DE102013226722A1

DE102013226722A1 - Prüfstand und Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze

Info

Publication number: DE102013226722A1
Application number: DE102013226722.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wuerth; Ronald Ritter; Igor Orlandini
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: DE102013226722B4; WO2015090734A1

Abstract

Prüfstand zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze, wobei der Prüfstand einen Strömungskanal, eine Öffnung im Strömungskanal zur Montage der Zündkerze und mindestens einem Mittel zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung, insbesondere einen Gebläsebrenner oder ein elektrisches Heizgebläse, umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Prüfstand sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze.
Zündkerzen sind für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Otto-Motors unerlässlich. Dabei gilt es die Eigenschaften der Zündkerze an die jeweiligen Bedürfnisse und Betriebsbedingungen des Motors anzupassen. Bei den veränderbaren Parametern handelt es sich nicht nur um geometrische Größen, sondern vor allen Dingen auch um funktionale Eigenschaften wie beispielsweise der sogenannte Wärmewert (WW). Dieser Parameter dient als Maß für das thermische Verhalten der Zündkerze, d.h. für die Aufnahme der Zündkerze von Wärme aus dem Brennraum und Abgabe von Wärme an den Zylinderkopf bzw. den Motorblock, und beschreibt somit auch die Neigung einer Zündkerze zur unerwünschten Vorentflammung.
Es ist wichtig festzuhalten, dass der Wärmewert nicht eine physikalisch gegebene und damit berechenbare bzw. simulierbare Größe ist, sondern eine Vergleichsgröße ist. Der Wärmewert einer Zündkerze ergibt sich aus dem Zusammenwirken verschiedener Komponenten mit ihren verschiedenen Geometrien und den verwendeten Materialen. Für jeden Zündkerzentyp muss der Wärmewert mittels aufwendiger Verfahren neu bestimmt und mit Referenz-Zündkerzen verglichen werden. Dennoch ist dieser Vergleichswert weltweit sowohl bei Zündkerzen-Herstellern als auch bei Fahrzeug-Herstellern sowie Endverbrauchern etabliert. Allerdings unterscheiden sich Definition und Bestimmungsmethode des Wärmewerts zwischen den Zündkerzen-Herstellern, weshalb die verschiedenen Wärmewerte von Zündkerzen unterschiedlicher Hersteller mittels Tabellen ineinander übergeführt werden müssen.
Die Bestimmung des Wärmewerts bzw. des thermischen Verhaltens einer Zündkerze erfolgt bei allen Zündkerzen-Herstellern durch den Vergleich des gezielt hervorgerufenen Vorentflammungsverhaltens der neu zu bestimmenden Zündkerze mit dem Vorentflammungsverhalten einer bekannten Referenz-Zündkerze. Dazu werden die zu bestimmende Zündkerze und die Referenz-Zündkerze in einem Einzylindermotor montiert und betrieben, wobei die Betriebspunkte des Motors variiert werden können. Durch die Variation der Motor-Betriebspunkte werden die Zündkerzen zunehmend thermisch belastet und der Entflammungszeitpunkt der montierten Zündkerzen detektiert. Beispielsweise asiatische und US-amerikanische Zündkerzen-Hersteller variieren den Betriebspunkt ihres Versuchsmotors, einem sogenannten LABECO-Motor, indem sie zunehmend den Zylinderdruck bei konstantem Zündwinkel erhöhen. Europäische Zündkerzen-Hersteller, wie beispielsweise die Anmelderin, ändern hingegen die Betriebspunkte bei ihrem Versuchsmotor, einem Hatz-Motor, indem bei konstantem Ladedruck eine Zündwinkel-Frühverstellung durchgeführt wird.
Bei der zunehmenden thermischen Belastung der Zündkerze wird brennraumseitig stetig mehr Wärme in die Zündkerze eingebracht. In Abhängigkeit von der Zündkerzenauslegung kommt es zu einem bestimmten Zeitpunkt dazu, dass mehr Wärme in die Zündkerze eingebracht wird als diese über ihren Aufbau und den Kontaktflächen an den Zylinderkopf weiterleiten kann. Im Bereich der Elektroden bzw. der Isolatorfußspitze steigt dann die Temperatur der Zündkerze bis diese Bereiche so heiß sind, dass sich ein frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch an den Elektroden bzw. der Isolatorfußspitze ohne zusätzlichen Zündfunken entflammen kann. Wenn diese unerwünschte Entflammung nach dem eigentlichen Zündpunkt stattfindet, spricht man von einer Nachentflammung. Ist die Zündkerze jedoch so heiß, dass sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch bereits vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt ungewollt entzündet, dann handelt es sich um eine Vorentflammung.
Beim ordnungsgemäßen Betrieb eines Otto-Motors liegt der gewollte Zündzeitpunkt in der Regel kurz vor dem oberen Umkehrpunkt, dem sogenannten oberen Totpunkt. So findet die Entflammung statt, während das Luft-Kraftstoff-Gemisch noch verdichtet wird. Aufgrund des sogenannten Zündverzugs erfolgt so der Druckanstieg durch die Verbrennung erst nach dem Zeitpunkt des maximalen Verdichtungsdrucks und eine kritische Überlagerung der beiden Druckanstiege bei einer zu frühen Entflammung wird verhindert. Zu dieser kritischen Überlagerung kommt es allerdings bei einer unerwünschten Vorentflammung. Aufgrund des enormen Druckanstieges im Brennraum kann dieser beschädigt werden und im schlimmsten Fall der gesamte Motor zerstört werden. Deshalb müssen im realen Motorbetrieb unerwünschte Vorentflammungen unbedingt vermieden werden. Dafür ist es notwendig, das thermische Verhalten einer Zündkerze zu kennen und exakt angeben zu können.
