DE102018201057A1

DE102018201057A1 - Zündkerze mit Selbstdiagnose und Hochspannungskabel zur Selbstdiagnose einer Zündkerze sowie Verfahren zur Selbstdiagnose einer Zündkerze

Info

Publication number: DE102018201057A1
Application number: DE102018201057.9A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Claus; Ronald Ritter; Igor Orlandini
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-07-25

Abstract

Zündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einem Gasmotor, aufweisend ein Gehäuse (2), mindestens eine am Gehäuse (2) angeordnete Masseelektrode (5), einen im Gehäuse (2) angeordneten Isolator (3), eine im Isolator (3) angeordnete Mittelelektrode (4), die zusammen mit der mindestens einen Masseelektrode (5) einen Zündspalt ausbildet, einen teilweise im Isolator (3) angeordneten Hochspannungsanschluss (6), der über ein im Isolator (3) angeordnetes Widerstandselement (7) mit der Mittelelektrode (4) elektrisch verbunden ist, wobei die Zündkerze (1) einen Zündspannungsdetektor (10) zur Messung einer zur Erzeugung eines Zündfunken erforderlichen Zündspannung aufweist.
Oder
Hochspannungskabel (60) zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle (61) mit einer Zündkerze (1), aufweisend einen ersten Anschluss zum elektrischen Verbinden mit der Zündspannungsquelle und einen zweiten Anschluss (62) zum elektrischen Verbinden mit der Zündkerze (1), wobei das Hochspannungskabel (60) einen Zündspannungsdetektor (10) zur Messung einer zur Erzeugung eines Zündfunken erforderlichen Zündspannung aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, ein Hochspannungskabel und ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Zündkerze nach den unabhängigen Ansprüchen.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Otto-Motors sind Zündkerzen unerlässlich. Dabei gilt es die Eigenschaften der Zündkerzen an die verschieden Betriebsbedingungen des Motors und die Betriebsbedingung von verschiedenen Motoren, beispielsweise ein stationärer Gasmotor oder einen Motor im Automotiv-Bereich, anzupassen. Moderne Motoren werden mit immer höheren Drücken betrieben. Bei diesen hochaufgeladene Motoren werden die Zündkerze und ihre Komponenten viel stärker beansprucht, da die verschiedenen chemische Prozesse, wie beispielsweise Korrosion, zeitlich schneller und stärker ablaufen. Dennoch soll die Lebenszeit der Zündkerze möglichst lang sein und am besten die gleiche Lebenszeit wie Zündkerzen aufweisen, die in weniger aufgeladen Motoren verwendet werden. Gleichzeitig muss die Funktionalität der Zündkerze, d.h. eine sichere Entflammung für eine saubere und optimale Verbrennung, sichergestellt sein.
Ein Verschleißprozess bei der Zündkerze ist der Elektrodenverschleiß. Jeder einzelne Zündfunken führt dazu, dass lokal Elektrodenmaterial aufgeschmolzen und teilweise durch die Ladungsträgerbewegung sowie dem elektrische Feld im Funkenplasma abgetragen wird. Dies führt zum Verschleiß der Zündkerzenelektroden, der sich durch einen zunehmenden Abstand der Zündkerzenelektroden äußert. Um den Verschleiß der Zündkerzenelektroden zu reduzieren werden Zündspitzen aus widerstandsfähigen Edelmetallen bzw. Edelmetall-Verbindungen, wie beispielsweise Ir-Verbindungen und/oder Pt-Verbindungen, auf den Zündkerzenelektroden angeordnet, die in der Regel aus weniger widerstandsfähigen Nibasierten Materialien bestehen.
Es ist vorteilhaft zu jedem Zeitpunkt im Betrieb der Zündkerze ihren aktuellen Verschleiß-Zustand zu kennen. Dadurch lassen sich beispielsweise die Betriebsparameter, wie Schließzeiten der Zündspule/Zündspannungsquelle oder bereitgestellte Zündenergie, an den Verschleiß-Zustand der Zündkerze anpassen. Dadurch kann der Verschleiß der Zündkerze bei der einzelnen Zündung minimiert werden, wodurch das eingesetzte Material weniger verbraucht und die Lebenszeit der Zündkerze verlängert wird.
