EP3325799A1 - Verfahren zur ausführung mit dem betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur ausführung mit dem betrieb einer brennkraftmaschine

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EP3325799A1
EP3325799A1 EP16734559.4A EP16734559A EP3325799A1 EP 3325799 A1 EP3325799 A1 EP 3325799A1 EP 16734559 A EP16734559 A EP 16734559A EP 3325799 A1 EP3325799 A1 EP 3325799A1
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EP
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spark plug
internal combustion
combustion engine
determined
ignition
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Markus Raindl
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Rolls Royce Solutions GmbH
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MTU Friedrichshafen GmbH
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Publication date
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    • F02P2017/121—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current by measuring spark voltage

Definitions

  • the present invention relates to a method of execution with the operation of a
  • the object of the present invention is to provide a method based on which a failure can be predicted.
  • the internal combustion engine is preferably a gas engine, in particular a large engine, furthermore in particular a large engine running in lean operation, eg for a commercial vehicle such as a ship, a special vehicle, eg also for industrial applications.
  • the spark plug is preferably a pre-chamber spark plug, which - in a known manner - may have a spark plug housing or a spark plug body, furthermore an antechamber cap which - together with the spark plug housing - defines an antechamber combustion chamber of the spark plug, ie an antechamber.
  • the spark plug has an (ignition) electrode arrangement, particularly preferably accommodated in the prechamber combustion chamber, whose ignition electrodes are at a distance from each other, ie an electrode gap (at the spark gap).
  • the electrode arrangement comprises, in particular, a center electrode and at least one ground electrode, which define the electrode spacing to one another (which varies with the burnup of the electrodes over the life of the spark plug, in particular increases).
  • the arranged on the combustion chamber spark plug is further provided for the spark ignition in the combustion chamber registered fuel mixture.
  • a cylinder pressure at the ignition time at the combustion chamber and a breakdown (ignition) voltage is detected at the spark plug in a first step (in an ignition) (as ignition is referred to in the context of the invention, the time of triggering of the spark at the spark plug).
  • a cylinder pressure sensor is provided in this context, while the breakdown voltage can be detected by a device suitable for this purpose.
  • a device may e.g. comprise a high-resolution measuring arrangement, e.g. in the gigahertz range, supplying measuring signals which are e.g. on an ignition voltage line (to the spark plug) picks up voltage signals to provide the breakdown voltage information, or e.g. on a measuring line.
  • a current electrode spacing of the ignition electrodes which represents a current ignition electrode wear condition, is now determined based on the detected cylinder pressure, the detected breakdown voltage and a (proportionality) constant.
  • Equation 1 UZZP
  • the determined electrode spacing advantageously serves as a wear indicator (since, as already mentioned, the electrode spacing varies with the operating time of the spark plug, in particular over the running time of the spark plug, as a rule, that is to say by burning (melting) of the ignition electrodes).
  • the wear-related costs can be advantageously reduced.
  • the proportionality constant used in the second step is preferably determined as a system-specific variable on the internal combustion engine, in particular once and based in particular on a previously known electrode spacing of the spark plug, furthermore a corresponding cylinder pressure at the ignition point and a correspondingly determined breakdown voltage of the spark plug.
  • the previously known electrode spacing of the spark plug furthermore a corresponding cylinder pressure at the ignition point and a correspondingly determined breakdown voltage of the spark plug.
  • Electrode spacing is e.g. defined by the manufacturer, e.g. that electrode spacing according to the state of delivery of the spark plug.
  • the proportionality constant is e.g. determined on a test setup of internal combustion engine, ignition voltage and cylinder pressure measurement, the engine is preferably brought into a predetermined operating point. With the known electrode spacing, the proportionality constant or Paschen constant can then be determined:
  • a service life of the spark plug is determined in a further step, which is based on the current electrode spacing of the ignition electrodes determined in the second step.
  • the determined life may be an elapsed life, i. an age, alternatively or additionally, and preferably a residual life.
  • a characteristic curve can be used with which the determined electrode distance is correlated. The end of life is reached when the maximum electrode distance is reached, hence the maximum electrode wear.
  • EA max and EAmj n can now be generated in a simple way, for example, be empirically determined or model-based life characteristic curve.
  • an information signal based on the determined actual electrode spacing or the life time determined thereon can be sent to one
  • Operators are issued, in particular caused by the control unit, i. in particular with the aim of prompting user intervention as needed, e.g. a spark plug change or cylinder deactivation.
  • the ignition energy can now also be made available to the spark plug as required (eg via the ECU (and ignition system)), a combustion time or injection duration adjusted (combustion duration or combustion progression controller), or further parameters can be set as low as desired as a function of the determined electrode spacing.
  • the method may use a characteristic curve or a model which relates the determined electrode spacing with a combustion parameter, in particular with a conversion point, a combustion air ratio, a blow-in duration or a different parameter, i. for combustion-optimizing correction purposes.
  • a characteristic curve or a model which relates the determined electrode spacing with a combustion parameter, in particular with a conversion point, a combustion air ratio, a blow-in duration or a different parameter, i. for combustion-optimizing correction purposes.
  • the method advantageously also opens up the possibility of testing a respective spark plug for its originality or usability with the internal combustion engine.
