CN107850035A - 用于利用内燃机的运行实施的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于利用内燃机(1)的运行实施的方法，所述内燃机具有火花塞(11)，该火花塞布置在内燃机(1)的汽缸(3)的燃烧空间(5)处，其中：在第一步骤中，感测在燃烧空间(5)处在点火时间点(pzzp)的汽缸压力以及在所述火花塞(11)处的击穿电压(UZZP)，‑在第二步骤中，基于所感测的汽缸压力(pzzp)、所感测的击穿电压(UZZP)和比例常数(K)获取点火电极的实时电极间距(EA)，该实时电极间距体现实时的点火电极磨损状态。

Description

用于利用内燃机的运行实施的方法
技术领域
本发明涉及一种用于利用根据权利要求1的内燃机的运行实施的方法。
背景技术
火花塞在连同奥托发动机(Ottomotor)、尤其同样燃气发动机的使用中在其使用时间(Standzeit)方面遭受显著的波动。因此例如在转速可变和负载可变的发动机中为了满足短暂时间而采用起使燃烧加速作用的低燃烧空气比例，该燃烧空气比例由于火花塞的磨损元件中附加的热流而导致过高的燃烧空间温度以及导致在火花塞处的过高的磨损。这种提高的磨损在使用时间安全性方面具有较高的散布(Streuung)，这能够以不利的方式导致未预见的失灵。
发明内容
以此为出发点，本发明基于以下任务，即，说明一种方法，基于该方法能够预测失灵。
该任务利用带有权利要求1的特征的方法来解决。
本发明的有利的改进方案和实施方式在另外的权利要求中说明。
根据本发明，提出一种用于利用内燃机的运行实施的方法，该内燃机具有火花塞，该火花塞布置在内燃机的汽缸的燃烧空间处。优选地，该内燃机例如是燃气发动机、一般优选地是奥托发动机、在本发明的范围内尤其是一种大型发动机(Großmotor)、此外尤其是在稀薄运行(Magerbetrieb)中运转的大型发动机，例如用于如船舶之类的商用交通运输工具、特种交通运输工具，例如也用于工业应用。
火花塞优选地为预燃室火花塞，该预燃室火花塞能够(以本身已知的方式)具有火花塞壳体或火花塞体，此外具有预燃室罩，该预燃室罩(与火花塞壳体一起)限定火花塞的预燃室燃烧空间，即预燃室。火花塞具有(点火)电极组件(尤其优选地容纳在预燃室燃烧空间中)，该电极组件的点火电极彼此具有间距、即(在火花隙(Funkenstrecke)处的)电极间距。电极组件尤其包括中间电极(Mittenelektrode)和至少一个接地电极(Massenelektrode)，它们彼此限定电极间距(该电极间距随着电极的燃尽在火花塞的使用寿命上变化、尤其增加)。布置在燃烧空间处的火花塞此外设置成用于带入到燃烧空间中的燃料混合物的外源点火(Fremdzündung)。
在所提出的方法中(该方法优选地由内燃机的上级的流程控制器、例如ECU(ECU：电子控制单元(Electronic Control Unit)；中央发动机控制器)或通常控制单元来协调)，在第一步骤中(在点火过程中)感测或获取在燃烧空间处在点火时间点的汽缸压力以及在火花塞处的击穿(点火)电压(在此，在本发明的范围内，点火火花在火花塞处触发的时间点称为点火时间点)。
就此而言，为了进行汽缸压力感测设置有汽缸压力传感器，而击穿电压能够通过为此适用的装置来感测。这样的装置能够例如包括在时间上高分辨的的测量组件(例如在千兆赫范围内提供测量信号)，该测量组件例如在(至火花塞的)点火电压线路处或例如在测量线路处量取用于提供击穿电压信息的电压信号。
在该方法的第二步骤中，从现在起基于所感测的汽缸压力、所感测的击穿电压以及(比例)常数来获取点火电极的实时电极间距，该实时电极间距体现实时的点火电极磨损状态。与帕邢定律相对应地，为此能够考虑公式1)，根据该公式适用：
公式1)：
其中，以“EA”表示(实时)电极间距，以UZZP表示(在点火时间点的)击穿电压，以“pzzp”表示(在点火时间点的)汽缸压力，以及以“K”表示比例常数。
