NL8201670A - Ontstekingsorgaan. - Google Patents

Description

____ _____________ .. . ... . .. . .... . . ...... . - - ' ....... -4 * N/30,547-dV/f.

Onts tekings orgaan.

De uitvinding heeft betrekking op een ontste-kingsorgaan met een ontstekingsuiteinde en een aansluituit- -einde, voorzien van een metalen mantel, die losneembaar kan worden aangebracht in een verbrandingsmotor en die aan het 5 ontstekingsuiteinde een oppervlak bezit, dat een ringvormige massa-elektrode vormt, waarbij binnen de metalen mantel een keramische isolator is aangebracht, die een centrale boring bezit, waarin een centrale elektrode is geplaatst, welke een ontstekingsuiteinde bezit, dat een vonkspleet insluit 10 met de ringvormige massa-elektrode van de mantel, in het bijzonder op een ontstekingsorgaan van het hoge energietype» Tijdens bedrijf in bijvoorbeeld een straalmotor wordt een dergelijk ontstekingsorgaan ontstoken door een condensator— ontladingsontstekingssysteem van het hoogspannings- of laag-15 spanningstypeDe vonkontlading van de hoogspanningsontste-kingsorganen treedt gewoonlijk op langs een oppervlak van ' een diëlektrisch keramisch materiaal,, dat zodanig ia aangebracht, dat het grenst aan de vonkspleet tussen de centrale - en de massa-elektrode. Voor het ioniseren van de vonkspleet 20 ter verkrijging van. de ontlading is een "hoge" spanning nodig, gewoonlijk in de orde van 10.000 tot 30.000, V..

Ontstekingsorganen voor toepassing bij een laagspanningsontstekingssysteem, waarbij gewoonlijk een spanning van 200 - 5.000 V wordt toegepast, bezitten een elek-25 trisch halfgeleidend oppervlak, dat aan de vonkspleet tussen een centrale elektrode en een massa-elektrode· grenst. Het is gebleken, dat bij een ontstekingsorgaan met een aldus aangebracht halfgeleidend oppervlak de spanning, die nodig is voor een vonkontlading, wordt beperkt in vergelijking met een 30 ontstekingsorgaan, waar' zich op deze plaats een isolatie bevindt.

Bij een hoog- of laagspanningsontstekingsorgaan treedt een ontlading van een eerder opgeladen condensator op, als een vonk aanwezig is tussen de massa en centrale elektro-35 de. De ontlading van de condensator heeft tot gevolg, dat de vonk. een hoge energie-inhoud heeft, dat wil zeggen tot ongeveer 2Q J.

Er zijn tot op heden verschillende elektrisch 8201670 -2— halfgeleidende en isolerende materialen voorgesteld en ook toegepast bij de vonkspleet van ontstekingsorganen voor zowel laag- als hoogspanningsontstekingssystemen. Het Amerikaanse octrooischrift 3.558.959 beschrijft bijvoorbeeld een 5 laagspanningsontstekingsorgaan, waarbij halfgeleidende lichamen worden toegepast, welke zijn samengesteld uit warm geperste mengsels van aluminiumoxyde en siliciumcarbide.

Het is ook bekend, dat voor laagspanningstoepassingen geschikte halfgeleiders kunnen worden geproduceerd door een 10 lichaam door persen te vormen uit een mengsel van siliciumcarbide. en aluminium-silicaat, waarbij het lichaam in siliciumcarbide-deeltjes wordt ingebed en gebakken (zie bijvoorbeeld de Amerikaanse octrooischriftèn 3.376.367 en 3.573.231).· Voorts beschrijft het Amerikaanse octrooischrift 15 3.968.057 een werkwijze voor het vervaardigen van een half geleider uit door aluminiumoxyde gebonden siliciumcarbide voor toepassing bij een laagspanningsontstekingssysteem met hoge energie, terwijl het Amerikaanse octrooischrift 4.120.829 een verbeterde halfgeleider uit silicumcarbide 20 beschrijft met een elektrisch niet-geleidende glasbindende fase..