  • the method can be carried out with an unused spark plug (and known, system-specific proportionality constant), wherein the determined electrode spacing is compared with a new state desired electrode spacing. If the determined electrode spacing does not correspond to the nominal distance, it can be recognized that a spark plug other than an original or intended for use with the internal combustion engine has been arranged on the combustion chamber, eg also signaled to a user via suitable signaling.
  • an internal combustion engine is also proposed, which is set up to carry out the method as discussed above.
  • the internal combustion engine may in particular comprise a cylinder with a combustion chamber, a spark plug arranged on the combustion chamber, a cylinder pressure sensor and a device for detecting the breakdown voltage at the spark plug (tapping, for example, on the ignition line),
  • a sequence control or control unit for controlling the method in particular in the form of the ECU, is furthermore preferred.
  • program code for carrying out the method can be implemented, for example also characteristics or models that can be used with the method.
  • FIG. 1 shows by way of example and schematically greatly simplified an internal combustion engine which is set up to carry out the method.
  • the internal combustion engine 1 shows an example and schematically, in particular greatly simplified, an internal combustion engine 1, with the operation of the inventive method is executable.
  • the internal combustion engine 1 provided as a (lean-burned) gas-fuel injected gas engine, e.g. of fuel gas in the form of natural gas, biogas, special gas, landfill gas, hydrogen, has one
  • Cylinder 3 in which a combustion chamber 5 is defined, i. between a reciprocating piston 7 and a combustion chamber deck 9.
  • a spark plug 11 On the combustion chamber 5, in particular on the cylinder head or combustion chamber deck 9 of the cylinder 3, arranged and protruding so far into the combustion chamber 5 is a spark plug 11 for igniting the fuel gas-air mixture.
  • the spark plug 11 is provided as Vorschzündkerze and connected via a spark plug 13 together with the ignition line 15 with an ignition system 17 of the internal combustion engine 1, which Ignition signals from a higher-level control unit 19 receives, that is from an engine control or ECU. Depending on the control of the ignition system by the ECU 19, the spark plug 11 is supplied with ignition voltage by the ignition system 17 so that sparks between the electrodes (not shown) of the spark plug 11 are generated.
  • a measuring device 23 is also provided, which also provides the breakdown voltage information to the motor controller 19.
  • a user interface 27 in the form of an operator information system is further provided on the internal combustion engine 1, which is signal-controlled by the engine control unit 19.
  • the user interface 27 may be firmly connected to the internal combustion engine 1, alternatively or additionally provide a remote interface module, for example in the form of a tablet PC or smartphone.
  • About the user interface 27 information can be preferably visualized or acoustically displayed.
  • the higher-level control unit 19 is within the scope of the present invention.
  • Program code along with characteristic curves are stored, in particular stored in a non-volatile memory, which the Motorêtang 19 for sequencing the
  • a (proportionality) constant or Paschen constant K as a system-specific variable at the Determined internal combustion engine, that is in the context of a measurement setup and using the above-mentioned equation 2), according to which applies:
  • EAknown designate a previously known electrode distance (at the spark gap) and " Pzzp” the cylinder pressure at the ignition point.
  • the previously known electrode spacing EA is known here as an electrode gap of a new one
  • the actual electrode spacing EA of the ignition electrodes (at the spark gap), which represents a current ignition electrode wear state , is determined based on the cylinder pressure p zzp detected in the first step, the detected breakdown Voltage UZZP and - determined as described above - proportionality constant K, ie by the ECU 19. The determination is used in particular the above-mentioned
  • Equation 1) Uzzp
  • Fig. 2 shows by way of example a characteristic curve for the spark plug 11, as it can be used for the lifetime determination, e.g. determined empirically.
  • the electrode spacing EA is over the
  • Electrode distance to that at the end of service life (EA max ), ie the maximum possible electrode distance (with maximum possible electrode wear).
  • the maximum possible electrode spacing EA max can be determined based on the above-mentioned equation 3) according to:
  • the current determined electrode distance EA is correlated with the characteristic.
  • the distance (thus determined by subtraction) of the operating hours actually achieved (corresponding to the actual electrode gap) from the end of life (corresponding to the maximum electrode gap) now indicates the remaining service life, which is signaled by the ECU 19 via the user interface 27, ie with an information signal.
  • a spark plug exchange is advantageously possible demand.
  • parallel to the lifetime determination and signaling in the method according to the invention in a step after the second step - in particular again continuously with the operation of the internal combustion engine - set a combustion parameter of the internal combustion engine 1 based on the determined in the second step electrode spacing, in particular a combustion air ratio.
  • the setting is based on the knowledge that the electrode spacing EA decisively determines the burning rate or the flow velocity in the combustion chamber 5, given otherwise unchanged requirements. For example, with a relatively small electrode gap E A, for example when the spark plug 11 is in a new state, combustion would be initiated only slowly, in particular as only a small spark jumps over the spark gap between the electrodes. As a result, the entire combustion would take place slowly, since the pressure difference between the prechamber and the combustion chamber 5 is unfavorable, thus only a small ignition-radiation penetration depth into the combustion chamber 5 is achieved, the combustion in the combustion chamber 5 being carried off in the sequence.