Seit Jahrzehnten hat es sich als Standard ergeben, dass für den gleichen Zündkerzen-Grundaufbau unterschiedliche Ausführungen mit unterschiedlichen thermischen Verhalten und Wärmewerten entwickelt werden, die sogenannten Wärmewert-Reihen eines Zündkerzen-Typs. Somit kann bei konstruktiv gleicher Zündkerze das thermische Verhalten den Erfordernissen des Otto-Motors angepasst werden.
Bei der Wärmewert-Bestimmung im Motor, unabhängig vom LABECO-Verfahren oder Hatz-Verfahren, hängt das Ergebnis nicht nur von der zu bestimmenden Zündkerze und eventuell von der Referenz-Zündkerze ab, sondern die Umgebungsbedingungen, wie z.B. Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, und Betriebsbedingungen, wie z.B. Luft-Kraftstoffe-Gemisch, haben einen schwer definierbaren und schwer kalkulierbaren Einfluss auf das Ergebniss der Wärmewert-Bestimmung. Zwar wird versucht, die Versuchsbedingungen so konstant wie möglich zu halten bzw. zu regeln, allerdings ist dies aufgrund der vielen Parameter nicht immer möglich, besonders kann auf die Verbrennung und der Umsetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches nur indirekt Einfluss genommen werden. Dies führt zu schwer vorhersagbaren Schwankungen zwischen zeitlich versetzten und örtlich unterschiedlichen Messungen, so dass der Einfluss der Schwankungen bei der Messauswertung nicht berücksichtigt werden kann. Durch Referenzmessung an der Referenz-Zündkerze können systematische Unsicherheiten bei der Messauswertung berücksichtigt werden, allerdings kann die zufällige bzw. statistische Unsicherheit trotz des betriebenen Aufwandes zu ihrer Reduzierung bei den im Stand der Technik bekannten Wärmewert-Bestimmungsverfahren unter Umständen größer als ein halber Wärmewert sein.
Vorteile der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Prüfstand und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden.
Diese Aufgabe wird bei dem Prüfstand der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Prüfstand einen Strömungskanal, eine Öffnung im Strömungskanal zur Montage der Zündkerze und mindestens einem Mittel zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung, insbesondere einen Gebläsebrenner oder ein elektrisches Heizgebläse, umfasst. Vorzugsweise ist die Zündkerze, deren thermisches Verhalten zu bestimmen ist, unbestromt und/oder unbefunkt und/oder verbrennungsfrei.
Die erfindungsgemäße Vorsehung, dass der Prüfstand einen Strömungskanal, eine Öffnung im Strömungskanal zur Montage der Zündkerze und mindestens einem Mittel zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung umfasst, hat den Vorteil, dass mit einem einfachen und kostengünstigen Prüfstand das thermische Verhalten einer Zündkerze zuverlässig und reproduzierbar bestimmbar ist.
Die Vorsehung, dass die Zündkerze während der Bestimmung ihres thermischen Verhaltens unbestromt und/oder unbefunkt und/oder verbrennungsfrei ist, hat den Vorteil, dass während der Bestimmung des thermischen Verhaltens einer Zündkerze die zur Bestimmung notwendige Wärmeenergie nicht bei bzw. durch die Zündkerze bzw. nicht durch einen von der Zündkerze injizierten Zündfunken und durch eine daraus resultierende Verbrennung eines brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches erzeugt wird, wie es im Stand der Technik der Fall ist. Dadurch werden die schwer kalkulierbaren Einflüsse durch die Zusammensetzung und Umsetzung des brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches bei der Verbrennung und Erzeugung einer Wärmeenergie entsprechend dem Stand der Technik weitgehend eliminiert. Stattdessen wird für die Bestimmung des thermischen Verhaltens einer Zündkerze mit einem Mittel zur Temperaturänderung eine zeitlich konstante und kontrollierbare Umgebungstemperatur geschaffen, wodurch ein zeitlich gleichbleibender Wärmeeintrag in die Zündkerze möglich ist, so dass bei der Bestimmung des thermischen Verhaltens der Zündkerze konstante und reproduzierbare Bedingungen herrschen. Der Motorbetrieb wird im erfindungsgemäßen Prüfstand abstrahiert, so dass schwer kalkulierbare Einflüsse von unkontrollierbaren Parametern des Motorbetriebs, wie z.B. die Zusammensetzung und Umsetzung des brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches bei der Verbrennung und Erzeugung einer Wärmeenergie, weitgehend eliminiert werden. Dadurch ist die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse im Vergleich zum Stand der Technik erhöht und die Messunsicherheit verringert.
Durch systematische Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei der Abstrahierung des Motorbetriebs die im Prüfstand eingestellte Temperatur sowie die Strömungsgeschwindigkeit eines im Prüfstand befindlichen Gasgemisches wichtige Parameter bei der Bestimmung des thermischen Verhaltens einer Zündkerze sind. Weitere Parameter wie beispielsweise der Druck im Prüfstand spielen eine untergeordnete Rolle beim thermischen Verhalten der Zündkerze und müssen somit bei der Abstrahierung nicht unbedingt berücksichtigt werden.