Die DE 10 2014 219 722 A1 beispielsweise offenbart ein Zündsystem sowie Verfahren zur Überprüfung von Elektroden einer Funkenstrecke des Zündsystems, bei dem die bereitgestellte Zündenergie dem Verschleiß-Zustand der Zündkerze angepasst wird. Beim Verfahren wird ein Zündfunken an der Funkenstrecke erzeugt und dabei der Funkenstrom, die Funkenspannung und/oder die Funkendauer gemessen und eine dazu korrespondierende Kenngröße oder Kennfunktion ermittelt und mit einer Referenz vergleichen. Anschließen wird in Abhängigkeit des Vergleichs zwischen Kenngröße oder Kennfunktion mit der Referenz die Energie zum Spannungsaufbau der Funkenbildung oder zum Aufrechterhalten des Zündfunkens angepasst. Dadurch ist es möglich den Energieaufwand an den Verschleiß-Zustand der Zündkerze anzupassen und Verlustleistungen zu reduzieren, einer Erwärmung des Zündsystems sowie einer thermischen und elektrischen Alterung und Erosion der Zündkerze vorzubeugen. Bei diesem Zündsystem ist der Detektor zur Ermittlung des Funkenstroms, der Funkenspannung und/oder der Funkendauer in der Zündspannungsquelle angeordnet.
Verschleißprozesse und Alterungsprozesse in der Zündkerze lassen sich nicht vollständig verhindern, so dass die Zündkerze regelmäßig erneuert werden muss. Für einen zuverlässigen Betrieb der Zündkerze ist es regelmäßig notwendig die Zündkerze früh genug auszutauschen, d.h. bevor es zu Zündaussetzern kommt. Gleichzeitig ist es für einen wirtschaftlichen Betrieb der Zündkerze notwendig nicht zu früh die Zündkerze zu tauschen, damit nicht zu viel von dem teuren widerstandsfähigen Elektrodenmaterial und der restlichen Lebenszeit der Zündkerze verschenkt wird.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Zündkerze oder ein Hochspannungskabel zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle mit einer Zündkerze oder ein System aus Zündkerze und Hochspannungskabel sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit der bzw. dem es möglich ist den Verschleiß-Zustand einer Zündkerze zu detektieren.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Zündkerze gelöst. Die Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einem stationären Gasmotor, aufweisend ein Gehäuse, mindestens eine am Gehäuse angeordnete Masseelektrode, einen mindestens teilweise im Gehäuse angeordneten Isolator, eine mindestens teilweise im Isolator angeordnete Mittelelektrode, die zusammen mit der mindestens einen Masseelektrode einen Zündspalt ausbildet. Des Weiteren weist die Zündkerze einen teilweise im Isolator angeordneten Hochspannungsanschluss auf, der über ein im Isolator angeordnetes Widerstandselement mit der Mittelelektrode elektrisch verbunden ist. Erfindungsgemäße ist vorgesehen, dass die Zündkerze einen Zündspannungsdetektor zur Messung einer zur Erzeugung eines Zündfunken erforderlichen Zündspannung aufweist. Dadurch ist es möglich, dass die an der Zündkerze angelegte Zündspannung bei einer im Betrieb befindlichen Zündkerze detektiert wird. Des Weiteren kann auch die für die Erzeugung eines Zündfunken notwendige Zündspannung, der sogenannte Zündspannungsbedarf, detektiert werden.