基于所获取的实时电极间距，有利地实现在火花塞方面的可靠的失灵预测，也就是说所获取的电极间距有利地用作为磨损指标(因为，如已经提及的，电极间距随着火花塞的运行持续时间变化，尤其在火花塞的运转时间上在通常情况下增加，也就是说由于点火电极的燃尽(熔化)增加)。利用精确的预测，因此也能够减少对使用时间的另外通常的安全性冲击，从而能够有利地减少由磨损决定的成本。
在第二步骤中所考虑到的比例常数优选地作为在内燃机处的系统特有的参量来获取，尤其一次性地且尤其基于火花塞的预先已知的电极间距、此外基于与此相对应地获取的在点火时间点的汽缸压力以及又与此相对应地获取的火花塞的击穿电压来获取。预先已知的电极间距例如在供应商方面被限定，例如那个电极间距根据火花塞的交付状态来限定。比例常数例如在测量构造处由内燃机、点火电压技术和汽缸压力测量技术来获取，其中，发动机优选地被带到预先确定的运行点中。然后，利用已知的电极间距允许确定比例常数或帕邢常数(Paschenkonstante)：
公式2)：
其中，以“EA已知”表示预先已知的电极间距、以“UZZP”表示(在点火时间点的)击穿电压、以“pzzp”表示(在点火时间点的)汽缸压力以及以“K”表示比例常数。比例常数例如取决于在火花隙(电极间隙)处的气体混合物、电子的输出功(Austrittsarbeit)、电极材料以及另外的参数，从而比例常数在本发明的范围内优选地各系统特有地(由内燃机和火花塞构成的系统)来获取。
在该方法的优选的改进方案中，在另外的步骤(该另外的步骤基于在第二步骤中获取的点火电极的实时电极间距)从现在起获取火花塞的使用寿命。在此，所获取的使用寿命能够是已流逝的使用寿命、也就是说年限(Alter)、备选地或附加地且优选地是剩余使用寿命。为了获取使用寿命，能够考虑特征线，所获取的电极间距与该特征线相互关联。当达到最大电极间距、由此到达最大电极磨损时，达到使用寿命尽头(Lebensdauerende)。
最大电极间距能够例如针对火花塞来获取：
公式3)：
其中，以“EAmax”表示表征使用寿命尽头的最大电极间距，以“EAmin”表示表征使用寿命开始(Lebensdauerbeginn)的初始最小电极间距，以及以“d磨损体”表示有燃尽能力的电极材料的厚度。利用针对EAmax和EAmin的已知的值，能够从现在起以简单的方式生成使用寿命特征线，例如能够经验上被获取或也能够模型支持。
在该方法的改进方案中，能够将基于所获取的实时电极间距或基于其所获取的使用寿命的信息信号输出到操作者处，尤其由控制单元来引起，也就是说尤其带有相应于需求地引起用户介入的目的，例如是火花塞替换或汽缸关断。
此外优选地，该方法的改进方案也如下设置成，基于在第二步骤中所获取的电极间距在另外的步骤中，例如并且优选地同样附加地相对于获取使用寿命，对内燃机的至少一个燃烧参数进行调整或跟踪实时电极间距，尤其是燃烧空气比例(λ)。通过取决于所获取的电极间距跟踪一个或多个燃烧参数、由此跟踪火花塞年限，从现在起能够有利地(通过发动机调节)使火花塞对燃烧的由寿命决定的影响得到补偿，因此也得到了排放极限值的改进的维持。例如，从现在起也能够使点火能量更相应于需求地提供在火花塞处(例如通过ECU(以及点火设备))，使燃烧持续时间或吹入持续时间得到调节(燃烧持续时间调节器或燃烧过程调节器)或取决于所获取的电极间距使另外的参数燃烧适宜地得到调整。
针对这种参数影响，能够利用该方法使用特征线或模型，该特征线或该模型将所获取的电极间距与燃烧参数、尤其与转换点、燃烧空气比例、吹入持续时间或与此不同的参数相关联，也就是说为了优化燃烧的修正目的。
利用本发明尤其设置成，重复地且连续地执行该方法，由此连续地获取或监测点火电极的间距。随之因此，也设置有燃烧的连续的、取决于电极间距的影响(如上面所讨论的)，除此之外例如也设置有连续的使用寿命获取和使用寿命信号发送。
利用该方法也有利地开启以下可行方案，即对相应的火花塞针对其本源性(Originalität，有时也称为独创性)或连同内燃机的可应用性进行测试。为此，该方法能够利用未使用的火花塞(以及已知的、系统特有的比例常数)来执行，其中，将所获取的电极间距与新状态-额定-电极间距进行比较。如果所获取的电极间距不相应于额定-间距，则能够识别出，与本源的或设置成连同内燃机来使用的火花塞不同的火花塞被布置在燃烧空间处，例如也通过适合的信号发送来将信号指示到用户处。