In diesem Zusammenhang ist mit unbestromt gemeint, dass durch die Zündkerze kein elektrischer Strom zur Ausbildung eines Zündfunken fließt. Dem entsprechend bedeutet unbefunkt, dass kein Funke zwischen einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode oder zwischen anderen Komponenten der Zündkerze gezielt hervorgerufen wird. Unter verbrennungsfrei ist zu verstehen, dass an der Zündkerze kein Funke und/oder kein Plasma gezündet wird, der bzw. das ein brennbares Medium, z.B. ein Gas oder ein Gasgemisch, in der Umgebung der Zündkerze entzündet.
Da beim erfindungsgemäßen Prüfstand und Verfahren keine Initiierung eines Zündfunken an der Zündkerze stattfindet, ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Zündkerze weder verschleißt noch altert und sie nach der Bestimmung ihres thermischen Verhaltens ohne Einschränkungen in einem realen Motor betrieben werden kann.
Als mindestens ein Mittel zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung können ein Gebläsebrenner oder ein elektrisches Heizgebläse verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein verbrennungsfreies Mittel zur Temperaturänderung eines Mediums, wie ein elektrisches Heizelement, im Prüfstand verwendet werden. Die Strömung könnte durch Kombination mit einem Ventilator erzeugt werden.
Dabei sollten die Heizleistung und die Strömungsgeschwindigkeit des gewählten Mittels regelbar, insbesondere unabhängig voneinander regelbar sein. Das Mittel zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung ermöglich im Prüfstand eine Temperatur von 200°C bis mindestens 800°C. Das Mittel ist stufenlos regulierbar und erzeugt die gewünschte Temperatur mit einer Genauigkeit von +/– 1%. Die Heizleistung ermöglicht einen Temperaturgradienten von bis zu 20 K/s. Es werden Strömungen im Medium mit Geschwindigkeiten von bis zu 25m/s erzeugt. Vorzugsweise wird als Medium im Prüfstand ein Gas oder ein Gasgemisch, wie z.B. Luft oder Stickstoff verwendet.
Der Prüfstand kann wahlweise mit einem linearen Strömungskanal oder einem ringförmigen bzw. geschlossenen Strömungskanal ausgebildet sein. Der lineare Strömungskanal weist eine Auslassdüse zum Ausströmen eines im Prüfstand erwärmten Mediums auf.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Prüfstand zwischen dem mindestens einem Mittel zur Temperaturänderung und Erzeugung einer Strömung und dem Strömungskanal einen durchströmten Bereich aufweist, insbesondere eine Düse, bei dem sich der durchströmte Querschnitt in Strömungsrichtung verändert, wobei insbesondere der durchströmte Querschnitt im Bereich des Mittels zur Temperaturänderung und Erzeugung einer Strömung einen größeren durchströmten Querschnitt aufweist als im Bereich des Strömungskanals. Dadurch wird das im Prüfstand befindliche und vom Mittel zur Temperaturänderung erwärmte Medium beschleunigt und gleichgerichtet, so dass das Medium in homogener Strömung an der Zündkerze vorbei strömt und reproduzierbare und konstante Bedingungen für die Bestimmung des thermischen Verhaltens der Zündkerze im Prüfstand herrschen. Dadurch ist gewährleistet, dass eine definierte Wärmemenge auf die Zündkerze, insbesondere auf die Elektroden und/oder auf den Isolatorfuß, während der Bestimmung übertragbar ist.
Für die Montage der Zündkerze weist der Strömungskanal eine Öffnung auf. Vorzugsweise ist diese Öffnung an einem geraden Teilstück des Strömungskanals angeordnet. Für die Zündkerzen-Montage im Strömungskanal kann die Zündkerze analog zum Einbau im Motor in die Öffnung eingeschraubt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Zündkerze über Klemmen in der Öffnung zu fixieren. Dabei ragt die Zündkerze mit ihrem brennraumseitigen Ende, umfassend Elektroden und Isolatorfuß, in den Strömungskanal ein. Die Länge, um die die Zündkerze in den Strömungskanal einragt wird Eintauchtiefe genannt. Das brennraumseitige Ende der Zündkerze steht im thermischen Kontakt mit dem im Strömungskanal befindlichen Medium, so dass die vom Mittel zur Temperaturänderung erzeugte Wärme von der Zündkerze aufgenommen werden kann. Die Eintauchtiefe der Zündkerze im Strömungskanal entspricht vorzugsweise ihrer in einem Motor vorgesehenen Eintauchtiefe.
Bei diesem Ausführungsbeispielen kann der Durchmesser der Öffnung und/oder die Eintauchtiefe mittels Adaptern angepasst werden, so dass Zündkerzen mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder unterschiedlichen Längen im Strömungskanal montiert werden können und die gleiche Eintauchtiefe aufweisen.
Die Öffnung für die Montage der Zündkerze kann auch Bestandteil eines austauschbaren Deckels des Strömungskanals sein. In diesem Fall kann auf die Verwendung von Adaptern für die unterschiedlichen Zündkerzen verzichten werden, wobei die Öffnung in den unterschiedlichen Deckeln dem Durchmesser und der Länge der verschiedenen Zündkerzen anzupassen ist. Der Deckel kann auf den Strömungskanal durch eine Schraubverbindung, Klemmverbindung und/oder Steckverbindung montiert werden.