Durch die angelegte Zündspannung, die typischerweise im Bereich der Hochspannung von mehreren Kilovolt liegt, wird ein Zündfunken zwischen den Elektroden erzeugt. Der Zündfunken durchbricht die Isolationsstrecke zwischen den Elektroden und ionisiert dabei das Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei der Zündfunken Energie an das Kraftstoff-Luft-Gemisch überträgt. Wenn der Zündfunken genügend Energie an das Plasma, sprich dem ionisierte Kraftstoff-Luft-Gemisch, überträgt, kommt es zu der gewünschten Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder und der Motor kann die gewünschte Leistung bereitstellen. Die für eine Entflammung benötigte Energie bzw. die für die Erzeugung eines Zündfunken benötigte Zündspannung ist von dem Betriebspunkt des Motors abhängig. Beispielsweise benötigt ein warmer Motor weniger Energie für eine Entflammung als ein kalter Motor. Der Zündspannungsbedarf ist nicht nur vom Betriebspunkt abhängig, sondern auch der Verschleißzustand der Zündkerzenelektroden hat einen Einfluss auf den Zündspannungsbedarf. Durch den Verschleiß der Zündkerzenelektroden steigt der Abstand der Elektroden zueinander, wodurch der Zündspannungsbedarf ebenfalls zunimmt. Der Anstieg des Zündspannungsbedarfs kann somit als Maß für den Verschleißzustand der Zündkerzenelektroden genutzt werden. Dafür muss nur der aktuelle Zündspannungsbedarf regelmäßig ermittelt und ausgewertet werden. Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze wird die angelegte Zündspannung mittels eines Zündspannungsdetektors gemessen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer Weiterbildung der Zündkerze ist der Zündspannungsdetektor innerhalb des Isolators angeordnet ist. Dabei hat es sich alsbesonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Zündspannungsdetektor räumlich zwischen dem Widerstandselement und dem Hochspannungsanschluss angeordnet ist, wobei das Widerstandselement und der Hochspannungsanschluss mittels des Zündspannungsdetektors elektrisch miteinander verbunden sind. Die Anordnung des Zündspannungsdetektors zwischen dem Widerstandselement und dem Hochspannungsanschluss hat den Vorteil, dass eine elektrische Kontaktierung von Hochspannungsanschluss zum Zündspannungsdetektor und vom Zündspannungsdetektor zum Widerstandselement sich leicht realisieren lässt. Des Weiteren beträgt die Temperatur in diesem Bereich der Zündkerze nur gut 100°C, so dass an den Zündspannungsdetektor keine besonderen Anforderungen bezüglich guter Temperaturbeständigkeit bei hohen Temperaturen von mehreren 100°C gestellt werden müssen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform hat Zündspannungsdetektor eine Ausgabeschnittstellte, die dazu eingerichtet ist das vom Zündspannungsdetektor gemessene Signal (detektierte Signal) oder ein zu der vom Zündspannungsdetektor gemessene Zündspannung korrespondierende Signal (zum detektiertem Signal korrespondierendes Signal) auszugeben, insbesondere damit das Signal an eine Auswerteeinheit übermittelbar ist. Die Ausgabeschnittstelle ist beispielsweise ein elektrisches Kabel, das beispielsweise bei der Anordnung des Zündspannungsdetektors innerhalb des Isolators einfach innerhalb des Isolators und am Hochspannungsanschluss nach Außen geführt werden kann. Dadurch wird eine einfache Herstellung der Zündkerze möglich und des Weiteren wird auf eine einfache und zuverlässige Weise das detektierte Signal oder ein zum detektiertem Signal korrespondierendes Signal nach außerhalb der Zündkerze geleitet und kann an eine externe Auswerteeinheit weitergeleitet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Zündspannungsdetektor ein elektrischer Shunt ist.
Der elektrische Shunt hat den Vorteil, dass es ein einfaches und günstiges sowie gleichzeitig solide und zuverlässig arbeitendes elektrisches Bauteil ist. Der elektrische Shunt ist leicht zu handhaben und auch robust genug für die in der Zündkerze herrschenden Bedingungen.
Die Erfindung betrifft auch ein Hochspannungskabel zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle mit einer Zündkerze, dass die Aufgabe löst. Das erfindungsgemäße Hochspannungskabel zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle mit einer Zündkerze weist einen ersten Anschluss zum elektrischen Verbinden mit der Zündspannungsquelle, einen zweiten Anschluss zum elektrischen Verbinden mit der Zündkerze und einen Zündspannungsdetektor zur Messung einer zur Erzeugung eines Zündfunken erforderlichen Zündspannung auf. Da die Zündspannung über ein Hochspannungskabel von der Zündspannungsquelle an die Zündkerze angelegt wird, ist es möglich die an einer Zündkerze angelegte Zündspannung und den Zündspannungsbedarf der Zündkerze mit einem im Hochspannungskabel angeordneten Zündspannungsdetektor zu messen und darüber den Verschleißzustand der Elektroden der Zündkerze zu bestimmen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochspannungskabels sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochspannungskabels hat der Zündspannungsdetektor eine Ausgabeschnittstellte, die dazu eingerichtet ist das vom Zündspannungsdetektor gemessene Signal oder ein zu der vom Zündspannungsdetektor gemessene Zündspannung korrespondierende Signal auszugeben, insbesondere damit das Signal an eine Auswerteeinheit übermittelbar ist. Die Ausgabeschnittstelle ist beispielsweise ein elektrisches Kabel.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Zündspannungsdetektor ein elektrischer Shunt ist. Der elektrische Shunt hat den Vorteil, dass es ein einfaches und günstiges sowie gleichzeitig solides und zuverlässig arbeitendes elektrisches Bauteil ist. Der elektrische Shunt ist leicht zu handhaben.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich um ein System aus einer erfindungsgemäßen Zündkerze gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen mit einem Hochspannungskabel zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle mit der Zündkerze, aufweisend einen ersten Anschluss zum elektrischen Verbinden mit der Zündspannungsquelle und einen zweiten Anschluss zum elektrischen Verbinden mit der Zündkerze.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des Systems wird ein erfindungsgemäßes Hochspannungskabel gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen mit einer mit einer Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einem Gasmotor, kombiniert. Die Zündkerze weist ein Gehäuse, mindestens eine am Gehäuse angeordnete Masseelektrode, einen mindestens teilweise im Gehäuse angeordneten Isolator, eine mindestens teilweise im Isolator angeordnete Mittelelektrode, die zusammen mit der mindestens einen Masseelektrode einen Zündspalt ausbildet, einen teilweise im Isolator angeordneten Hochspannungsanschluss, der über ein im Isolator angeordnetes Widerstandselement mit der Mittelelektrode elektrisch verbunden ist, aus.