  • the combustion air ratio ⁇ adapt to the actual electrode spacing EA, so that for an above-described KerzenMap example, an increased amount of fuel gas is blown into the combustion chamber 5, that is on the running (in lean operation) internal combustion engine 1, an enriched mixture is adjusted so that the burning rate is increased, thus allowing faster combustion with lower exhaust gas temperature and improved emission levels.
  • the electrode spacing EA increases (due to wear), the enrichment can be correspondingly reduced, e.g. the injection time can be shortened, so that with the invention always optimized combustion and emission conditions are advantageously easy to achieve.
  • it is provided to influence the combustion process as a function of the current, determined electrode spacing EA, i. by setting at least one firing parameter.
  • suitable control signals are sent to the combustion or combustion duration controller 25, i. from the ECU 19.
  • the spark plug 11 also bead formation on the spark plug 11 can be recognized, which conception the formation of very small beads on the surface the electrodes referred to, which can grow from a few microns to eg 100 ⁇ . These beads are formed by the melting of the electrode and solidify after the spark is extinguished. From a certain size, the beads can serve as a surface for further beads, so that a kind of stalagmite is formed, which can reduce the electrode distance EA so that the spark volume for a mixture ignition is too low, thus a mixture ignition can not take place.
  • an ignition energy control is advantageously also possible, in which the ignition energy supplied to the spark plug 11 is supplied to the spark plug 11 as a function of the determined actual electrode distance EA, i. advantageous as needed (so that bead formation due to high temperature, for example, can be advantageously avoided).
  • Such a method for controlling the ignition energy is e.g. from the publication DE 10 2013 010 685 AI, the disclosure content of which is incorporated herein by reference.

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Abstract

Verfahren zur Ausfuhrung mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), welche eine Zündkerze (11) aufweist, welche an einem Brennraum (5) eines Zylinders (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei: in einem ersten Schritt ein Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt (pzzp) am Brennraum (5) sowie eine Durchbruchspannung (UZZP) an der Zündkerze (11) erfasst werden, - in einem zweiten Schritt ein aktueller Elektrodenabstand (EA) der Zündelektroden, welcher einen aktuellen Zündelektrodenverschleißzustand repräsentiert, basierend auf dem erfassten Zylinderdruck (pzzp), der erfassten Durchbruchspannung (UZZP) und einer Proportionalitätskonstante (K) ermittelt wird.

Description

BESCHREIBUNG Verfahren zur Ausführung mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausführung mit dem Betrieb einer
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1. Zündkerzen in Verwendung mit Ottomotoren, insbesondere auch Gasmotoren, unterliegen erheblichen Schwankungen im Hinblick auf ihre Standzeit. So werden z.B. im drehzahl- und lastvariablen Motor zur Erfüllung von Transientzeiten niedrige Verbrennungsbeschleunigende Verbrennungsluftverhältnisse gefahren, die zu hohen Brennraumtemperaturen sowie zu hohem Verschleiß an der Zündkerze durch den zusätzlichen Wärmestrom im Verschleißelement der Zündkerze führen. Dieser erhöhte Verschleiß weist eine hohe Streuung hinsichtlich der Standzeitsicherheit auf, was in nachteiliger Weise zu einem unvorhergesehenen Ausfall führen kann.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, basierend auf welchem ein Ausfall vorhergesagt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Ausführung mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine, welche eine Zündkerze aufweist, welche an einem Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine z.B. ein Gasmotor, allgemein bevorzugt ein Ottomotor, im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Großmotor, weiterhin insbesondere ein im Magerbetrieb laufender Großmotor, z.B. für ein Nutzfahrzeug wie ein Schiff, ein Sonderfahrzeug, z.B. auch für Industrieanwendungen. Die Zündkerze ist bevorzugt eine Vorkammerzündkerze, welche - auf an sich bekannte Weise - ein Zündkerzengehäuse bzw. einen Zündkerzenkörper aufweisen kann, weiterhin eine Vorkammerkappe, welche - zusammen mit dem Zündkerzengehäuse - einen Vorkammerbrennraum der Zündkerze definiert, i.e. eine Vorkammer. Die Zündkerze weist eine (Zünd-)Elektroden- anordnung auf, insbesondere bevorzugt in dem Vorkammerbrennraum aufgenommen, deren Zündelektroden einen Abstand zueinander aufweisen, i.e. einen Elektrodenabstand (an der Funkenstrecke). Die Elektrodenanordnung umfasst insbesondere eine Mittelelektrode und wenigstens eine Masseelektrode, welche den Elektrodenabstand zu einander definieren (welcher mit dem Abbrand der Elektroden über die Lebensdauer der Zündkerze variiert, insbesondere zunimmt). Die an dem Brennraum angeordnete Zündkerze ist weiterhin zur Fremdzündung in den Brennraum eingetragenen Kraftstoffgemisches vorgesehen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren, welches bevorzugt von einer übergeordneten Ablaufsteuerung der Brennkraftmaschine koordiniert wird, z.B. einer ECU (ECU: Electronic Control Unit; Zentrales Motorsteuergerät) oder allgemein einer Kontrolleinheit, wird in einem ersten Schritt (bei einem Zündvorgang) ein Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt am Brennraum sowie eine Durchbruch(zünd)spannung an der Zündkerze erfasst bzw. ermittelt (als Zündzeitpunkt ist im Rahmen der Erfindung hierbei der Zeitpunkt des Auslösens des Zündfunkens an der Zündkerze bezeichnet).