Im Bereich der Öffnung bzw. entlang des Umfangs der Öffnung kann an bzw. in der Strömungskanalwand ein Messblock angeordnet sein. Dieser Messblock steht vorzugsweise im thermischen Kontakt mit der montierten Zündkerze, vorzugsweise in einem direkten thermischen Kontakt. Der Messblock selbst weist keinen unmittelbaren bzw. einen vernachlässigbaren unmittelbaren thermischen Kontakt mit dem im Strömungskanal befindlichen Mediums und/oder einer Umgebung außerhalb des Strömungskanals auf. Der thermische Kontakt zwischen Messblock und Medium erfolgt vorzugsweise lediglich mittelbar über die Zündkerze.
Der Messblock weist vorzugsweise ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m·K) auf, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 220 W/(m·K), wie z.B. Kupfer, Silber, Gold oder Legierung mit mindestens einem dieser Elemente. Alternativ besteht der Messblock aus einem solchen Material. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Messblock quasi instantan die Temperatur der Zündkerze annimmt, so dass das thermische Verhalten des Messblocks einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Messergebnis und Messunsicherheit bei der Bestimmung des thermischen Verhaltens der Zündkerze hat.
Der Messblock weist insbesondere mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Messstellen auf. Beispielsweise kann an dieser Messstelle die Temperatur des Messblocks gemessen werden. Die Messstellen sind beispielsweise in der Nähe der Öffnung zur Montage der Zündkerze angeordnet, dadurch ist gewährleistet, dass die Messstellen zeitnahe die gleiche Temperatur wie die Zündkerze aufweisen. Vorzugsweise sind mehrere Messstellen entlang des Umfangs in zumindestens etwa gleichmäßigen Abständen zueinander und/oder zur Zündkerze angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mögliche Anisotropie-Effekte z.B. beim thermischen Kontakt zwischen Zündkerze und Messblock erkannt und bei der Auswertung des thermischen Verhaltens der Zündkerze berücksichtigt werden können.
Bei der Verwendung eines Adapters zur Anpassung des Öffnungsdurchmessers und/oder der Eintauchtiefe bei unterschiedlichen Zündkerzen können der Messblock und/oder die Messstellen auch im Adapter intergiert sein. Alternativ oder zusätzlich weist der Adapter mindestens teilweise ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m*K) auf, so dass ein ungestörter thermischer Kontakt zwischen Zündkerze und dem in der Strömungskanalwand angeordneten Messblock gewährleistet ist.
Der Strömungskanal selbst ist vorzugsweise wärmeisolierend, d.h. es findet höchstens ein vernachlässigbarer Wärmeaustausch zwischen dem Medium im inneren des Strömungskanals und der Umgebung außerhalb des Strömungskanals über die Wände des Strömungskanals statt. Beispielsweise ist der Strömungskanal doppelwandig ausgestaltet. Ein Zwischenraum in der Doppelwand des Strömungskanals ist insbesondere mit einem Material gefüllt, das eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,1 W/(m·K) hat, wie beispielsweise Vakuum oder eine temperaturbeständige Isolierschicht. Als Material für die temperaturbeständige Isolierschicht eignet sich beispielsweise Mineralwolle oder ein Tonmineral wie z.B. Vermiculit.
Die Außenwand des Strömungskanals besteht aus einem mechanisch stabilen Material, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium. Als Material für die Innenwand kann temperaturbeständiges und mechanisch stabiles Material, wie z.B. Stahl oder direkt das Isoliermaterial aus dem Zwischenraum, verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, das beispielsweise folgende Schritte umfasst:
Die Zündkerze wird in eine Öffnung eines Strömungskanals eingebracht. Durch Einschrauben oder Klemmen wird die Zündkerze dabei montiert, so dass sich ein thermischer Kontakt zwischen der Zündkerze und einen umfänglich der Öffnung angeordneten Messblock ausbildet.
Anschließend wird ein im Prüfstand befindliches Medium, insbesondere ein Gas oder ein Gasgemisch, aufgeheizt, insbesondere mittels eines Mittels zur Temperaturänderung. Des Weiteren werden eine Temperatur des Mediums und eine Temperatur der Zündkerze detektiert und/oder aufgezeichnet, insbesondere automatisiert detektiert und/oder aufgezeichnet.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Temperaturänderung und Erzeugung einer Strömung, insbesondere automatisiert, gesteuert, insbesondere geregelt, werden.
Dabei wird unter regeln bzw. Regelung die Verwendung eines Regelkreis zum Abgleich eines Ist-Werts mit einem Soll-Werts und die direkte oder indirekte Einflussnahme auf den Ist-Wert zwecks Angleichung an den Soll-Wert, entsprechend der DIN IEC 60050-351 und den DIN EN 60027-6 verstanden.
Vorzugsweise wird bzw. werden die an den Messstellen detektierte Temperatur der Zündkerze und/oder die Temperatur des im Prüfstand befindlichen Mediums detektiert und/oder aufzeichnet, insbesondere erfolgt die Detektion und/oder Aufzeichnung der Temperaturen automatisiert. Wenn die beiden Temperaturen detektiert und aufzeichnet werden, kann der Temperaturunterschied der beiden Temperaturen, insbesondere automatisiert, berechnet werden. Vorzugsweise wird die Heizleistung in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums gesteuert, insbesondere geregelt.
