DE3500189C2 - Gleitfunkenzündvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitfunkenzündvorrichtung ge­ mäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Zündvorrichtung, dort als Zündkerze, ist beispielsweise aus der DE-OS 30 41 537 bekannt. Der homogen eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisende Halb­ leiterkörper grenzt an eine axiale Mittelelektrode und eine diese ringförmig umgebende Außenelektrode und begünstigt einen Funkenüberschlag zwischen diesen beiden Elektroden. Da der Funke jedoch in jedem Fall von den Metallelektroden ausgeht, ist ein starker Elektrodenabbrand die Folge, der die Lebensdauer der Zündvorrichtung verkürzt. Ferner muß der elektrische Kontakt zwischen Halbleiterkörper und Metall­ elektroden äußerst innig und gleichmäßig hergestellt sein, um Feldverzerrungen und damit bei energiereichen Funken Brandstellen durch lokale Überhitzungen der Elektroden und des Halbleiterkörpers zu vermeiden.

Ähnlich liegen die Verhältnisse bei aus DE-AS 16 01 432 und DE-AS 12 06 207 bekannten Gleitfunkenzündvorrichtungen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleitfunkenzündvorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß die elektrische Kontaktierung zwischen Halbleiterkörper und Elektroden ver­ bessert ist und außerdem der Elektrodenabbrand verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gleitfunkenzündvorrichtung, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist.

Durch eine derartige Ausbildung der Zündvorrichtung wird erreicht, daß bei Anlegen einer Spannung an die Elek­ troden der gesamte Spannungsabfall im wesentlichen nicht zwischen den Elektroden selbst, sondern zwischen den leitend dotierten Bereichen des Halbleiterkörpers auftritt. Der mit Erreichen einer bestimmten Spannung hervorgerufene Funken­ überschlag findet dann nicht zwischen den Elektroden, son­ dern unter Schonung dieser Elektroden zwischen diesen leitend dotierten Bereichen des Halbleiterkörpers statt. Der elek­ trische Widerstand der leitend dotierten Halbleiterbereiche wirkt dabei strombegrenzend und hält die in dieser Phase im Funken umgesetzte elektrische Energie gering. Erst wenn die Plasmawolke des Funkenüberschlags die Metallelektroden er­ reicht, werden diese in das Leitungsgeschehen miteinbezogen, wobei aber die Plasmaausdehnung sofort für einen großflä­ chigen Kontakt zu den Elektroden sorgt, so daß auch bei dem nun hohen Kurzschlußstrom ein Elektrodenabbrand als Folge lokaler hoher Stromdichten vermieden ist. Gleichzeitig wird die zwischen den Elektroden liegende Oberfläche des Halbleiterkörpers entlastet, weil der hohe Kurzschluß­ strom im wesentlichen durch die großvolumige ionisierte Wolke fließt.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt bzw. zeigen

Fig. 1, 2 und 3 die schrittweise Gewinnung einer Aus­ führungsform der Gleitfunkenzündvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleitfunkenzündvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleitfunkenzündvorrichtung,

Fig. 6 eine der Ausführungsform der Fig. 4 ähnliche prüf­ fähige Ausführungsform der Gleitfunkenzündvorrichtung gemäß der Erfindung, und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Gleitfunkenzündvorrichtung gemäß der Erfindung.

Ausgangspunkt für eine Ausführungsform der gegenständ­ lichen Gleitfunkenzündvorrichtung ist ein vorzugsweise aus Silizium­ karbid gebildeter ringförmiger Halbleiterkörper 23 gemäß Fig. 1, der einen in seiner Tiefe durch die Strichelung an­ gedeuteten Oberflächenbereich 11 aufweist, der durch Dotie­ rung, beispielsweise mit eindiffundiertem Stickstoff, ein Vielfaches leitfähiger ist als der Kern 12 des Halbleiter­ körpers. Der leitfähige Oberflächenbereich 11 ist abbrand­ fest und temperaturfest ausgebildet. Ein kontinuierlicher Übergang zwischen gut leitendem Oberflächenbereich 11 und schlecht leitendem Kern 12 ist zulässig.