Für die Zylinderdruckerfassung ist in diesem Zusammenhang ein Zylinderdrucksensor vorgesehen, während die Durchbruchspannung durch eine hierfür geeignete Vorrichtung erfasst werden kann. Eine solche Vorrichtung kann z.B. eine zeitlich hochauflösende Messanordnung umfassen, z.B. im Gigahertzbereich Messignale liefernd, welche z.B. an einer Zündspannungs- leitung (zur Zündkerze) Spannungssignale zur Bereitstellung der Durchbruchspannungs- information abgreift oder z.B. an einer Messleitung.
In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird nunmehr ein aktueller Elektrodenabstand der Zündelektroden, welcher einen aktuellen Zündelektrodenverschleißzustand repräsentiert, basierend auf dem erfassten Zylinderdruck, der erfassten Durchbruchspannung und einer (Pro- portionalitäts-)Konstante ermittelt. Korrespondierend mit dem Paschengesetz kann hierzu die Gleichung 1) herangezogen werden, wonach gilt: Gleichung 1): UZZP
EA =
PzzpK ' wobei mit , ?A" der (aktuelle) Elektrodenabstand, mit„UZZP" die Durchbruchspannung (zum Zündzeitpunkt), mit„pzzp" der Zylinderdruck (zum Zündzeitpunkt) und mit„K" die Pro- portionalitätskonstante bezeichnet ist.
Basierend auf dem ermittelten aktuellen Elektrodenabstand wird vorteilhaft eine verlässliche Ausfallvorhersage im Hinblick auf die Zündkerze ermöglicht, d.h. der ermittelte Elektrodenabstand dient vorteilhaft als Verschleißindikator (da, wie bereits erwähnt, der Elektrodenabstand mit der Betriebsdauer der Zündkerze variiert, insbesondere über die Laufzeit der Zündkerze im Regelfall zunimmt, d.h. durch Abbrand (Abschmelzen) der Zündelektroden). Mit einer präzisen Vorhersage können in der Folge auch die sonst üblichen Sicherheitsaufschläge auf die Standzeit verringert werden, so dass die verschleißbedingten Kosten vorteilhaft verringert werden können. Die im zweiten Schritt herangezogene Proportionalitätskonstante ist bevorzugt als systemindividuelle Größe an der Brennkraftmaschine ermittelt, insbesondere einmalig, und basiert insbesondere auf einem vorbekannten Elektrodenabstand der Zündkerze, weiterhin einem damit korrespondierend ermittelten Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt sowie einer wiederum damit korrespondierend ermittelten Durchbruchsspannung der Zündkerze. Der vorbekannte
Elektrodenabstand ist z.B. herstellerseitig definiert, z.B. jener Elektrodenabstand gemäß dem Auslieferungszustand der Zündkerze. Die Proportionalitätskonstante wird z.B. an einem Messaufbau aus Brennkraftmaschine, Zündspannungs- und Zylinderdruckmesstechnik ermittelt, wobei der Motor vorzugsweise in einen vorbestimmten Betriebspunkt gebracht wird. Mit dem bekannten Elektrodenabstand lässt sich die Proportionalitätskonstante bzw. Paschenkonstante sodann bestimmen zu:
UZZP
Gleichung 2): K =
Pzzp ^^bekannt wobei mit ,ßAbekannt i der vorbekannte Elektrodenabstand, mit„UZZP" die Durchbruchspannung (zum Zündzeitpunkt), mit„pzzp" der Zylinderdruck (zum Zündzeitpunkt) und mit„K" die Proportionalitätskonstante bezeichnet ist. Die Proportionalitätskonstante hängt z.B. vom
Gasgemisch an der Funkenstrecke (Elektrodenspalt), der Austrittsarbeit der Elektronen, dem Elektrodenwerkstoff und weiteren Parametern ab, so dass die Proportionalitätskonstante im Rahmen der Erfindung bevorzugt je systemindividuell (System aus Brennkraftmaschine und Zündkerze) ermittelt wird.
In bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens wird in einem weiteren Schritt, welcher auf dem im zweiten Schritt ermittelten aktuellen Elektrodenabstand der Zündelektroden basiert, nunmehr eine Lebensdauer der Zündkerze ermittelt. Die ermittelte Lebensdauer kann hierbei eine verstrichene Lebensdauer sein, d.h. ein Alter, alternativ oder zusätzlich und bevorzugt eine Restlebensdauer. Für die Ermittlung der Lebensdauer kann eine Kennlinie herangezogen werden, mit welcher der ermittelte Elektrodenabstand korreliert wird. Das Lebensdauerende wird erreicht, wenn der maximale Elektrodenabstand erreicht ist, mithin der maximale Elektrodenverschleiß.
Der maximale Elektrodenabstand kann z.B. für die Zündkerze ermittelt werden zu: Gleichung 3): EAmax = EAmin +. dVerschleißkörper, wobei mit ,JAmax" der maximale, das Lebensdauerende kennzeichnende Elektrodenabstand, mit ,fiAmin" der anfängliche, den Lebensdauerbeginn kennzeichnende minimale Elektrodenabstand und mit„dversMeißkörpe " die Dicke des abbrandfähigen Elektrodenmaterials bezeichnet ist. Mit den bekannten Werten für EAmax und EAmjn kann eine Lebensdauerkennlinie nunmehr auf einfache Weise generiert werden, z.B. empirisch ermittelt werden oder auch modellgestützt.