Halfgeleiderlichamen uit door siliciumnitride gebonden silicumcarbide voor toepassing bij laagspannings— ontstekingsorganen zijn bekend uit het Amerikaanse octrooi-25 schrift 3.052.814. Volgens dit octrooischrift zijn ontstekingsorganen, die gebruikmaken van een halfgeleidend lichaam uit silicumcarbide gebonden met siliciumnitride beter bestand tegen drukkrachten,. extreme temperaturen, trilling en vonk-erosie-invloeden, die tijdens bedrijf in een verbrandings-30 kamer optreden dan de ontstekingsorganen, waarbij de bekende materialen worden toegepast. Het is gebleken , dat de toepassing van halfgeleiderlichamen, die uit een genitreerde charge van Si..en SiC zijn gevormd, de problemen minimaliseren, welke worden veroorzaakt door zeer grote poreusheid, 35 geringe druksterkte, geringe weerstand tegen vonkerosie en chemische wijzigingen in de verbrandingskamer (met een hierdoor veroorzaakte wijziging in elektrische eigenschappen!, welke werden waargenomen bij de halfgeleiders die bij de bekende ontstekingsorganen werden toegepast.

40 Het Britse octrooischrift 717.555 beschrijft ...........

8201670 -3- fc * methoden voor het vervaardigen van gevormde siliciumnitride-lichamen uit siliciummetaal. De door een reactie gebonden siliciumnitridelichamen, die op deze wijze worden vervaardigd, zouden bestan<f^ïegen warmteschokken, een hoge mechani-5 sche sterkte hebben en goed bestand zijn tegen oxydatie en chemische aantasting..De diëlektrische eigenschappen van de siliciumnitridelichamen, die volgens deze methoden zijn vervaardigd, zouden volgens de beschrijving overeenkomen met die van silica. Voorts wordt aangegeven, dat de silicium-10 nitridelichamen zouden kunnen worden gebruikt bij hoge temperatuurtoepassingen? zoals straalmotorverbrandingskamers, uitlaatpijpbekledingen, raketverbrandingskamers en uitlaatpijpen en bougielicharaen.

Hoewel vele materialen zijn voorgesteld 15 voor toepassing bij ontstekingsorganen, die einder een hoge druk moeten werken (zie bijvoorbeeld de Amerikaanse octrooi-schriften 2.684.665, 2.786.158, 3.344.304 en 3.558.959) is tot op heden niet gesuggereerd om siliciumnitride of een mengsel van siliciumnitride met andere materialen toe te pas-20 sen als isolatoroppervlak, dat grenst aan de vonkspleet van ontstekingsorganen, die behoren tot een hoogspanningsontste— kingssysteem met hoge energie. Dergelijke ontstekingsorganen staan bloot aan buitengewoon zware thermische, mechanische en elektrische spanningen tijdens bedrijf in straal- en andere 25 verbrandingsmotoren. De bekende isolatoren, die bij dergelijke ontstekingsorganen worden toegepast, zijn vervaardigd uit materialen, zoals aluminiumoxyde en berylliumoxyde, waaruit keramische lichamen worden vervaardigd, die een bevredigende werking vertonen als elektrische isolator, indien zij op ge-30 schikte wijze zijn aangebracht nabij het ontstekingsuiteinde van een ontstekingsorgaan voor hoge energie. Isolators uit aluminiumoxyde staan tijdens bedrijf echter bloot aan een ernstige vonkerosie en achteruitgang door thermische schokken. Hoewel isolators uit berylliumoxyde aanmerkelijk duurzamer 35 zijn en bestand zijn tegen thermische schokken dan de uit aluminiumoxyde vervaardigde isolators, is berylliumoxyde toxisch voor de mens, zodat het minder gewenst is dit materiaal bij de fabricage van ontstekingsorganen op grote schaal te gebruiken.

40 De uitvinding beoogt een ontstekingsorgaan 8201670 -4- van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij een keramische isolator wordt toegepast, die in hoofdzaak uit siliciumnitride bestaat.

Het ontstekingsorgaan volgens de uitvin-5 ding heeft het kenmerk, dat een isolator, die voor een aanmerkelijk gedeelte uit siliciumnitride bestaat, binnen de mantel is aangebracht, waarbij een oppervlak hiervan aan· de vonkspleet grenst, langs welk oppervlak- zich een vonk verplaatst bij een ontlading tussen het ontstekingsuiteinde van 10 de centrale elektrode en de massa-elektrode van de mantel.

Op deze wijze wordt een ontstekingsorgaan van het hoge energietype verkregen, dat een aanmerkelijk betere werking dan cle^nfstekingsorganen vertoont.