Alternativ oder zusätzlich kann neben der Detektion der Temperatur der Messstelle und/oder des Mediums auch die Temperatur der Messstelle in Abhängigkeit der Zeit aufgenommen werden. Es wird also die Zeitdauer, die zwischen einer Änderung der Temperatur des Mediums und einer Temperaturänderung der Messstelle vergeht, gemessen.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung wird die Änderung der Temperatur des Mediums bzw. die Heizleistung des Mittels zur Temperaturänderung und die Zeitdauer oder der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Mediums und der Temperatur der Messstelle bzw. der Zündkerze in Beziehung gesetzt und dient als Maß für die Zuordnung der Zündkerze zu einer Vergleichsgröße. Alternativ oder zusätzlich kann auch die maximal erreichte, insbesondere zeitlich konstante, Temperatur der Messstelle bzw. der Zündkerze als Maß für die Zuordnung der Zündkerze zu einer Vergleichsgröße dienen. Diese Vergleichsgröße wird zur Unterscheidung von dem Wärmewert, der mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt wird, als Temperatur-Index (TempInd) bezeichnet. Der Temperatur-Index wie auch der Wärmewert sind ein Maß für das thermische Verhalten der Zündkerze, allerdings unterscheiden sich die Verfahren für ihre Bestimmung deutlich, wie eingangs erläutert, und dadurch auch die Zuordnung der Zündkerze für bestimmte Erfordernisse im Motor. Um Verwechselungen zu vermeiden, wird der Temperatur-Index mit seiner eignen Kategorisierung eingeführt. Den Stufen des Temperatur-Indexes werden insofern Zeiten zugeordnet bei denen bestimmte Temperaturen in den Messstellen erreicht sind. Alternativ werden den Stufen des Temperatur-Indexes direkt die maximal erreichten Temperaturen, insbesondere die erreichten Gleichgewichtstemperaturen, an den Messstellen bzw. an der Zündkerze zugeordnet.
Die Steuerung, insbesondere die Regelung, des Mittels zur Temperaturänderung des Mediums und/oder des Mittels zur Erzeugung einer Strömung im Medium erfolgt bei einer bevorzugten Weiterbildung automatisiert, beispielsweise mittels einer Software und/oder Hardware.
In einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Detektion sowie die Aufzeichnung verschiedenen Parametern, insbesondere die oben erwähnten Temperaturen und Zeitdauern, und/oder die Auswertung der verschiedenen Parameter und/oder die Zuordnung der Zündkerze auf Basis der detektierten Parameter zu einem Temperatur-Index mindestens teilweise automatisiert, beispielsweise mittels einer oder mehreren Softwaren und/oder einer oder mehreren Hardwaren.
Idealerweise werden alle Verfahrensschritte, wie Steuerung bzw. Regelung, Detektion der Parameter, Aufzeichnung der Parameter und Auswertung der Parameter, von einer Hardware oder Software oder einer Kombination durchgeführt. Dadurch wird der Einfluss eines Menschen bei verschiedenen Durchführungen des Verfahrens zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze minimiert und die Reproduzierbarkeit des Messergebnises erhöht.
Die eine oder mehreren Softwaren können auf einen oder mehreren Datenträgern gespeichert sein. Desweiteren kann eine Steuereinheit, insbesondere eine Regeleinheit, mindestens teilweise die Verfahrensschritte, insbesondere auf Basis der Software, durchführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Zeichnung
1 zeigt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Prüfstand mit linearem Strömungskanal
2 zeigt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Prüfstand mit geschlossenem Strömungskanal
3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Bestimmung des Temperaturverhaltens einer Zündkerze
4 zeigt einen simulierten Temperatur-Zeit-Verlauf für zwei Zündkerzen
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prüfstandes 1 bestehend aus einem vorderen Bereich 2, einer Strömungsdüse 3, und einen linearen Strömungskanal 4 mit Auslassdüse 5, wobei der Strömungskanal 4 an seinem zum vorderen Bereich 2 zugewandten Ende eine Öffnung 6 zur Montage der Zündkerze 7 und einen umfänglich der Öffnung 6 angeordneten Messblock 8 mit Messstellen zur Temperaturmessungen aufweist.
Im vorderen Bereich 2 ist das Mittel 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung angeordnet, wobei das Mittel ein Gebläsebrenner oder ein elektrisches Heizgebläse ist. Zusätzlich kann im vorderen Bereich 2 noch ein elektrisches Heizelement 10 angeordnet sein, dass für eine zusätzliche Heizleistung sorgt. Der vordere Bereich 2 weist mindestens eine Öffnung 11 auf, durch die ein Medium in den vorderen Bereich 2 einströmen kann. Das Medium wird durch das Mittel 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung erwärmt und strömt durch die Strömungsdüse 3 in den linearen Strömungskanal 4.
Das Mittel 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung erzeugt im Prüfstand 1 eine Temperatur von 200°C bis mindestens 800°C. Das Mittel 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung ist stufenlos regulierbar und erzeugt die vorgewählte Temperatur mit einer Genauigkeit von +/– 1%. Die Heizleistung ermöglicht einen Temperaturgradienten zur Aufheizung des Medium von bis zu 20 K/s. Die Strömungsgeschwindigkeit ist unabhängig von der Temperatur beim Mittel 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung regelbar. Es werden Strömungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 25m/s erzeugt.