In Weiterbildung des Verfahrens kann ein Informationssignal basierend auf dem ermittelten aktuellen Elektrodenabstand oder der darauf basierend ermittelten Lebensdauer an einen
Bediener ausgegeben werden, insbesondere veranlasst von der Kontrolleinheit, d.h. insbesondere mit dem Ziel, bedarfsgerecht einen Nutzereingriff zu veranlassen, z.B. einen Zündkerzenwechsel oder eine Zylinderabschaltung.
Weiterhin bevorzugt sind auch Weiterbildungen des Verfahrens dahingehend vorgesehen, dass basierend auf dem im zweiten Schritt ermittelten Elektrodenabstand in einem weiteren Schritt, z.B. und bevorzugt auch zusätzlich zu der Lebensdauerermittlung, wenigstens ein Verbrennungsparameter der Brennkraftmaschine eingestellt bzw. dem aktuellen Elektrodenabstand nachgeführt wird, insbesondere ein Verbrennungsluftverhältnis (Lambda). Durch Nachführung eines oder mehrerer Verbrennungsparameter in Abhängigkeit des ermittelten Elektrodenabstands, mithin des Zündkerzenalters, kann der alterungsbedingte Einfluss der Zündkerze auf die Verbrennung nunmehr vorteilhaft - durch die Motorregelung - kompensiert werden, in der Folge auch eine verbesserte Einhaltung von Emissionsgrenzwerten erzielt werden. Z.B. kann nunmehr auch die Zündenergie bedarfsgerechter an der Zündkerze bereitgestellt werden (z.B. via ECU (und Zündanlage)), eine Brenndauer oder Einblasedauer verstellt (Brenndauer- bzw. Brenn- verlaufsregler) oder weitere Parameter in Abhängigkeit des ermittelten Elektrodenabstands verbrennungsgünstig eingestellt werden.
Für eine derartige Parameterbeeinflussung kann mit dem Verfahren eine Kennlinie oder ein Modell verwendet werden, welche bzw. welches den ermittelten Elektrodenabstand mit einem Verbrennungsparameter, insbesondere mit einem Umsatzpunkt, einem Verbrennungsluftverhältnis, einer Einblasedauer oder einem davon verschiedenen Parameter in Beziehung setzt, d.h. zu verbrennungsoptimierenden Korrekturzwecken. Mit der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass das Verfahren iterativ und kontinuierlich durchgeführt wird, mithin der Abstand der Zündelektroden kontinuierlich ermittelt bzw.
überwacht wird. Einhergehend damit wird auch eine kontinuierliche, elektrodenabstands- abhängige Beeinflussung der Verbrennung - wie oben erörtert - vorgesehen, daneben z.B. auch eine kontinuierliche Lebensdauerermittlung und -signalgebung.
Mit dem Verfahren wird vorteilhaft auch die Möglichkeit eröffnet, eine jeweilige Zündkerze auf ihre Originalität bzw. Verwendbarkeit mit der Brennkraftmaschine zu prüfen. Hierzu kann das Verfahren mit einer ungebrauchten Zündkerze (und bekannter, systemindividueller Proportionalitätskonstante) durchgeführt werden, wobei der ermittelte Elektrodenabstand mit einem Neuzustands-Soll-Elektrodenabstand verglichen wird. Entspricht der ermittelte Elektrodenabstand nicht dem Soll- Abstand, kann erkannt werden, dass eine andere als eine originale oder die zur Verwendung mit der Brennkraftmaschine vorgesehene Zündkerze am Brennraum angeordnet wurde, z.B. auch via geeigneter Signalgebung an einen Nutzer signalisiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche zur Durchführung des wie vorstehend erörterten Verfahrens eingerichtet ist. Hierzu kann die Brennkraftmaschine insbesondere einen Zylinder mit einem Brennraum aufweisen, eine am Brennraum angeordnete Zündkerze, einen Zylinderdrucksensor sowie eine Vorrichtung zur Erfassung der Durchbruchspannung an der Zündkerze (Abgriff z.B. an der Zündleitung), daneben weiterhin bevorzugt eine Ablaufsteuerung oder Kontrolleinheit zur Steuerung des Verfahrens, insbesondere in Form der ECU. In dieser und/oder einem Datenträger kann weiterhin Programmcode zur Durchführung des Verfahrens implementiert sein, zum Beispiel auch mit dem Verfahren verwendbare Kennlinien oder Modelle.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in verschiedener Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 exemplarisch und schematisch stark vereinfacht eine Brennkraftmaschine, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
Fig. 2 exemplarisch und schematisch eine Kennlinie zur Ermittlung der Lebensdauer der
Zündkerze.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Fig. 1 zeigt exemplarisch und schematisch, insbesondere stark vereinfacht, eine Brennkraft- maschine 1 , mit deren Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Die Brennkraftmaschine 1, bereitgestellt als (magerbetriebener) Gasmotor mit Brenngaseinblasung, z.B. von Brenngas in Form von Erdgas, Biogas, Sondergas, Deponiegas, Wasserstoff, weist einen
Zylinder 3 auf, in welchem ein Brennraum 5 definiert ist, d.h. zwischen einem Hubkolben 7 und einem Brennraumdeck 9. Am Brennraum 5, insbesondere an dem Zylinderkopf bzw. Brenn- raumdeck 9 des Zylinders 3, angeordnet und insoweit in den Brennraum 5 ragend ist eine Zündkerze 11 zur Zündung des Brenngas-Luft- Gemisches.