在本发明的范围内，也提出一种内燃机，该内燃机设立成用于执行如上面所讨论的方法。为此，该内燃机尤其能够具有带有燃烧空间的汽缸、布置在燃烧空间处的火花塞、汽缸压力传感器以及用于感测在火花塞处的击穿电压的装置(例如在点火线路处进行量取)，除此之外还优选地具有用于控制该方法的、尤其呈ECU形式的流程控制器或控制单元。此外，在这些和/或一个数据载体中能够实施用于该方法的执行的程序编码，例如同样可利用该方法来使用的特征线或模型。
本发明的另外的特征和优点从接下来对本发明的实施例的描述、根据示出对于本发明而言重要的细节的图纸的图、以及从权利要求得出。各个特征能够分别本身单个地或多个地在不同的组合中在本发明的变型方案中实现。
附图说明
在下面根据所附的附图更详细地阐释本发明的优选的实施方式。其中：
图1示例性地且示意性地强烈简化地示出内燃机，该内燃机设立成用于执行方法。
图2示例性且示意性地示出用于获取火花塞的使用寿命的特征线。
在接下来的描述和图纸中，相同的或可对照的功能的元件相应于相同的参考标记。
具体实施方式
图1示例性地且示意性地、尤其强烈简化地示出内燃机1，利用该内燃机的运行可实施根据本发明的方法。作为带有例如呈天然气、生物气体、特种气体、垃圾埋填气体、氢气形式的可燃气体的可燃气体吹入的(稀薄运行的)燃气发动机来提供的内燃机1具有汽缸3，燃烧空间5被限定在该汽缸中，也就是说被限定在往复式活塞7与燃烧空间盖9之间。在燃烧空间5处、尤其在汽缸3的汽缸头部或燃烧空间盖9处布置并且就此而言伸到燃烧空间5中的是用于可燃气体-空气-混合物的点火的火花塞11。
火花塞11作为预燃室火花塞来提供并且经由塞插头13连同点火线路15与内燃机1的点火设备17连接，其从上级的控制单元19、也就是说从发动机控制器或ECU获得点火信号。取决于点火设备通过ECU19的操控，火花塞11通过点火设备17供给有点火电压，从而在火花塞11的电极(未示出)之间生成点火火花。在此，对于用于产生点火火花的必要的点火能量而言决定性的是点火电极的实时电极间距EA，所述点火电极包括中间电极和接地电极，也就是说用于构造火花隙。
如图1进一步表示的，此外汽缸压力传感器21在与燃烧空间5的有效连接下布置在燃烧空间5处，所述汽缸压力传感器将燃烧空间压力信息PZyl提供到发动机控制器19处。此外，为了感测在火花塞11处的击穿电压设置有测量装置23，该测量装置同样将击穿电压信息提供到发动机控制器19处。为了感测击穿电压，在GHz范围内进行扫描的、尤其起高频分辨作用的测量装置或扫描装置23经由测量线路23a偶联到火花塞11处。
此外，燃烧过程调节器或燃烧持续时间调节器25与发动机控制器19以及通过该发动机控制器控制地处于有效连接中，经由该燃烧过程调节器或燃烧持续时间调节器来调节燃烧过程，并且该燃烧过程调节器或燃烧持续时间调节器可通过在发动机控制器19方面的额定预设值来影响。
此外，呈操作者信息系统形式的用户界面27在内燃机1处被提供，该用户界面在发动机控制单元19方面可以以给定信号的方式来操控。用户界面27能够与内燃机1固定连接，备选地或附加地设置有例如呈平板电脑或智能手机形式的取下式(abgesetztes)界面模块。经由用户界面27能够使信息优选地可视化地或同样听觉地呈现。
在本发明的范围内，上级的控制单元19具有程序编码，除此之外存储有特征线，尤其储存在非易失性存储器中，所述存储器使发动机控制器19能够用于根据本发明的方法的流程控制，所述方法在下面更详细地描述。
在所提出的方法的范围内，针对该方法的执行首先获取(比例)常数或帕邢常数K作为在内燃机处的系统特有的参量，也就是说在测量构造的范围内且在参考开头所提及的公式2)的情况下，根据该公式适用：
公式2)：
并且其中，“K”表示比例常数，“UZZP”表示(在点火时间点的)击穿电压，“EA已知”表示(在火花隙处的)预先已知的电极间距，并且“pzzp”表示表示在点火时间点的汽缸压力。