Die Strömungsdüse 3 ist zwischen dem vorderen Bereich 2 und dem linearen Strömungskanal 4 angeordnet und sorgt dafür, dass das erwärmte Medium beschleunigt und gleichgerichtet wird. Dadurch wird gewährleistet, dass die Zündkerze 7 von einem Medium mit konstanter Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit umströmt wird und bei der Bestimmung ihres thermischen Verhaltens konstante und reproduzierbare Bedingungen herrschen.
Die Temperatur des Mediums wird vorzugsweise im Bereich der Strömungsdüse 3 bestimmt und an eine Software weitergegeben. Durch die Kontrolle der Temperatur des Mediums kann die Heizleistung vom Mittel 9 zur Temperaturänderung über die Software reguliert werden. Auch kann diese Information zur Auswertung des thermischen Verhaltens der Zündkerze 7 herangezogen werden.
Der lineare Strömungskanal 4 schließt sich mit seinem dem vorderen Bereich 2 zugewandten Ende der Strömungsdüse 3 an und mündet in eine Auslassdüse 5. Durch die Auslassdüse 5 strömt das erwärmte Medium aus dem Strömungskanal 4 und dem Prüfstand 1 aus. Der lineare Strömungskanal 4 weist auf einer seiner Seitenwände eine Öffnung 6 zur Montage der Zündkerze 7 auf. Diese Öffnung 6 befindet sich beispielsweise im Bereich des dem vorderen Bereich 2 zugewanden Endes des Strömungskanals 4. Um die Öffnung 6 herum ist ein Messblock 8 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m·K) angeordnet. Dieser Messblock 8 weist mehrere Messstellen zur Temperaturbestimmung auf. Die Temperatur wird beispielsweise mittels Thermoelementen, z.B. Typ K, Typ N, Typ C, Typ S oder Typ R, an eine Auswerteeinheit, z.B. eine Software, übermittelt und dort detektiert und gespeichert.
Der lineare Strömungskanal 4 hat einen Durchmesser im Bereich von 25 bis 500 mm. Typischerweise liegt die Länge des linearen Strömungskanals 4 im Bereich von 50 bis 1000 mm.
Mittels eines hier nicht gezeigten Adapters kann der Durchmesser der Öffnung 6 an Zündkerzen 7 mit kleinerem Durchmesser angepasst werden. Des Weiteren kann die Eintauchtiefe der Zündkerze 7 in den linearen Strömungskanal 4 über einen Adapter variiert werden. Vorzugsweise entspricht die Eintauchtiefe der Zündkerzen 7 im linearen Strömungskanal 4 ihrer vorgesehenen Eintauchtiefe im Motor. Die Öffnung 6 hat beispielsweise einen passenden Durchmesser für eine M18-Zündkerze. Mittels eines Adapters kann der Durchmesser der Öffnung 6 für eine M12-Zündkerze angepasst werden. Der Adapter kann auch einen Messblock 8 mit Messstellen aufweisen.
Hier nicht gezeigt ist ein mögliches Fenster im linearen Strömungskanal 4. Dieses Fenster ermöglicht es, mittels eines Pryometers zusätzlich oder alternativ zum Messblock 8 die Temperatur der Zündkerze 7 zu bestimmen. Das Fenster ist beispielsweise an der der Öffnung 6 zur Montage der Zündkerze gegenüberliegende Seitenwand des Strömungskanals 4 angeordnet. Durch die Verwendung eines Pyrometers zur Bestimmung der Zündkerzentemperatur kann auch der Ort der Maximaltemperatur an der Zündkerze 7 bestimmt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Zusammenspiel von der Geometrie einzelner Zündkerzenkomponenten, wie Elektroden oder Isolatorfuß, und deren Wärmeleitfähigkeit besser zu studieren.
Der Prüfstand 1 ist doppelwandig ausgebildet, so dass durch die Wände normalerweise ein vernachlässigbarer Wärmekontakt zwischen dem im Prüfstand 1 befindlichen Medium und der Umgebung erfolgt. Die äußere Wand 12 besteht aus einem mechanisch stabilen Material wie z.B. Stahl oder Aluminium. Die innere Wand 13 besteht aus einem formbaren, temperaturbeständigen und mechanisch stabilen Material, wie z.B. Vermiculit. Beispielsweise kann der Prüfstand 1 aus vakuumisolierten Stahlwänden bestehen, d.h. zwischen äußerer Wand 12 und innerer Wand 13 befindet sich ein Vakuum. Alternativ zum vakuumisoliertem Zwischenraum 14 kann dieser auch mit einem temperaturbeständigen Isoliermaterial ausgekleidet sein, z.B. Mineralwolle.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung von 1. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich primär dadurch, dass anstelle eines linearen Strömungskanals 4 mit Auslassdüse 5 ein geschlossener Strömungskanal 15 verwendet wird. Bei diesem Aufbau kann das bereits erwärmte Medium wiederverwendet werden. Dafür wird die Temperatur des Mediums nach dem Vorbeiströmen an der Zündkerze 7 gemessen und mit der Temperatur des Mediums im Bereich der Düse 3 verglichen. Durch die Detektion und den Vergleich der beiden Temperaturen kann die Software die Heizleistung des Mittels 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung entsprechend regeln, damit die Zündkerze 7 bei der Bestimmung ihres thermischen Verhaltens konstant von einem Medium mit konstanter Temperatur umströmt wird.