In die eine stirnseitige Oberfläche des Halbleiterkör­ pers 23 wird nun, wie in Fig. 2 dargestellt, eine ringför­ mige Hohlkehle 13 mit einer solchen Tiefe eingeschliffen, daß in ihrem Grund die gut leitende Oberflächenschicht völlig entfernt ist und der schlecht leitende Kern freigelegt wird. Die entgegengesetzte Stirnfläche 14 des Halbleiterkörpers wird mindestens in der Tiefe der gut leitenden Oberflächen­ schicht z. B. plan abgeschliffen. Auf diese Weise erhält man zur Ringachse hin bzw. am äußeren Umfangsrand des Halbleiter­ körpers gelegen von einander getrennte gut leitende Ober­ flächenbereiche, die nach Fig. 3 mit einer zentralen metal­ lischen Elektrode 24 und einer äußeren metallischen Ring­ elektrode 22 kontaktiert werden.

Bei Anlegen einer kleinen Spannung an die beiden Elek­ troden 22 und 24 fließt zunächst ein kleiner durch den ohmschen Widerstand des Halbleiterkörpers begrenzter Strom. Nahezu die gesamte Spannung fällt dabei am schlecht leiten­ den Kern 12 des Halbleiterkörpers 23 ab.

Mit weiterer Zunahme der Spannung wird schließlich ein Überschlag provoziert, der an den gut leitenden Oberflächen­ bereichen des Halbleiterkörpers beginnt und endet und somit nicht von den metallischen Elektroden ausgeht. Die in die­ sem Stadium umgesetzte Energie soll auf 1 Joule be­ grenzt sein, wobei der Widerstand der leitenden Oberflächen­ schicht 11 des Halbleiterkörpers 23 als Strombegrenzung wir­ ken kann.

Das sich entwickelnde Plasma dehnt sich mit Überschall­ geschwindigkeit aus und gelangt dabei mit dem Randbereich der ionisierten Zone in die Nähe der metallischen Elektroden 22 und 24, wobei durch eine geringfügige weitere Ausdehnung des Plasmas bereits ein großflächiger Kontakt zu den Metall­ elektroden hergestellt wird. Damit ist nun ein sehr nieder­ ohmiger Kurzschluß hergestellt, der Kurzschlußstrom kann sich entwickeln, fließt aber durch die großvolumige ioni­ sierte Wolke, so daß die Halbleiteroberfläche entlastet ist, wobei gleichzeitig durch die großflächige Kontaktierung der ionisierten Wolke zu den Elektroden Brandstellen an den Elek­ troden und eine Zerstäubung von Elektrodenmaterial weitge­ hend verhindert werden.

Da, wie beschrieben, der Kurzschlußstrom nicht über den Halbleiter geht, genügen übliche Maßnahmen für die Kon­ taktierung der metallischen Elektroden zu den leitfähigen Oberflächenbereichen des Halbleiterkörpers.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Zündvor­ richtung in einer Ausbildung, wie sie insbesondere für eine Zündkerze besonders geeignet ist. Die äußere Ringelektrode 22, die Mittelelektrode 24 und der Halbleiterkörper 23 sind so angeordnet und mit ihren Oberflächen ausgebildet, daß diese im wesentlichen eine Kugelschale definieren, deren Randbereich durch die Ringelektrode 22, deren Boden durch die Mittelelektrode 24 und deren dazwischen liegender Bereich durch den Halb­ leiterkörper 23 gebildet ist, wie dies Fig. 4 zeigt. Der Halbleiterkörper enthält wiederum eine ringförmige Aus­ schleifung 13 mit einer bis in den schlecht leitenden Kern 12 reichenden Tiefe, so daß der dotierte Oberflächenbereich 11 in zwei Teile zerfällt, von denen jeder mit einer der Elektroden 22 und 24 in Verbindung steht.