Bei einer Weiterbildung eines der oben genannten Systeme gehört eine Auswerteeinheit zum System, die dazu eingerichtet ist das vom Zündspannungsdetektor ausgegebene Signal zu empfangen und zu verarbeiten. Dadurch gibt es eine Einheit, die die Auswertung der Messdaten übernimmt. Die Auswerteeinheit kann die vom Zündspannungsdetektor ausgegebene Signale empfangen und speichern, und dadurch die zu verschiedenen Zeiten vom Zündspannungsdetektor gemessene und ausgegebene Signale miteinander vergleichen. Beispielsweise kann die Motorsteuerung oder eine OBU (On Board Unit) die Auswerteeinheit sein.
Weiter ist es vorteilhaft, dass die Auswerteeinheit auch dazu eingerichtet ist aus dem vom Zündspannungsdetektor ausgegebenem Signal den Verschleißzustand der Zündkerze zu bestimmten. Dabei kann die Auswerteeinheit aus dem einzelnen vom Zündspannungsdetektor ausgegebenem Signal den Verschleißzustand bestimmen oder anhand des zeitlichen Verlaufs, sprich der Veränderung der Werte der zu verschiedenen Zeitpunkten, der vom Zündspannungsdetektor ausgegebenen Signale dem Verschleißzustand bestimmen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Auswerteeinheit ein Algorithmus hinterlegt, mit dem die Auswerteeinheit eine Abschätzung über die restliche Lebensdauer der Zündkerze treffen kann. Dadurch ist es möglich den optimalen Zeitpunkt für einen Wechsel der Zündkerze vorherzusagen. Der optimale Zeitpunkt ist, wenn die Elektroden maximal abgenutzt sind, ohne dass es bereits zu Zündaussetzern kommt.
Bei einer Weiterentwicklung ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet den Verschleißzustand der Zündkerze an eine Ausgabeeinheit weiterzugeben. Die Ausgabeeinheit ist typischerweise eine Schnittstelle mit dem User, so dass ein menschlicher Benutzer, beispielsweise ein Service Techniker oder ein Autofahrer, an der Ausgabeeinheit direkt den Verschleißzustand der Zündkerze und/oder die abgeschätzte restliche Lebensdauer der Zündkerze und/oder den empfohlenen Zeitpunkt zum Wechseln der Zündkerze ablesen kann. Die Ausgabeeinheit kann auch eine internetfähige Schnittstelle sein, wodurch es möglich ist das vom Zündspannungsdetektor ausgegebene Signal und/oder von der Auswerteeinheit ermittelte, gespeicherte oder berechnete Daten an einen externen Server weiterzuleiten, der dann die weitere Verarbeitung und/oder Berechnung der Daten, insbesondere des Verschleißzustandes der Zündkerze oder die restliche Lebenszeit der Zündkerze oder den prognostizierten Wechselzeitpunkt für die Zündkerzen, und/oder die Kommunikation mit dem menschlicher Benutzer übernimmt.