Der geschlossene Strömungskanal 15 hat einen Durchmesser im Bereich von 25 bis 500 mm. Typischerweise liegt die Länge der geraden Teilstücken des geschlossenen Strömungskanals 15 im Bereich von 50 bis 1000 mm.
3 zeigt schematisch die Temperatur des Mediums T_M(durchgezogene Linie), die gemessene Temperatur an einer Messstelle für eine erste Zündkerze T_Z1 (gestrichelte Linie) und die gemessene Temperatur an einer Messstelle für eine zweite Zündkerze T_Z2 (gepunktete Linie) als Funktion der Zeit t. Zu einem Zeitpunkt t₀ wird eine Heizleistung beim Mittel zur Temperaturänderung 3 des Mediums eingestellt, so dass das Prüfverfahren beginnt. Die Temperatur T_M steigt mit der Zeit und erreicht nach einer Zeit t₁ ihren maximal Wert T_M,Max. Die maximale Temperatur des Mediums T_M,Max hängt von der eingestellten Heizleistung ab.
Ab einem Zeitpunkt t_0,1 wird für eine erste Zündkerze 7 an einer Messstelle eine von der Ausgangstemperatur T₀, z.B. Raumtemperatur, verschiedene Temperatur T_Z1 gemessen. Die Temperatur T_Z1 steigt mit der Zeit an bis für die Messstelle 8 bzw. für die erste Zündkerze 7 eine Gleichgewichtstemperatur T_Z1,Max erreicht wird. Diese Gleichgewichtstemperatur T_Z1,Max ergibt sich aus dem Zusammenwirken von der aus dem Medium aufgenommenen Temperatur bzw. Wärmeenergie, und der an die Umgebung außerhalb des Prüfstandes 1 bzw. an eine Kühlung abgegebenen Temperatur bzw. Wärmeenergie.
Entsprechend kann beispielsweise für eine zweite Zündkerze 7 mit einer kleineren Wärmeleitfähigkeit als die erste Zündkerze 7 ab einem Zeitpunkt t_0,2 eine von der Ausgangstemperatur T₀, z.B. Raumtemperatur, verschiedene Temperatur T_Z2 gemessen. Die Temperatur T_Z2 steigt mit der Zeit an bis für die Messstelle bzw. für die zweite Zündkerze eine Gleichgewichtstemperatur T_Z2,Max erreicht wird
Für die Bestimmung des thermischen Verhaltens einer Zündkerze 7 bzw. der Zuordnung eines Temperatur-Index zu einer Zündkerze 7 muss innerhalb des Verfahrensdurchlaufs die Gleichgewichtstemperatur der Messstelle bzw. der Zündkerze 7 nicht zwingend erreicht werden. Eine Zuordnung der Zündkerze 7 zu einem Temperatur-Index ist bereits möglich, während die Zündkerzen-Temperatur noch steigt.
Für die Zuordnung der Zündkerze 7 zu einem Temperatur-Index wird zu mindestens einem vordefinierten Zeitpunkt t_n (mit n = 1, 2, 3, ...), beispielsweise bei t₁ und/oder bei t₂, die Temperatur der Zündkerze 7 bzw. der Messstelle T_Z1 und die Temperatur des Mediums T_M gemessen. In Abhängigkeit des Temperaturunterschieds T_M – T_Z1 wird der Zündkerze 7 ein Temp-Index zugeordnet. Je größer der Temperaturunterschied umso kleiner ist die Wärmekapazität der Zündkerze 7 und dies entspricht einem kleinen Temperatur-Index.
In dem in 3 gezeigten Beispiel betragen die Temperaturen zum Zeitpunkt t₁:

• für das Medium T_M,Max,
• für die erste Zündkerze bzw. der Messstelle T_Z1,1und
• für die zweite Zündkerze bzw. der Messstelle T_Z2,1,

_M,Max

_Z1,1

_Z2,1

7

Typischerweise liegt der oder die Zeitpunkte t_n (mit n = 1, 2, 3, ...), bei denen der Temperaturunterschied zwischen Medium und Zündkerze 7 bzw. Messstelle bestimmt wird, in einem Zeitintervall von 1 min bis zu 25min, beispielsweise bei 5min und/oder 10min und/oder 15min und/oder 20min, nach dem Start des Verfahrens zur Bestimmung des thermischen Verhaltens einer Zündkerze 7, wobei der Start bei t = 0min liegt und durch das Einstellen einer vordefinierten Heizleistung am Mittel 9 zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung im Medium definiert wird.
Alternative oder zusätzlich kann auch der Zeitunterschied bis eine vordefinierte Temperatur oder ein vordefinierter Temperaturunterschied erreicht wird als Maß für die Zuordnung eines Temperatur-Index zur Zündkerze 7 dienen.
Die Temperatur-Zeit-Kurven für die beiden Zündkerzen 7 sind beispielsweise bei unterschiedlichen Verfahrensdurchgängen für gleiche Heizleistungen aufgenommen worden und zur Übersichtlichkeit in ein Diagramm dargestellt. Bei einem Verfahrensdurchlauf wird eine Temperatur-Zeit-Kurve für die Zündkerze 7 bzw. die Messstelle 8 aufgenommen. Idealerweise wird im gleichen Versuchsdurchlauf auch eine Temperatur-Zeit-Kurve für das Medium aufgenommen. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben durch Reskalierung der Temperatur-Zeit-Kurven des Mediums, die gleichzeitig mit den Temperatur-Zeit-Kurven der Zündkerzen 7 bzw. der Messstelle 8 aufgenommen wurden, und der dazugehörigen Temperatur-Zeit-Kurve einer Zündkerze 7 bzw. einer Messstelle mögliche Verschiebungen auf der Zeitachse zu eliminieren.
