DE3149676A1

DE3149676A1 - Zuendvorrichtung

Info

Publication number: DE3149676A1
Application number: DE19813149676
Authority: DE
Inventors: Jonathan Wayne Birmingham Mich. Hinton; jun. Paul Edward Royal Oak Mich. Rempes; Nolan Arthur Toledo Ohio Ryan
Original assignee: Champion Spark Plug Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1981-12-15
Publication date: 1982-11-18
Also published as: AU545056B2; BE891667A; AU7965882A; JPH0374491U; IT8219847A0; FR2504745A1; GB2097469B; MX157006A; SE8107635L; NL8201670A; BR8202241A; IT1149685B; JPS57180887A; FR2504745B1; GB2097469A; CA1198331A; CH654956A5

Description

Patentanwälte

Dr. rer. car. Tlioznaa Berendt

Br.-Jog. Kaηs Leyb Innere Wiener Str. 20 - D 8C00 München 80

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

CHAMPION SPARK PLUG COMPANY
900 Upton Avenue
Toledo, Ohio, U.S.A.

Zündvorrichtung

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Champion Spark Plug Company

• Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren. Sie betrifft insbesondere'eine Zündvorrichtung des Hochenergie-Typs. Im Betrieb, z.B. bei einem Düsenmotor,.wird eine Zündvorrichtung mittels einer Kondensatorentladung gezündet, entweder mit Hochspannung oder mit Niederspannung. Die Zündentladung von Hochspannungszündvorrichtungen erfolgt gewöhnlich längs einer Fläche eines dielektrischen Keramikkörpers, die angrenzend an einen Zündspalt oder an eine Funkenstrecke zwischen einer Mittenelektrode und einer geerdeten Elektrode liegt. Die Hochspannung liegt gewöhnlich im Bereich von 10.000 bis 30:000. Volt und sie ist erforderlich zur Ionisierung der Zündstrecke _y damit die Zündvorrichtung sich entladen kann. .

Zündvorrichtungen mit Niederspannungs-Zündsystemen, die im Bereich von 200-5.000 Volt liegen, haben eine elektrisch halbleitende Oberfläche benachbart zu der Funkenstrecke zwischen einer Mittel elektrode und einer geerdeten Elektrode. Es wurde gefunden, daß bei einer Zündvorrichtung mit einer halbleitenden Fläche die erforderliche Spannung zur Erzeugung des Zündfunkens oder der Zündentladung reduziert wird im Vergleich zu einer Zündvorrichtung, bei der an dieser Stelle ein Isolator verwendet wird.

Sowohl bei einer Hochspannungszündvorrichtung, wie auch bei einer Niederspannungszündvorrichtung wird ein zuvor aufgeladener Kondensator entladen wenn der Funke zwischen der geerdeten Elektrode und der Mittelelektrode überspringt. Die Entladung des Kondensators führt zu einem Zündfunken hoher Energie, beispielsweise bis etwa 20 Joule.

Verschiedene halbleitende und isolierende Materialien wurden bisher bei Zündanlagen für Niederspannung und für Hochspannung verwendet. Beispielsweise zeigt das US-Patent 3 558 959 eine Niederspannungs-

Zündvorrichtung, die Halbleiterkörper verwendet, die aus heißverpreßten Mischungen aus Tonerde und Siliciumkarbid bestehen. Es wurde ferner vorgeschlagen, Halbleiter, die sich für Niederspannungsanwendungen eignen, durch Pressen eines Körpers zu erzeugen, der aus einem Gemisch aus Siliciumkarbid und Aluminiumsilikat besteht, wobei dieser Körper in Siliciumkarbid-Partikel eingebettet und gebrannt wird (US-Patente 3 376 367 und 3 573 231). Auch das US-Patent 3 968 057 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines tonerdegebundenen SiIiciumkarbid-Halbleiters zur Verwendung mit hochenergetischen Niederspannungs-Zündsystemen, und das US-Patent 4 120 beschreibt einen verbesserten Siliciumkarbid-Halbleiter, der eine elektrisch nicht-leitende Glas-Bindungsphase hat.