Die Zündkerze 11 ist als Vorkammerzündkerze bereitgestellt und über einen Kerzenstecker 13 samt Zündleitung 15 mit einer Zündanlage 17 der Brennkraftmaschine 1 verbunden, welche Zündsignale von einer übergeordneten Kontrolleinheit 19 erhält, das heißt von einer Motorsteuerung bzw. ECU. In Abhängigkeit der Ansteuerung der Zündanlage durch die ECU 19 wird die Zündkerze 11 mit Zündspannung durch die Zündanlage 17 versorgt, so dass Zündfunken zwischen den Elektroden (nicht dargestellt) der Zündkerze 11 generiert werden.
Maßgeblich für die notwendige Zündenergie zur Erzeugung eines Zündfunkens ist hierbei der aktuelle Elektrodenabstand EA der Zündelektroden, welche eine Mitten- und eine Massenelektrode umfassen, d.h. zur Ausbildung der Funkenstrecke.
Wie Fig. 1 weiter veranschaulicht, ist in Wirkverbindung mit dem Brennraum 5 ferner ein Zylinderdrucksensor 21 am Brennraum 5 angeordnet, welcher Brennraumdruckinformation pzyi an die Motorsteuerung 19 liefert. Zur Erfassung einer Durchbrachspannung an der Zündkerze 11 ist weiterhin eine Messvorrichtung 23 vorgesehen, welche die Durchbruchspannungsinformation ebenfalls an die Motorsteuerung 19 bereitstellt. Zur Erfassung der Durchbruchspannung ist die insbesondere hochfrequentauflösende Mess- bzw. Abtastvorrichtung 23, welche im GHz-Bereich abtastet, über eine Messleitung 23a an die Zündkerze 11 gekoppelt.
In Wirkverbindung mit der Motorsteuerung 19 und durch diese kontrolliert steht weiterhin ein Brennverlaufs- bzw. Brenndauerregler 25, über welchen der Brennverlauf geregelt wird und welcher durch Sollvorgaben seitens der Motorsteuerung 19 beeinflussbar ist.
Ein Nutzerinterface 27 in Form eines Bediener- Informationssystems ist weiterhin an der Brennkraftmaschine 1 bereitgestellt, welches seitens der Motorsteuereinheit 19 signalgebend ansteuerbar ist. Das Nutzerinterface 27 kann mit der Brennkraftmaschine 1 fest verbunden sein, alternativ oder zusätzlich ein abgesetztes Interfacemodul vorsehen, zum Beispiel in Form eines Tablet-PCs oder Smartphones. Über das Nutzerinterface 27 können Informationen vorzugsweise visualisiert oder auch akustisch dargestellt werden.
Die übergeordnete Kontrolleinheit 19 weist im Rahmen der vorliegenden Erfindung
Programmcode auf, daneben sind Kennlinien abgespeichert, insbesondere abgelegt in einem nichtflüchtigen Speicher, welche die Motorsteuerang 19 zur Ablaufsteuerung des
erfindungsgemäßen Verfahrens befähigen, welches nachfolgend näher beschrieben ist.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird für dessen Durchführung zunächst eine (Proportionalitäts-)Konstante bzw. Paschenkonstante K als systemindividuelle Größe an der Brennkraftmaschine ermittelt, das heißt im Rahmen eines Messaufbaus und unter Hinzuziehung der eingangs erwähnten Gleichung 2), wonach gilt:
Gleichung 2): K = ^
Vzzp ^^bekannt und worin„K" die Proportionalitätskonstante,„UZZP" die Durchbruchspannung (zum
Zündzeitpunkt),„EAbekannt" einen vorbekannten Elektrodenabstand (an der Funkenstrecke) und »Pzzp" den Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt bezeichnen. Der vorbekannte Elektrodenabstand EAbekannt ist hierbei ein Elektrodenabstand einer neuen
Zündkerze bzw. der Zündkerze 1 1 im Neuzustand, wie dieser herstellerseitig vorgegeben ist und wie diese zur einmaligen bzw. anfänglichen Ermittlung der Proportionalitätskonstante K genutzt wird. Die weiteren Größen„UZZP" und "pZZp" werden messtechnisch unter Verwendung der neuen Zündkerze 1 1 ermittelt, das heißt mittels des Zylinderdrucksensors 21 und der
Vorrichtung 23 zur Messung der Durchbruchspannung. Rechnerisch wird daraus nun die
Proportionalitätskonstante für das mit der Brennkraftmaschine 1 ausführbare erfindungsgemäße Verfahren bestimmt, insbesondere in der verfahrenssteuernden Kontrolleinheit 19 abgelegt. Bei dem Verfahren wird - insbesondere kontinuierlich mit dem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 - in einem ersten Schritt ein Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt (pzzp) am Brennraum 5 sowie eine Durchbruchspannung (UZZP) an der Zündkerze 1 1 erfasst. Hierzu liefern der Zylinderdrucksensor 21 sowie die Vorrichtung 23 zur Durchbruchspannungsermittlung je (kontinuierlich) geeignete Messsignale an die ECU bzw. die übergeordnete Kontrolleinheit 19.