Het is gebleken, dat het ontstekings-15 orgaan met een op geschikte wijze gevormd isolatorlichaam, dat voor een aanmerkelijk gedeelte uit siliciumnitriefe bestaat en dat binnen de mantel van het ontstekingsorgaan is aangebracht, tijdens bedrijf veel duurzamer zijn bij toepassing in bijvoorbeeld een straalmotor, waar het ontstekings-20 orgaan bloot staat aan grote thermische, mechanische en elektrische spanningen. De thermische, mechanische en elektrische eigenschappen van een isolatorlichaam, dat uit sili— ciumnitridemateriaal is samengesteld,geeft dit materiaal niet alleen een grotere weerstand tegen vonkerosie en aan-25 tasting door thermische schokken dan de isolators, die uit aluminiumoxyde zijn vervaardigd, maar vertonen verrassenderwijs een nagenoeg even goede werking als een isolator, die uit berylliumoxyde bestaat, zonder dat de hiermee gepaard gaande toxische problemen optreden. De uitvinding verschaft 30 derhalve een verbeterd ontstekingsorgaan, waarbij siliciumnitride wordt gebruikt, welke kan worden vervaardigd zonder de gevaren voor de menselijke gezondheid, die optreden bij de fabricage van ontstefcingsorganen met berylliumoxyde.

De uitvinding wordt hierna nader toege-35 licht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoerings-voorbeeld is weergegeven.

Fig. 1 is een langsdoorsnede van een uitvoeringsvorm van het hoogspanningsontstekingsorgaan volgens de uitvinding.

40 Fig.2is een schematisch weergegeven ver- 8201670 «MU' -5- tikale doorsnede van een uit siliciumnitride bestaande isolator op grotere schaal, die’zich binnen de mantel, van het ontstekingsorgaan volgens fig. 1 bevindt.

Fig. 3 is een gedeeltelijk weergegeven door-5 snede van het ontstekingsuiteinde van een andere uitvoeringsvorm van het ontstekingsorgaan volgens de uitvinding.

In fig. 1 is een voor een hoge spanning en een hoge energie geschikt ontstekingsorgaan 10 weergegeven, dat een ontstekingsuiteinde 11 en een aansluituiteinde 12 10 omvat.. Het ontstekingsorgaan 10 is voorzien van een metalen mantel 13 en een centrale elektrode 14, waarbij isolatoren 15,16 en 17 in de ringvormige ruimte tussen de mantel 13 en de elektrode 14 zijn gemonteerd. De mantel 13 heeft een binnenwaarts gericht ringvormig gedeelte 18 aan het ontste-15 kingsuiteinde 11 van het ontstekingsorgaan 10, welk gedeelte 18 een massa-elektrode vormt. Het ontstekingsorgaan 10 wordt losneembaar zodanig aangebracht, dat het ringvormige gedeelte 18 uitsteekt in de ontstekingskamer van een bijbehorende motor (niet weergegeven) en is geaard aan de motor, 20 doordat het gedeelte 18 via de mantel 13 hiermee in contact staat. De isolator 15, dat uit een aluminiumoxydelichaam bestaat,, is- nabij het aansluituiteinde 12 van het ontstekingsorgaan 10 geplaatst, ten einde een cilindrische holte 19 te vormen, waarin een contact van een bijbehorend ontste— 25 kingssysteem (niet weergegeven! elektrisch in verbinding kan worden gebracht met een gedeelte van de centrale elektrode, 14, dat in de holte 19 uitsteekt. De isolator 16, die uit een aluminiumoxydeliehaam bestaat, bezit een centrale boring waarin de centrale elektrode 14 is opgenomen, en verloopt in 30 axiale richting-vanaf de onderzijde van de holte 19 met een buisvormig gedeelte 20 tot een punt nabij het ontstekingsuiteinde 11 van het ontstekingsorgaan 10, waar de isolator 16 zich in een ringvormige ruimte 21 tussen de isolator 17 en de centrale elektrode 14 bevindt.

35 De isolator 17, welke uit een althans nage noeg zuiver siliciumnitridelichaam bestaat, is in de ringvormige ruimte 21 geplaatst en bezit een buisvormig gedeelte 22, dat zich tussen een gedeelte, van de isolator 16 en de mantel 13 bevindt en zich axiaal in de richting van het. aan— 40 sluituitexnde 12 van het ontstekingsorgaan 10 uitstrekt.

8201670 -6-

De centrale elektrode 14 heeft een in radiale richting vergroot ontstekingsuiteinde 23,- dat op de centrale elektrode 14 is gemonteerd en in de ringvormige ruimte 21 is geplaatst, zodat een gedeelte hiervan grenst aan de siliciumnitride-5 isolator 17 bij het ontstekingsuiteinde 11. De isolator 17 van siliciumnitride verloopt vanaf het buisvormige gedeelte 22 naar het ontstekingsuiteinde 11 van het ontstekingsorgaan 10, waarbij een oppervlak 24 aan een vonkspleet grenst, die tussen het ontstekingsuiteinde 23 van de centrale elektrode 10 14 en de ringvormige massa-elektrode 18 van de mantel 13 ligt.