Siliciumnitridgebundene Siliciumkarbid-Halbleiter zur Verwendung in Niederspannungs-Zündanlagen sind in dem US-Patent 3 052 814 beschrieben. Nach diesem Patent sind Zündeinrichtungen mit einem Siliciumkarbid-Halbleiterkörper,, der mit Siliciumnitrid gebunden ist, besser in der Lage, Druckkräften, extremen Temperaturen, Schwingungen und Zündfunkenerosion zu widerstehen, die im Betrieb in einer Verbrennungskammer auftreten, als Zündanlagen, die Materialien der vorher verwendeten Art verwenden. Die Verwendung von Halbleiterkörpern aus einem nitrierten Gemisch aus Silicium und Siliciumkarbid führte zu einer Reduzierung der Probleme hinsichtlich hoher Porosität, niedriger Druckfestigkeit, geringem Widerstand gegen Funkenerosion und chemischer Veränderung der Verbrennungskammer (mit hieraus resultierender Veränderung der elektrischen Eigenschaften), die bei Halbleitern in Zündanlagen der vorherigen Art aufgetreten waren.

Verfahren zur Erzeugung von geformten Siliciumnitrid-Körpern aus Silicium sind in dem Britischen Patent Nr. 717 555 beschrieben. Die reaktions-gebundenen Siliciumnitrid-Körper, die so erzeugt werden, gelten als widerstandsfähig gegen Wärmeschocks, sie sollen eine hohe mechanische Festigkeit und einen hohen Widerstand gegen Oxidation und chemische Angriffe haben. Auch die dielektrischen Eigenschaften von Siliciumnitrid-Körpern, die nach diesem Patent hergestellt werden,

sollen ähnlich denjenigen aus Tonerde bzw. Aluminiumoxid sein. In dem Britischen Patent wird ferner vorgeschlagen, die Siliciumnitrid-Körper auch dort zu verwenden, wo hohe Temperaturen auftreten, z.B. in Verbrennungskammern von Düsenmotoren, Auskleidungen von Abgasdüsen, Raketen-Verbrennungskammern und Abgasdüsen, sowie in Zündkerzen.

Obwohl viele Materialien für Zündvorrichtungen vorgeschlagen wurden, die unter hohen Beanspruchungen arbeiten (US-Patente 2 684 665, 2 786 158, 3 344 304 und 3 558 959), ist die Verwendung von Siliciumnitrid oder Siliciumnitrid gemischt mit anderen Materialien für die Oberflächen von Isolatoren, die benachbart zum Zündspalt von Zündanlagen liegen, die mit Hochspannung gezündet werden und eine hohe Energie haben, bisher nicht vorgeschlagen worden. Solche Zündvorrichtungen unterliegen sehr strengen thermischen, mechanischen und elektrischen Beanspruchungen im Betrieb, z.B. in Düsenmotoren und anderen Brennkraft-Maschinen. Bisher in solchen Zündvorrichtungen verwendete Isolatoren wurden aus Tonerde und Berylliumoxid hergestellt, aus denen keramische Körper geformt wurden, die elektrische Isolatoren bildeten und die angrenzend an das Zündende einer Zündanlage hoher Energie angeordnet waren. Isolatoren aus Tonerde bzw. Aluminiumoxid unterliegen jedoch einer starken Funkenerosion und einer Verschlechterung des Betriebsverhaltens infolge thermischer Schocks, während Berylliumoxid, obwohl Isolatoren aus diesem Material widerstandsfähiger gegen thermische Schocks sind, für Menschen toxisch wirkt und daher für die Herstellung von Zündanlagen nicht verwendet werden sollte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündeinrichtung hoher Energie für Brennkraftmaschinen, insbesondere auch für Düsenmotoren, zu schaffen.

Eine Zündvorrichtung dieser Art kann hergestellt werden unter Verwendung eines Isolatorkörpers, der aus im wesentlichen reinem Siliciumnitrid oder einem Material auf Siliciumnitrid-Basis besteht, wobei dieser Körper

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eine Oberfläche haben kann,längs welche"bei der Entladung ein Zündfunken zwischen einer Mittelelektrode und einer geerdeten Elektrode läuft.