In einem zweiten Schritt - insbesondere wiederum kontinuierlich mit dem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 - wird nunmehr der aktuelle Elektrodenabstand EA der Zündelektroden (an der Funkenstrecke), welcher einen aktuellen Zündelektrodenverschleißzustand repräsentiert, basierend auf dem im ersten Schritt erfassten Zylinderdruck pzzp, der erfassten Durchbruch- Spannung UZZP und der - wie oben beschrieben ermittelten - Proportionalitätskonstante K ermittelt, d.h. durch die ECU 19. Zur Ermittlung dient insbesondere eingangs erwähnte
Gleichung 1), wonach gilt: Gleichung 1): EA = Uzzp
PzzpK ' wobei mit„E/4" der (aktuelle) Elektrodenabstand, mit„UZZP" die Durchbruchspannung (zum Zündzeitpunkt), mit„pzzp" der Zylinderdruck (zum Zündzeitpunkt) und mit„K" die Pro- portionalitätskonstante bezeichnet ist.
Aus der Gleichung 1) ist mit kontinuierlicher Durchführung des Verfahrens somit fortwährend der aktuelle Elektrodenabstand EA bekannt, welcher im Rahmen der Erfindung bevorzugt weiterhin zur Lebensdauerermittlung herangezogen wird, d.h. in einem weiteren Schritt.
Fig. 2 zeigt exemplarisch eine Kennlinie für die Zündkerze 11 , wie sie für die Lebensdauerermittlung Verwendung finden kann, z.B. empirisch ermittelt. In der Kennlinie, welche bevorzugt ebenfalls in der ECU 19 hinterlegt ist, ist der Elektrodenabstand EA über den
Betriebsstunden Bh, mithin der Lebensdauer angetragen, wobei der minimale (vorbekannte) Elektrodenabstand jenem bei null Betriebsstunden entspricht (EA(OBh)), der maximale
Elektrodenabstand jenem zum Standzeitende (EAmax), das heißt dem maximal möglichen Elektrodenabstand (mit maximal möglichem Elektrodenabbrand). Der maximal mögliche Elektrodenabstand EAmax kann ermittelt werden basierend auf der eingangs erwähnten Gleichung 3) gemäß:
Gleichung 3): EAmax = EAmin + dVerscMeißkörper wobei mit ,J Amax" der maximale, das Lebensdauerende kennzeichnende Elektrodenabstand bezeichnet ist, mit ,J?Amin" der anfängliche, den Lebensdauerbeginn kennzeichnende minimale Elektrodenabstand und mit„dve chieißkörpe " die Dicke des abbrandfähigen Elektrodenmaterials.
Zur Lebensdauerermittlung, bevorzugt der Restlebensdauer der Zündkerze 1 1, wird der aktuelle ermittelte Elektrodenabstand EA mit der Kennlinie korreliert. Der (durch Differenzbildung) somit ermittelbare Abstand der aktuell erreichten Betriebsstunden (korrespondierend mit dem aktuellen Elektrodenabstand) vom Lebensdauerende (korrespondierend mit dem maximalen Elektrodenabstand) indiziert nunmehr die Restlebensdauer, welche von der ECU 19 über das Nutzerinterface 27 signalisiert wird, d.h. mit einem Informationssignal. In der Folge wird nunmehr ein Zündkerzentausch vorteilhaft bedarfsgerecht möglich. Insbesondere parallel zu der Lebensdauerermittlung und Signalisierung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Schritt nach dem zweiten Schritt - insbesondere wiederum kontinuierlich mit dem Betrieb der Brennkraftmaschine - ein Verbrennungsparameter der Brennkraftmaschine 1 basierend auf dem im zweiten Schritt ermittelten Elektrodenabstand eingestellt, insbesondere ein Verbrennungsluftverhältnis.
Der Einstellung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Elektrodenabstand EA die Brenngeschwindigkeit bzw. die Strömungsgeschwindigkeit im Brennraum 5 - bei ansonsten unver- änderten Voraussetzungen - maßgeblich bestimmt. Zum Beispiel würde bei relativ kleinem Elektrodenabstand E A, zum Beispiel bei Neuzustand der Zündkerze 11 , die Verbrennung nur langsam initiiert, insbesondere als nur ein kleiner Zündfunken an der Funkenstrecke zwischen den Elektroden überspringt. In der Folge würde die gesamte Verbrennung langsam ablaufen, da das Druckgefalle zwischen Vorkammer und Brennraum 5 unvorteilhaft ist, mithin nur geringe Zündstrahleindringtiefe in den Brennraum 5 erzielt wird, die Verbrennung im Brennraum 5 in der Folge verschleppt wird.