Een vertikale doorsnede van de isolator 17 van siliciumnitride· is op grotere schaal in fig. 2 afgeheeld ., 15 In fig. 3 is het ontstekingsuiteinde 25 weergegeven van een hoogspanningsontstekingsorgaan voor hoge energie volgens de uitvinding. Het ontstekingsorgaan 25 omvat een onderste metalen mantel 26, die is verbonden met een bovenste metalen mantel 27 door een zilversoldeerverbinding 28, 20 een centrale elektrode 29 met een ontstekingsuiteinde 30 en ringvormige isolatoren 31 en 32. Van de isolator 31 is slechts een buisvormig gedeelte weergegeven. De onderste mantel 26 bezit een binnenwaarts gericht ringvormig gedeelte 33, dat een massa-elektrode vormt.. Bij gebruik is het ontstekingsor-25 gaan 2.5 losneembaar zodanig aangebracht, dat het ringvormige gedeelte 33 uitsteekt in de ontstekingskamer van de bijbehorende motor (niet weergegeven) en aan de motor is geaard, doordat de bovenste mantel 27 hiermede in aanraking is.

De isolator 31, welke uit een aluminiumoxydelichaam bestaat, 30 is in een ringvormige ruimte 33 geplaatst, tussen de bovenste mantel 27 en de centrale elektrode 29 en bezit een centrale boring, waarin een gedeelte van de centrale elektrode 29 en een buisvormig gedeelte 34 van de isolator 32 zijn aangebracht. Een talkafdichting 35, die gaslekkage moet voorkomen, is in 35 de ringvormige ruimte tussen de onderste mantel 26 en het buisvormige gedeelte 34 van de isolator 32 aangebracht en vult de ruimte op tussen een buitenwaarts gerichte, ringvormige flens 36 van de isolator 32 en een binnenwaarts gerichte, ringvormige flens 37 van de onderste mantel 26.

40 De isolator 32, die als een althans nage- 82.0 1 6 70 -7- noeg zuiver silisiumnitridelichaam is uitgevoerd/ verloopt in axiale richting vanaf het buisvormige gedeelte 34 naar een punt nabij de ringvormige massa-elektrode 33, waar de isolator 32 in een ringvormige ruimte 38 tussen de onderste 5 mantel 26 en de centrale elektrode 29 ligt. Een oppervlak 39 van de siliciumnitride-isolator 32 grenst aan een gedeelte van een radiaal verkleind segment 40 van de centrale elektrode 29/ terwijl een oppervlak 41 grenst aan een vonk-spleet tussen het ontstekingsuiteinde 30 van de centrale 10 elektrode 29 en de ringvormige massa-elektrode 33 van de onderste mantel 26.

Opgemerkt wordt, dat een isolator met bijvoorbeeld de vorm van de isolator 17 of 32 kan worden vervaardigd uit elk geschikt op siliciumnitride gebaseerd mate-15 riaal inplaats van een althans nagenoeg zuivere silicium— nitride, waarbij de isolator nabij het ontstekingsuiteinde van een ontstekingsorgaan volgens de uitvinding kan zijn gelegen, zodat de vonkontlading zich over een oppervlak hiervan verplaatst. Een. dergelijke isolator kan bijvoorbeeld 20 worden vervaardigd uit silicium-aluminium-oxynitride(SIALON) of uit samenstellingen van siliciumnitride of SIALON en een of meer extra componenten, die als sintermiddel zijn toegevoegd, zoals Y2°3' Ce2°3' La2°3' Sc2°3' Cr 2° 3' M9°' ZnO, NiO, Ti02, Sn02 en. Sr02. Dergelijke sintermiddelen zijn in 25 het bijzonder nuttig bij het drukloos sinteren van SIALON.

Het ontstekingsorgaan volgens, de uitvinding omvat echter een isolator, welke voor een aanmerkelijk gedeelte uit siliciumnitride bestaat, dat wil zeggen ten minste 50 gewichtsprocent en bij voorkeur ten minste 65 gewichtsprocent.