Es wurde festgestellt, daß Zündvorrichtungen hoher Energie mit geeignet geformten Körpern, die einen wesentlichen Anteil von Siliciumnitrid haben und geeignet im Gehäuse der Zündvorrichtung angeordnet sind, eine höhere Standfestigkeit unter strengen Betriebsbedingungen haben, wie z.B. bei Düsenmotoren, in welchen die Zündvorrichtungen strengen thermischen, mechanischen und elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Die thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Isolatorkörpern aus Siliciumnitrid-Materialien geben diesen Isolatoren nicht nur größeren Widerstand gegenüber Funkenerosion und thermischen Schocks, als Isolatoren aus Tonerde, sondern auch unerwarteterweise die Eigenschaften und das Betriebsverhalten von Isolatoren aus Berylliumoxid, ohne jedoch deren toxische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Die erfindungsgemäßen Zündvorrichtungen, die Siliciumnitrid verwenden, können daher ohne Gefahren für die menschliche Gesundheit verwendet werden.

Der Isolator besteht somit zu einem wesentlichen Anteil aus Siliciumnitrid und er sitzt ringförmig im Gehäuse der Zündvorrichtung, benachbart an das Zündende, so daß die Funkenentladung zwischen einer Mittelelektrode und einer geerdeten Elektrode erfolgt und längs der Oberfläche dieses Isolators verläuft.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Hochspannungs-Zündvorrichtung nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt einen schematischen vergrößerten senkrechten Teil schnitt eines Siliciumnitrid-Isolators, der im Gehäuse der Zündvorrichtung nach Fig. 1 eingebaut ist.

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt schematisch das Zündende einer weiteren Ausführungsform einer Hochspannungs-Zündvorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Hochspannungs-Zündvorrichtung 10 hoher Energie dargestellt, mit einem Zündende 11 und einem Anschlußende 12. Die Zündvorrichtung 10 hat ein metallisches Gehäuse 13, eine Mittelelektrode 14, sowie Isolatoren 15, 16, 17, die in einem Ringraum zwischen dem Gehäuse 13 und der Elektrode 14 angeordnet sind. Das Gehäuse 13 hat einen einwärts gerichteten ringförmigen Abschnitt 18 am Zündende 11 der Zündvorrichtung 10, der eine geerdete Elektrode bildet. Im Betrieb wird die Zündvorrichtung oder Zündkerze 10 lösbar derart eingebaut, daß der ringförmige Abschnitt 18 sich in die Brennkammer eines nicht-dargestellten Motors erstreckt, und sie ist über den Motor durch den Kontakt über das Gehäuse 13 geerdet. Der Isolator 15, dsr ein Körper aus Aluminiumoxid ist, ist benachbart ans Anschlußende der Zündvorrichtung 10 angeordnet, und er hat einen zylindrischen Hohlraum 19, in welchem ein Kontakt eines zugehörigen, nicht-gezeigten Zündsystems elektrisch mit einem Abschnitt der Mittel elektrode 14 verbindbar ist, der sich in den Hohlraum 19 hineinerstreckt. Der Isolator 16, der aus Tonerde bzw. Aluminiumoxid besteht, hat eine zentrale Bohrung, die die Mittel elektrode 14 enthält, und die sich axial von der Basis des Hohlraums 19 aus bis zu einem rohrförmigen Abschnitt 20 des Isolators erstreckt, der an einem Punkt kurz vor dem Zündende 11 der Zündvorrichtung 10 endigt und dort zwischen dem Isolator 17 und der Mittelelektrode 14 in einem ringförmigen Raum 21 liegt.

Der Isolator 17, der im wesentlichen aus reinem Siliciumnitrid besteht, liegt zwischen dem ringförmigen Raum 21 und er hat einen rohrförmigen Abschnitt 22, der zwischen einem Abschnitt des Isolators 16 und dem Ge-

näuse 13 liegt und sich axial in Richtung auf das Anschlußende 12 der Zündvorrichtung 10 erstreckt. Die Mittel elektrode 14 hat einen radial erweiterten Zündkopf 23, der an der Elektrode angebracht ist und in dem Ringraum 21 liegt, derart, daß ein Abschnitt an den Siliciumnitrid-Isolator 17 am Zündende 11 angrenzt. Der Isolator 17 verläuft axial von seinem rohrförmigen Abschnitt 22 aus zum Zündende 11 der Zündvorrichtung 10 und er hat eine Oberfläche 24 angrenzend an die Funkenstrecke zwischen dem Zündkopf 23 der Mittel elektrode 14 und der ringförmigen geerdeten Elektrode 18 des Gehäuses 13.