在此，预先已知的电极间距EA已知为新的火花塞或处于新状态下的火花塞11的电极间距，如其在供应商方面所预设的以及如其被用于一次性地或开始地获取比例常数K那样。另外的参量“UZZP”和“pzzp”在测量技术上在使用新的火花塞11的情况下被获取，也就是说借助于汽缸压力传感器21以及用于测量击穿电压的装置23。通过计算，现在从中针对可利用内燃机1来实施的根据本发明的方法的比例常数K被确定，尤其被储存在起方法控制作用的控制单元19中。
在该方法中(尤其连续地利用内燃机1的运行)，在第一步骤中感测在燃烧空间5处的在点火时间点(pzzp)的汽缸压力以及在火花塞11处的击穿电压(UZZP)。为此，汽缸压力传感器21以及装置23为了获取击穿电压而各(连续地)将适合的测量信号提供到ECU或上级的控制单元19处。
在第二步骤中(尤其又连续地利用内燃机1的运行)，从现在起(在火花隙处的)点火电极的实时电极间距EA(该电极间距体现实时点火电极磨损状态)基于在第一步骤中所感测的汽缸压力pzzp、所感测的击穿电压UZZP以及(如在上面描述的那样所获取的)比例常数K来获取，也就是说通过ECU19。开头所提到的公式1)尤其用于进行获取，根据该公式适用：
公式1)：
其中，以“EA”表示(实时)电极间距，以UZZP表示(在点火时间点的)击穿电压，以“pzzp”表示(在点火时间点的)汽缸压力，以及以“K”表示比例常数。
由公式1)利用该方法的连续的执行由此持续地已知实时电极间距EA，该电极间距在本发明的范围内优选地此外被考虑用于获取使用寿命，也就是说在另外的步骤中。
图2示例性地示出针对火花塞11的特征线，如该特征线能够被用于获取使用寿命，例如经验上获取。在优选地同样储存在ECU19中的特征线中，电极间距EA被提供于运行小时Bh、因此使用寿命上，其中，最小的(预先已知的)电极间距相应于在零运行小时的情况下的那个(EA(0Bh))，最大的电极间距相应于在使用时间尽头(Standzeitende)的那个(EAmax)，也就是说可能的最大电极间距(带有可能的最大电极燃尽(Elektrodenabbrand))。可能的最大电极间距EAmax能够基于开头所提及的公式3)根据以下来获取：
公式3)：
其中，以“EAmax”表示表征使用寿命尽头的最大电极间距，以“EAmin”表示表征使用寿命开始的初始最小电极间距，以及以“d磨损体”表示有燃尽能力的电极材料的厚度。
为了获取使用寿命、优选地火花塞11的剩余使用寿命，使实时所获取的电极间距EA与特征线相互关联。(与最大电极间距相对应的)使用寿命尽头的实时达到的(与实时电极间距相对应的)运行小时的由此可(通过减法(Differenzbildung))获取的间距从现在起表明剩余使用寿命，该剩余使用寿命由ECU19经由用户界面27进行信号指示，也就是说利用信息信号。由此，从现在起能够有利地相应于需求进行火花塞替换。
尤其，并行于获取使用寿命和信号指示，在根据本发明的方法中在第二步骤之后的步骤中(尤其又连续地利用内燃机的运行)，基于在第二步骤中所获取的电极间距来调整内燃机1的燃烧参数、尤其燃烧空气比例。
这种调整基于以下认知，即电极间距EA决定性地确定燃烧空间5中的燃烧速度或流动速度(在否则前提不改变的情况下)。例如在电极间距EA相对小的情况下，例如在火花塞11的新状态下，燃烧仅仅缓慢地开始，尤其当仅仅较小的点火火花在电极之间的火花隙处跳过时。由此，整个燃烧缓慢地进行，因为预燃室与燃烧空间5之间的压力差是不利的，由此实现到燃烧空间5中的仅仅较小的点火束侵入深度(Zündstrahleindringtiefe)，由此拖延了燃烧空间5中的燃烧。
从现在起利用本发明设置成，使燃烧空气比例λ与实时电极间距EA相匹配，从而对于如之前所描绘的塞状态例如使提高的可燃气体量吹入到燃烧空间5中，也就是说在(在稀薄运行中运转的)内燃机1处调整经润滑的混合物，从而使燃烧速度得到提高，由此可在较低的废气温度以及改进的排放值的情况下得到更快的燃烧。
如果电极间距EA(由磨损决定地)变得更大，则润滑(Anfettung)相对应地能够撤回，例如使吹入持续时间变短，从而利用本发明始终可有利地简单地得到优化的燃烧条件和排放条件。换言之设置成，取决于实时的所获取的电极间距EA、也就是说通过调整至少一个燃烧参数来影响燃烧过程。为此，将适合的控制信号转达到燃烧过程调节器或燃烧持续时间调节器25处，也就是说在ECU19方面。