Mit der Ausgestaltung der Funkenstrecke gemäß Fig. 4 läßt sich vermeiden, daß das sich bildende Plasma an den Metallelektroden vorbei in den Brennraum geschleudert wird und diese Elektroden vom Plasma eventuell nur kleinflächig berührt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bildet sich das 1. Plasma auf der Halbleiteroberfläche bei 20, 21. Während seiner Ausbreitung bewegt sich das Plasma auf die in seiner Ausbreitungsrichtung liegende Ring- bzw. Körperelektrode 22 zu. Bis die Körperelektrode 22 erreicht ist, hat das Plasma ein so großes Volumen eingenommen, daß die Berührung zur Körperelektrode sehr großflächig erfolgt. Die Anordnung ist dabei so gewählt, daß auch die Mittelelektrode 24 entspre­ chend der Volumenzunahme nahezu gleichzeitig erreicht und großflächig berührt wird.

Damit kann dann der Kurzschlußstrom über das Plasma fließen, ohne die Halbleiteroberfläche oder die großflächig berührten metallischen Elektroden besonders zu belasten. Das Plasma wird dabei so weit aufgeheizt, wie der Energie­ speicher (Kondensator) für den Funken Energie nachschiebt. Rückstoßkräfte treiben dabei die Plasmawolke aus dem schüs­ selförmigen Hohlraum der Zündvorrichtung - Halbleiterzünd­ kerze - in den Brennraum.

Durch eine äußere induktive Beschaltung kann der volle Kurzschlußstrom so lange verzögert werden, bis sich das 1. Plasma so weit ausgedehnt hat, daß die großflächige Kontak­ tierung zu Mittel- und Körperelektrode bereits sicherge­ stellt ist. Damit werden eventuelle vorzeitige Überschläge von den Elektroden zu dem noch nicht voll ausgebildeten Plasma vermieden, insbesondere dann, wenn der leitende Ober­ flächenbereich des Halbleiterkörpers nicht sehr niederohmig ist.

Vorzugsweise wird die Polung von Mittelelektrode 24 und äußerer Ringelektrode (Körperelektrode) 22 so gewählt, daß letztere die Kathode und Mittelelektrode die Anode darstellt. Die Ringelektrode hat nämlich die größere Oberfläche und da ein großer Teil der Energie wegen des Kathodenfalls auf der Kathodenoberfläche umgesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn die großflächigere Elektrode die Kathode darstellt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Zündvorrichtung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, schließt die äußere Ring­ elektrode (Körperelektrode) 22 die oben erwähnte Kugelschale im wesentlichen zu einer vollen kugelförmigen Kammer. Die als Kathode geschaltete äußere Ringelektrode 22 ist dabei an die Form des entstehenden 1. Plasmas weitgehend angepaßt, so daß als Kontaktfläche eine außergewöhnlich große Fläche zur Verfügung steht. Die kugelförmige Kammer weist eine Kammeröffnung 27 auf, durch die das weiter aufgeheizte Plas­ ma unter hohem Innendruck mit großer Geschwindigkeit weit in den sich anschließenden Brennraum hinausgeschleudert wird.

Der Außenmantel der die Kathode darstellenden Ring­ elektrode (Körperelektrode) 22 kann mit Schraubgewinde und Dichtschulter versehen sein, so daß der Einsatz in übliche Zündkerzengewindebohrungen paßt.

Wenn die elektrische Auslegung so gewählt ist, daß nur in etwa die elektrische Energie zur Verfügung steht, die für die Bildung des 1. Plasmas ausreicht, so ist die Anord­ nung nach Fig. 5 trotzdem für einen Einsatz bei Hubkolben­ motoren sinnvoll, weil dann der Kammerhohlraum periodisch mit zündfähigem Gemisch gefüllt wird, wobei dieses Gemisch durch das 1. Plasma voll gezündet und die heißen Gase dann auch wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 weit in den Brennraum geschleudert werden. Die Hauptenergie entstammt in diesem Fall dann eben dem Kraftstoff-Luftgemisch.