Der Isolator 17 ist vergrößert in Fig. 2 gezeigt.

Fig. 3 zeigt das Zündende einer Hochspannungs-Zündvorrichtung mit hoher Energie gemäß der Erfindung, die allgemein mit 25 bezeichnet ist. Die Zündvorrichtung 25 hat ein unteres Metallgehäuse 26, das mit einem oberen Metallgehäuse 27 mittels Silberlot 28 verbunden ist, ferner eine Mittelektrode 29 mit einer Zündspitze 30 sowie ringförmige Isolatoren 31 und 32. Nur ein rohrförmiger Abschnitt des Isolators 31 ist dargestellt. Das untere Gehäuse 26 hat einen einwärts gerichteten ringförmigen Abschnitt 33, der eine geerdete Elektrode bildet. Im Betrieb wird die Zündvorrichtung 25 lösbar eingebaut, so daß der ringförmige Abschnitt 33 sich in die Zündkammer eines zugehörigen nichtgezeigten Motors erstreckt und sie ist über den Motor geerdet bzw. an Masse gelegt durch Kontakt des oberen Gehäuses mit dem Motor. Der Isolator 31, der aus Aluminiumoxid besteht, ist in einem ringförmigen Raum 33 zwischen dem oberen Gehäuse 27 und der Mittel elektrode 29 angeordnet und er hat eine zentrale Bohrung, in welcher ein Abschnitt der Mittelelektrode 29 und ein rohrförmiger Abschnitt 34 des Isolators 32 angeordnet sind. Eine Talk-Dichtung 35 zur Verhinderung einer Gas-Leckage, liegt ringförmig zwischen dem unteren Gehäuse 26 und dem rohrförmigen Abschnitt 34 des Isolators 32 und füllt einen Bereich zwischen einem auswärts gerichteten ringförmigen Bund 36 des Isolators 32 und einem einwärts gerichteten ringförmigen Bund 37 des unteren Gehäuses 26 aus.

Der Isolator 32, der im wesentlichen aus reinem Siliciumnitrid besteht» erstreckt sich axial von seinem rohrförmigen Abschnitt 34 aus, bis zu einem Punkt kurz vor der ringförmigen geerdeten Elektrode 33, und er liegt dort in einem ringförmigen Raum 38 zwischen dem unteren Gehäuse und der Mittel elektrode 29. Eine Oberfläche 39 des Siliciumnitrid-Isolators 32 liegt angrenzend an einen Abschnitt eines radial reduzierten Segmentes 40 der Mittelelektrode 29, während eine Oberfläche 41 des Segmentes an die Zündstrecke zwischen der Zündspitze 30 der Mittel elektrode 29 und der ringförmigen geerdeten Elektrode 33 des unteren Gehäuses 26 angrenzt.

Ein Isolator, der beispielsweise die Form eines der Isolatoren 17 oder 32 hat, kann aus einem geeigneten Material aus Siliciumnitrid-Basis,anstatt aus praktisch reinem Siliciumnitrid_s hergestellt werden und dann angrenzend an das Zündende der Zündvorrichtung nach der Erfindung angeordnet werden, so daß die Zündentladung längs einer Oberfläche dieses Isolators verläuft. Beispielsweise kann ein solcher Isolator aus Silicium-Aluminium-Oxinitriden oder aus Verbindungen aus Siliciumnitrid oder Silicium-Aluminium-Oxinitriden und einem oder mehreren weiteren Bestandteilen bestehen₉ die als Sinter-Hilfen beigegeben werden, wie z.B. Y₂O₃, Ce₂O₃, La₂O₃, Sc₂O₃, Cr₂O₃₉ MgO, ZnO, NiO, TiO₂, SnO₂ und SrO₂. Derartige Sinter-Hilfen eignen sich besonders beim drucklosen Sintern von Silicium-Aluminium-Oxinitriden. Die Zündvorrichtung nach der Erfindung umfaßt jedoch Isolatoren, bei denen der Anteil von Siliciumnitrid wesentlich ist, d.h. wenigstens 50 Gewichtsprozent und vorzugsweise wenigstens etwa 65 Gewichtsprozent.