30 Er zijn slechts twee uitvoeringsvormen aan de hand van de tekening beschreven. Een ontstekingsorgaan volgens de uitvinding kan ook worden vervaardigd met behulp van een uit twee delen bestaande isolator, die bijvoorbeeld de vorm van de isolator 17 volgens de fig. 1 en 2 bezit en 35 bijvoorbeeld bestaat uit een uit warm geperst, althans nagenoeg zuivere siliciumnitride of een op siliciumnitride gebaseerd materiaal gevormde”knoop", die aan een aluminium-oxyde-isolator is gehecht. Het oppervlak 24 dient uit een dergelijk siliciumnitridemateriaal te bestaan; de knoop kan 40 ongeveer 3,18 mm dik zijn, waarbij een dikte van tenminste 8201670 - > f —’ 8~ 4,76 mm van voordeel is en bij voorkeur een dikte van ten minste 6,35 mm wordt toegepast. Siliciumnitridemateriaal blijkt verrassend bestendig tegen erosie door vonken met hoge energie van het type, dat optreedt in het ontstekingsorgaan 5 10 en dergelijke ontstekingsorganen, zoals bijvoorbeeld het ontstekingsorgaan volgens fig. 3.

De siliciumnitride-isolator van het ontstekingsorgaan volgens de uitvinding kan, of het nu een volledige isolator of een knoop, welke aan een aluminiumoxyde-10 isolator is gehecht, is en of het nu nagenoeg geheel uit siliciumnitride of uit een mengsel van siliciumnitride met ander materiaal bestaat door warm persen worden vervaardigd, zoals hierboven is aangegeven of door drukloos sinteren of door een reactie-bindingsproces. Warmgeperste siliciumnitride-15 isolatoren hebben echter de voorkeur, aangezien zij beter bestand zijn tegen erosie dan een dergelijke isolator, die door drukloos sinteren of door een reactie-binding is gevormd. Warmgeperste lichamen zijn derhalve bijzonder geschikt voor toepassing bij een ontstekingsorgaan, dat tijdens bedrijf 20 aan sterke spanningen wordt blootgesteld, zoals bijvoorbeeld in een straalmotor. Indien de geometrie van het ontstekings— orgaan echter een machinale bewerking van het isolator-.lichaam na het fabriceren en bakken noodzakelijk maakt, verdient een isolator, vervaardigd door drukloos sinteren of 25 een reactie-binding echter de voorkeur,- aangezien hierdoor een betere· machinale bewerking van het lichaam mogelijk is-

De uitvinding is niet beperkt tot de in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoorbeelden, die binnen het kader der uitvinding op verschillende manieren kunnen 30 worden gevarieerd.

8201670

Claims (6)

1. Ontstekingsorgaan niet een ontstekingsuitein-de en een aansluituiteinde, voorzien van een metalen mantel, die losneembaar kan worden aangebracht in een verbrandingsmotor en die aan het ontstekingsuiteinde een oppervlak be- 5 zit, dat een ringvormige massa-elektrode vormt, waarbij in de metalen mantel een keramische isolator is aangebracht, die een centrale boring bezit, waarin een centrale elektrode is geplaatst, welke een ontstekingsuiteinde bezit, dat een vonkspleet insluit met de ringvormige massa-elektrode 10 van de mantel, met het kenmerk, dat een isolator, die voor een aanmerkelijk gedeelte uit siliciumnitride bestaat, in 'de1· mantelis aangebracht, waarbij een oppervlak hiervan aan de vonkspleet grenst, langs welk oppervlak zich een vonk verplaatst bij een ontlading tussen het ontste- 15 kingsuiteinde van de centrale elektrode en de massa-elektro— de van. de mantel.

2. Onts tekingsorgaan volgens conclusie 1, me t het kenmerk, dat de siliciumnitride-isolator en de keramische isolator elk een buisvormig gedeelte bezitten, 20 die in een:, ringvormige ruimte tussen de metalen mantel en ten minste een gedeelte van de centrale elektrode zijn gelegen- .

3. Ontstekingsorgaan volgens conclusie 2, m e t het. ken m e r k, dat de siliciumnitride-isolator zich 25 in axiale richting· vanaf het buisvormige gedeelte uitstrekt naar het ontstekingsuiteinde van het ontstekingsorgaan tot het oppervlak waarlangs de vonkontlading optreedt.

4. Ontstekingsorgaan volgens een der voorgaande conclusies, m'et het kenmerk, dat de silicium- 30 nitride-isolator bestaat uit een warm geperst keramisch materiaal.

5. Ontstekingsorgaan volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de siliciumnitride-isolator bestaat uit een drukloos gesinterd keramisch 35 materiaal.

6. Ontstekingsorgaan volgens een der conclusies 1-3, methet kenmerk, dat da siliciumnitride-isolator bestaat uit een reactie gebonden keramisch materiaal.. 8201670