Durch das energiereiche Ausschleudern heißer, zum Teil ionisierter Gase in den eigentlichen Brennraum wird dort das Durchbrennen des Gemisches wesentlich beschleunigt bzw. es werden auch zündunwillige Gemische noch entflammt. Zum Beispiel ist es möglich, Motoren über die bisherige Lauf­ grenze hinaus mit weiter abgemagertem Gemisch zu betreiben, was eine weitere Motoroptimierung in Richtung auf Abgasver­ ringerung und Verbrauch ermöglicht.

Die hierbei vorgesehene Funkenenergie bis zirka 1 Joule pro Funke lassen noch eine ausreichend hohe Funkenfolge zu, ohne den Aufwand für das eigentliche Zündgerät wesentlich zu erhöhen.

Fig. 6 zeigt eine der Ausführungsform der Fig. 4 ähn­ liche Ausführungsform der gegenständlichen Zündvorrichtung, die als prüffähiger Einsatz hergestellt ist. Die Körperelek­ trode 22 ist hierbei als Hülse ausgebildet, die in ein alles umgebendes Schutzrohr eingesetzt werden kann, wobei in die Mittelbohrung des Halbleiterkörpers 23 ein zusätzlicher Iso­ lator 25 eingesetzt sein kann, der Überschläge an der der Zündseite abgewandten Stirnfläche und zum Teil auch Durch­ schläge durch den Halbleiterkörper behindert. Durch eine Verglasung 26 wird der Gesamtaufbau kompakt verbunden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 7 weist die wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5 kugelförmige Kammer statt einer mehrere in den Brennraum führende Bohrungen 27 auf, die jeweils die Flammstrahlen in die gewünschten Richtun­ gen lenken. Im übrigen ist die Ausführungsform nach Fig. 7 als prüffähiger Einsatz wie diejenige nach Fig. 6 ausge­ bildet.

Die beschriebenen Zündvorrichtungen sind als Hochener­ giezündkerze nicht nur für Brennkraftmaschinen, sondern auch für Gasturbinen und Triebwerke geeignet. Sie können dabei in Verbindung mit einer Kondensatorentladung­ energiezündung, mit einer Plasmajet-Zündung, bei der die Energie für das erste Plasma und den Kurzschlußstrom unter­ schiedlichen Energiequellen entstammt und in Verbindung mit einer Vorfunkenzündung eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Gleitfunkenzündvorrichtung mit zwei Elektroden (22, 24) und einem zwischen den Elektroden liegenden, an diese angrenzenden Halbleiterkörper (23) mit niedriger elektri­ scher Leitfähigkeit, dessen sich zwischen den Elektroden erstreckende Oberfläche einen Rand der Entladungsstrecke bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper angrenzend an jede der Elektroden (22, 24) einen gut leitend dotierten Oberflächenbereich (11) enthält, der einen an die ihm zugeordnete Elektrode (22, 24) angrenzenden Teil der genannten Oberfläche ausbildet, wobei die zu verschiedenen Elektroden gehörigen dotierten Bereiche durch den Kern (12) des Halbleiterkörpers mit niedriger elektrischer Leitfähig­ keit getrennt sind.

2. Gleitfunkenzündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zwischen den Elektroden er­ streckende Oberfläche des Halbleiterkörpers (23) konkav ist.

3. Gleitfunkenzündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie axialsymmetrisch ausgebildet ist und eine Elektrode (24) in der Achse liegt, während die andere Elektrode (22) die axiale Elektrode ringförmig umgibt, wobei die Oberflächen der Elektroden (22, 24) und des zwi­ schen ihnen liegenden Halbleiterkörpers (23) in etwa eine Kugelschale ausbilden.

4. Gleitfunkenzündvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (22) die Kugelscha­ le zu einer kugelförmigen Entladungskammer schließt, wobei die Entladungskammer in der äußeren Elektrode eine oder mehrere nach außen gehende Öffnungen (27) für den Plasma­ ausstoß aus der Entladungskammer aufweist.

5. Gleitfunkenzündvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (22) die Kathode ist.

6. Gleitfunkenzündvorrichtung nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, ausgebildet als Zündkerze für Brennkraftma­ schinen.