Eine Zündvorrichtung nach der Erfindung kann auch unter Verwendung eines zweiteiligen Isolators hergestellt werden, der beispielsweise dann die Gesamtform des Isolators 17 nach den Fig. 1 und 2 hat und beispielsweise aus heißverpreßtem, im wesentlichen reinem Siliciumnitrid besteht oder einen Kopf aus einem Material auf Siliciumnitrid-Basis hat, der an einem Isolator aus Tonerde angebracht ist. Die Fläche 24 sollte aus Siliciumnitrid-Materialien sein, wobei der Kopf

oder diese Spitze dünn sein kann, beispielsweise 3mm, vorzugsweise aber etwa 4,5 mm und insbesondere sind wenigstens etwa 6-6,5 mm Dicke erwünscht. Siliciumnitrid-Materialien sind unerwarteterweise widerstandsfähig gegen die Erosion von hochenergetischen Zündfunken, die in Zündvorrichtungen, wie der Zündvorrichtung 10, wie sie z.B. in Fig. 3 gezeigt ist, austreten können.

Der Siliciumnitrid-Isolator nach der Erfindung kann, unabhängig ob er vollständig aus dem Nitrid-Material besteht, oder ob ein Kopf aus diesem Material an einai Isolator aus Tonerde angebracht ist, und unabhängig, ob er im wesentlichen aus Siliciumnitrid oder aus Siliciumnitrid gemischt mit anderen Materialien besteht, durch Heißpressen oder durch druckloses Sintern, oder durch Verfahren mittels Reaktions-Bindung (reaction-bonding) hergestellt werden. Heißverpreßte Siliciumnitrid-Isolatoren werden vorgezogen, weil sie einen höheren Widerstand gegen Erosion haben als solche Isolatoren, die durch druckloses Sintern oder mittels Reaktions-Bindungsverfahren hergestellt werden. Heißgepreßte Isolatoren eignen sich daher besonders in Zündvorrichtungen, die starken Beanspruchungen im Betrieb ausgesetzt sind, beispielsweise in Düsenmotoren. Wenn jedoch die Geometrie von Zündvorrichtungen eine Bearbeitung des Isolator-Körpers nach der Herstellung und nach dem Brennen erfordert, werden drucklose Sinterverfahren oder Reaktions-Verbindungsverfahren vorgezogen, weil diese Verfahren eine bessere Bearbeitbarkeit der Isolatoren ermöglichen.

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Claims

Champion Spark Plug Company Patentansprüche

1.) Zündvorrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem Zündende und einem Anschlußende, sowie einem Metallgehäuse, das lösbar in eine Brennkraftmaschine einbaubar ist, wobei das Gehäuse am Zündende eine ringförmige geerdete Elektrode aufweist und ein keramischer Isolator in dem Gehäuse angeordnet ist, der eine Mittelbohrung aufweist, in welcher eine Mittel elektrode angeordnet ist, die eine Zündspitze hat, die im Abstand von der geerdeten Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolator, der zu einem wesentlichen Teil aus Siliciumnitrid besteht, in dem Gehäuse angeordnet ist und eine Oberfläche angrenzend an die Zündstrecke aufweist, längs welcher der Zündfunke bei Entladung zwischen der Zündspitze der Mittelelektrode und der geerdeten Elektrode verläuft.

2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitrid-Isolator und der keramische Isolator rohrförmige Abschnitte haben, die in einem ringförmigen Raum zwischen dem metallischen Gehäuse und wenigstens einem Abschnitt der Mittelelektrode angeordnet sind.

3. Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitrid-Isolator sich axial von seinem rohrförmigen Abschnitt aus zum Zündende der Zündvorrichtung hin bis zu der Oberfläche erstreckt, längs welcher die Zündentladung auftritt.

4. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitrid-Isolator ein heißverpreßter Keramikkörper ist.

5. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitrid-Isolator ein drucklos gesinterter Keramikkörper ist.

6. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitrid-Isolator ein reaktions-gebundener (reactionbonded) Keramikkörper ist.