute wird in 2 Stunden auf dem Karbonstab eine sehr dichte Schicht aus reinem polykristallinen Siliziumkarbid in der Stärke von 1,5 mm abgesetzt. Durch Teilung des Stabs in Stücke von 5 mm und Entfernung des Karbonkerns durch Verbrennung werden zylinderförmige Siliziumkarbidstücke erhalten. Auf die an Hand der Fig.3 beschriebene Weise wird die Oberfläche an einer der Endflächen durch das Eindiffundieren von Bor stromleitend gemacht und anschließend auf der Innen- und Außenseite der Zylinder durch das Aufschmelzen einer Legierung von Gold mit 5 Gew.% Tantal und 5 Gew.% Aluminium die leitende Oberfläche mit Kontakten versehen.A carbon rod with a diameter of 3 mm and a length of 30 cm is ^{heated at a temperature of 1500 °} C. by passing a current in a flow of very pure hydrogen containing 2% methylchlorosilane. At a gas flow rate of 5 liters per minute, a very dense layer of pure polycrystalline silicon carbide 1.5 mm thick is deposited on the carbon rod in 2 hours. By dividing the rod into pieces of 5 mm and removing the carbon core by combustion, cylindrical silicon carbide pieces are obtained. In the manner described with reference to FIG .% Aluminum provide the conductive surface with contacts.

Auch können solche zylinderförmigen Trennkörper in den gewünschten Abmessungen durch das Sintern von Preßkörpern aus feinkörnigem, reinem Siliziumkaxbid hergestellt werden.Such cylindrical separating bodies can also be produced in the desired dimensions by sintering are produced by compacts from fine-grained, pure silicon kaxbide.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Sliding spark spark plug with a high-resistance and very high resistance arranged between the electrodes dense semiconductor body made of silicon carbide, which has a having electrically conductive surface layer, d a characterized in that the semiconductor body consists of pure silicon carbide, which is formed by pyrolytic deposition from vaporous, Compounds containing silicon and carbon are produced on a carbon core, and that the electrical conductivity of the surface layer in the area of the sliding spark discharge gap Diffusion of trivalent acceptors or of 'S-valent donors is effected.

2. Gleitfunkenzündkerze according to claim 1, characterized in that to achieve a The lowest possible temperature dependence of the conductivity of the electrically conductive surface layer Boron or aluminum or nitrogen is used for diffusion.

3. sliding spark spark plug according to claim 1 or 2, characterized in that the current-conducting Surface layer at the contact points to the electrodes made of an alloy of gold and tantalum is contacted.

4. Gleitfunkenzündkerze according to claim 3, characterized in that a donor having electrically conductive surface layer, the alloy consisting of gold and tantalum additionally has acceptors.