最后还提及的是，利用本发明也能够识别在火花塞11处的珠状体形成(Perlenbildung)，该珠状体形成表示最小的小球在电极的表面处的形成这一概念，这些小球能够从几微米增长至例如100μm。这些珠状体在电极熔化时出现并且在火花熄灭后凝固。从确定的大小开始，珠状体能够用作为用于另外的珠状体的表面，从而出现一类石笋状体(Stalagmit)，该石笋状体能够如此减小电极间距EA，以至于用于混合物点火的火花体积变得过小，由此能够使混合物点火不再发生。
利用该方法或实时获取的电极间距EA，也能够有利地进行点火能量调节，在该点火能量调节时，取决于所获取的实时电极间距EA将供应给火花塞11的点火能量供应到火花塞11处，也就是说有利地相应于需求(从而能够例如由于过高的温度而有利地避免珠状体形成)。
这样的用于调节点火能量的方法例如由印刷文献DE 10 2013 010 685 A1已知，其公开内容在此通过参考来包括。

Claims (10)

1.一种用于利用内燃机(1)的运行实施的方法，所述内燃机具有火花塞(11)，所述火花塞布置在所述内燃机(1)的汽缸(3)的燃烧空间(5)处，其中：
- 在第一步骤中，感测在所述燃烧空间(5)处的在点火时间点(pzzp)的汽缸压力以及在所述火花塞(11)处的击穿电压(UZZP)，
- 在第二步骤中，基于所感测的汽缸压力(pzzp)、所感测的击穿电压(UZZP)和比例常数(K)获取点火电极的实时电极间距(EA)，所述实时电极间距体现实时的点火电极磨损状态。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
- 基于所述点火电极的在第二步骤中获取的实时电极间距(EA)，在另外的步骤中获取所述火花塞(11)的使用寿命。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 基于第二步骤中获取的实时电极间距(EA)，在另外的步骤中调整所述内燃机(1)的燃烧参数、尤其燃烧空气比例(λ)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 重复地执行所述方法。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 将基于预先已知的电极间距(EA已知)、在所述点火时间点(pzzp)的汽缸压力以及所述火花塞(11)的击穿电压(UZZP)的比例常数(K)作为在所述内燃机(1)处的系统特有的参量来获取。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 所述方法利用未使用的火花塞(11)来执行，其中，将所获取的实时电极间距(EA)与新状态-额定-电极间距进行比较。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 基于所获取的电极间距(EA)输出用于所述内燃机(1)处的操作者的信息信号。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 利用所述方法使用以下特征线，所述特征线将所获取的、实时电极间距(EA)与使用寿命相关联；和/或
- 利用所述方法使用以下特征线，所述特征线将所获取的、实时电极间距(EA)与燃烧参数、尤其与转换点或燃烧空气比例(λ)相关联。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
- 所述火花塞(11)是预燃室火花塞；和/或
- 所述内燃机(1)是燃气发动机。
10.一种内燃机(1)，具有带有燃烧空间(5)的汽缸(3)、布置在所述燃烧空间(5)处的火花塞(11)、汽缸压力传感器(21)以及用于感测在所述火花塞(11)处的击穿电压的装置(23)，
其特征在于，
- 所述内燃机(1)设立成用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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