Mit der Erfindung ist es nunmehr vorgesehen, dass Verbrennungsluftverhältnis λ an den aktuellen Elektrodenabstand EA anzupassen, so dass für einen wie vorstehend geschilderten Kerzenzustand zum Beispiel eine erhöhte Menge an Brenngas in den Brennraum 5 eingeblasen wird, das heißt an der (im Magerbetrieb laufenden) Brennkraftmaschine 1 wird ein angefettetes Gemisch eingestellt, so dass die Brenngeschwindigkeit erhöht wird, mithin sich eine schnellere Verbrennung bei niedrigerer Abgastemperatur und verbesserten Emissionswerten erzielen lässt. Wird der Elektrodenabstand EA größer (verschleißbedingt), kann die Anfettung korrespondierend zurückgenommen werden, z.B. die Einblasedauer verkürzt werden, so dass mit der Erfindung stets optimierte Verbrennungs- und Emissionsbedingungen vorteilhaft einfach erzielbar sind. Mit anderen Worten wird vorgesehen, den Brennverlauf in Abhängigkeit des aktuellen, ermittelten Elektrodenabstands EA zu beeinflussen, d.h. durch Einstellung wenigstens eines Brennparameters. Hierzu werden geeignete Steuersignale an den Brennverlaufs- bzw. Brenndauerregler 25 übermittelt, d.h. seitens der ECU 19.
Abschließend sei noch erwähnt, dass mit der Erfindung auch Perlenbildung an der Zündkerze 11 erkannt werden kann, welche Begrifflichkeit die Bildung kleinster Kügelchen an der Oberfläche der Elektroden bezeichnet, die von wenigen Mikrometern bis z.B. 100 μπι anwachsen können. Diese Perlen entstehen beim Aufschmelzen der Elektrode und erstarren nachdem der Funken gelöscht ist. Ab einer bestimmten Größe können die Perlen als Oberfläche für weitere Perlen dienen, so dass eine Art Stalagmit entsteht, der den Elektrodenabstand EA so verringern kann, dass das Funkenvolumen für eine Gemischentzündung zu gering wird, mithin eine Gemischentzündung nicht mehr stattfinden kann.
Mit dem Verfahren bzw. dem aktuell ermittelten Elektrodenabstand EA wird vorteilhaft auch eine Zündenergieregelung möglich, bei welcher die der Zündkerze 11 zugeführte Zündenergie in Abhängigkeit des ermittelten, aktuellen Elektrodenabstands EA an die Zündkerze 11 zugeführt wird, d.h. vorteilhaft bedarfsgerecht (so dass Perlenbildung aufgrund zu hoher Temperatur zum Beispiel vorteilhaft vermieden werden kann).
Ein solches Verfahren zur Regelung der Zündenergie ist z.B. aus der Druckschrift DE 10 2013 010 685 AI bekannt, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Ausführung mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), welche eine Zündkerze (11) aufweist, welche an einem Brennraum (5) eines Zylinders (3) der
Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei:
in einem ersten Schritt ein Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt (pzzp) am Brennraum (5) sowie eine Durchbruchspannung (UZZP) an der Zündkerze (11) erfasst werden, in einem zweiten Schritt ein aktueller Elektrodenabstand (EA) der Zündelektroden, welcher einen aktuellen Zündelektrodenverschleißzustand repräsentiert, basierend auf dem erfassten Zylinderdruck (pzzp), der erfassten Durchbruchspannung (UZZP) und einer Proportionälitätskonstante ( ) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- basierend auf dem im zweiten Schritt ermittelten, aktuellen Elektrodenabstand (EA) der Zündelektroden in einem weiteren Schritt eine Lebensdauer der Zündkerze (11) ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
basierend auf dem im zweiten Schritt ermittelten, aktuellen Elektrodenabstand (EA) in einem weiteren Schritt ein Verbrennungsparameter der Brennkraftmaschine (1) eingestellt wird, insbesondere ein Verbrennungsluftverhältnis (λ).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren iterativ durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Proportionalitätskonstante (K) basierend auf einem vorbekannten Elektrodenabstand (EAbekannt), einem Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt (pzzp) sowie einer Durchbruchspannung (UZZP) der Zündkerze (11) als systemindividuelle Größe an der
Brennkraftmaschine (1) ermittelt ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren mit einer ungebrauchten Zündkerze (11) durchgeführt wird, wobei der ermittelte aktuelle Elektrodenabstand (EA) mit einem Neuzustands-Soll-Elektroden- abstand verglichen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
basierend auf dem ermittelten Elektrodenabstand (EA) ein Informationssignal für einen Bediener an der Brennkraftmaschine (1) ausgegeben wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem Verfahren eine Kennlinie verwendet wird, welche den ermittelten, aktuellen Elektrodenabstand (EA) mit einer Lebensdauer in Beziehung setzt; und/oder mit dem Verfahren eine Kennlinie verwendet wird, welche den ermittelten, aktuellen Elektrodenabstand (EA) mit einem Verbrennungsparameter, insbesondere mit einem Umsatzpunkt oder einem Verbrennungsluftverhältnis (λ), in Beziehung setzt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündkerze (11) eine Vorkammerzündkerze ist; und/oder
die Brennkraftmaschine (1) ein Gasmotor ist.
10. Brennkraftmaschine (1), aufweisend einen Zylinder (3) mit einem Brennraum (5), eine am Brennraum (5) angeordnete Zündkerze (11), einen Zylinderdrucksensor (21) sowie eine Vorrichtung (23) zur Erfassung der Durchbruchspannung an der Zündkerze (11),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennkraftmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichet ist.
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