4 zeigt einen simulierten Temperatur-Zeit-Verlauf für das Medium (durchgezogene Linie) und zwei Zündkerzen 7 (gestrichelte Linie und punktierte Linie). Die Simulation entspricht dem zeitlichen Temperatur-Verlauf von Zündkerzen 7 bei Testmessungen.
Bei einem Zeitpunkt t = 0s beginnt die Messung mit dem Anschalten des Mittels 9 zur Temperaturänderung. Man sieht wie die Temperatur des Mediums und der Zündkerzen 7 direkt ansteigen. Innerhalb von wenigen Minuten, in diesem Beispiel nach knapp 2 Minuten, erreicht das Heizmedium seine maximale Temperatur, beispielsweise 600°C. Mit wenigen Minuten Verzögerung, in diesem Beispiel bei t = 180s bzw. t = 240s, erreichen auch die Zündkerzen 7 ihre maximalen Temperaturen, hier beispielsweise von 310°C und 205 °C.
In diesem Beispiel dient die maximal erreichte Temperatur, die z.B. der Gleichgewichtstemperatur aus 3 entspricht, als Maß für die Zuordnung eines Temperatur-Indexes zur Zündkerze 7.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN IEC 60050-351 [0032]
DIN EN 60027-6 [0032]

Claims

Prüfstand (1) zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstand einen Strömungskanal (4, 15), eine Öffnung (6) im Strömungskanal (4, 15) zur Montage der Zündkerze (7) und mindestens einem Mittel (9) zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung, insbesondere einen Gebläsebrenner oder ein elektrisches Heizgebläse, umfasst.
Prüfstand (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (7), deren thermisches Verhalten zu bestimmen ist, unbestromt und/oder unbefunkt und/oder verbrennungsfrei ist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung regelbar ist, insbesondere die Temperaturänderung und die Strömungserzeugung unabhängig voneinander regelbar sind.
Prüfstand (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) linear, insbesondere mit einer Auslassdüse (5), ausgebildet ist.
Prüfstand (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (15) geschlossen ausgebildet ist.
Prüfstand (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstand (1) zwischen dem mindestens einem Mittel (9) zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung und dem Strömungskanal einen durchströmten Bereich aufweist, insbesondere eine Düse (3), bei dem sich der durchströmte Querschnitt in Strömungsrichtung verändert, wobei insbesondere der durchströmte Querschnitt im Bereich des Mittels (9) zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung einen größeren durchströmten Querschnitt aufweist als im Bereich des Strömungskanals (4, 15).
Prüfstand (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4, 15) im Bereich der Öffnung (6) einen Messblock (8) aufweist, der einen, insbesondere direkten, thermischen Kontakt mit der Zündkerze (7) aufweist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messblock (8) keinen direkten thermischen Kontakt mit dem im Strömungskanal (4, 15) befindlichen Medium hat, insbesondere der thermische Kontakt zwischen Messblock (8) und Medium über die Zündkerze (7) ausgebildet ist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messblock (8) eine oder mehrere Messstellen aufweist, insbesondere für Temperaturmessung, die insbesondere über den Umfang der Öffnung (6) im Messblock (8) verteilt sind.
Prüfstand (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Messblock (8) ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m[m·K) aufweist, insbesondere Kupfer oder eine Kupfer-Legierung aufweist.
Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze (7), insbesondere mit einem Prüfstand (1) nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem Mittel (9) zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung, insbesondere einen Gebläsebrenner oder ein elektrisches Heizgebläse, die Temperatur eines in einem Strömungskanal (4, 15) befindlichen Mediums, insbesondere ein Gasgemisch, und eine Temperatur einer zu messenden Zündkerze (7) verändert wird, insbesondere die Temperatur erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestimmung des thermischen Verhaltens die Zündkerze (7) unbestromt und/oder unbefunkt und/oder verbrennungsfrei ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass • eine Zündkerze (7) in eine Öffnung (6) eines Strömungskanals (4, 15) eingebracht wird, • anschließend das Medium, insbesondere ein Gasgemisch, aufgeheizt wird, • eine Temperatur der Zündkerze (7) und eine Temperatur des Mediums detektiert und aufgezeichnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Temperaturänderung und Strömungserzeugung gesteuert, insbesondere geregelt, werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitdauer von Änderung der Temperatur des Mediums bis zum Erreichen der geänderten Temperatur an einer Messstelle zur Temperaturmessung der Zündkerze (7 detektiert und aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Mediums und der Temperatur der Messstelle der Zündkerze (7) detektiert und aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer oder der Temperaturunterschied oder eine maximal erreichte Temperatur der Zündkerze, als Maß für die Zuordnung der Zündkerze (7) zu einer Vergleichsgröße, die insbesondere Temperatur-Index genannt wird, dient.
Software, dazu eingerichtet, das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15 durchzuführen und/oder zu steuern, insbesondere regeln.