Bei einer vorteilhaften Ausführung eines der oben genannten Systeme, weist das System mehrere Zündkerzen mit jeweils einem Hochspannungskabel und mit jeweils einem Zündspannungsdetektor sowie einer gemeinsamen Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet das jeweilige Signal von den mehreren verschiedenen Zündspannungsdetektoren zu empfangen und daraus den Verschleißzustand der jeweiligen zum Zündspannungsdetektor gehörigen Zündkerze zu ermitteln. Insbesondere hat die Auswerteeinheit auch eine Ausgabeeinheit zur Kommunikation mit einem menschlichen Benutzer. Durch die Bündelung der Information von den Verschleißzuständen verschiedener Zündkerzen in einer gemeinsamen Auswerteeinheit ergibt sich der Vorteil, dass die Auswerteeinheit bei der Ermittlung eines empfohlenen Wechselzeitpunkts für die Zündkerzen den Verschleißzustand von mehreren Zündkerzen berücksichtigen kann. Insbesondere für stationäre Gasmotoren mit mindestens 6 und mehr Zylindern ist es für den Betreiber besonders wichtig mehreren Zündkerzen gleichzeitig zu wechseln, da jeder Stillstand des Gasmotors mit hohen Kosten verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustands einer Zündkerze aufweisend die Schritte:

• Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und erzeugen eines Zündfunkens in der Zündkerze ,
• Messung der für die Erzeugung des Zündfunkens erforderlichen Zündspannung mittels eines Zündspannungsdetektors,
• Ausgabe des vom Zündspannungsdetektor gemessenen Signals oder eines zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals an eine Auswerteeinheit,
• Empfangen des vom Zündspannungsdetektor gemessenen Signals oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals von der Auswerteeinheit,
• Weiterverarbeitung des vom Zündspannungsdetektor gemessenen Signals oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals durch die Auswerteeinheit, insbesondere Bestimmung eines Verschleißzustandes der Zündkerze aus dem vom Zündspannungsdetektor gemessenen Signal.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich ebenfalls die für die erfindungsgemäße Zündkerze oder für das erfindungsgemäße Hochspannungskabel genannten Vorteile.
Bei einer Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das vom Zündspannungsdetektor gemessenen Signal oder des zum gemessenen Signal korrespondierenden Signals oder der daraus bestimmte Verschleißzustand der Zündkerze mit einem Sollwert verglichen wird und bei Überschreitung des Sollwerts die Auswerteeinheit ein Warnsignal ausgibt. Beispielsweise ist das Warnsignal ein Hinweis bzw. eine Mitteilung an den User, dass ein Zündkerzenwechsel notwendig ist oder demnächst notwendig wird.
Bei verschiedenen alternativen Weiterentwicklungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Zündspannung bei jedem Zündvorgang oder nach einer festen Anzahl von Zündvorgängen, wie beispielsweise alle 100 oder 500 Zündvorgängen, oder nach festen Zeiteinheiten, wie beispielsweise alle 50 oder 100 Betriebsstunden, oder nach variablen Zeiteinheiten, d.h. mit zunehmender Betriebsdauer einer Zündkerze werden die Zeitabstände zwischen zwei Zündspannungsdetektionen kürzer, oder nach nummerischen oder zeitlichen Abständen, die in Abhängigkeit des letzten bestimmten Verschleißzustandes bestimmt und beispielsweise verkürzt werden detektiert und ausgewertet wird.
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.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zündkerze mit Zündspannungsdetektor
2 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze und einem erfindungsgemäßen Hochspannungskabel mit Zündspannungsdetektor
3 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes System aus Hochspannungskabel, Zündkerze, Zündspannungsdetektor und Auswerteeinheit
4 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt in einer halb-geschnittenen Ansicht eine erfindungsgemäße Zündkerze 1 und einen Ausschnitt eines Hochspannungskabels 60. Auch wenn in diesem Beispiel die Zündkerze 1 mit einem Hochspannungskabel 60 dargestellt ist, ist das Hochspannungskabel 60 für dieses Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze 1 nicht zwingend notwendig.
Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator 3 eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse des Isolators 3 und die Längsachse der Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 ein Hochspannungsanschluss 6, über den die Zündkerze 1 mit einer hier nicht dargestellten Spannungsquelle elektrisch kontaktiertbar ist. Die elektrische Kontaktierung mit der Spannungsquelle erfolgt wie hier beispielhaft dargestellt ist mittels eines Hochspannungskabel 60, das einen Anschluss 62 zur Kontaktierung mit dem Hochspannungsanschluss 6 der Zündkerze 1 aufweist. Der Hochspannungsanschluss kann einstückig ausgebildet sein oder sich beispielsweise aus einem Anschlussbolzen und einer Anschlußmutter zusammensetzen. Der Hochspannungsanschluss 6 ragt aus dem Isolator 3 raus und bildet das Brennraumabgewandte Ende der Zündkerze 1.
Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Hochspannungsanschluss 6 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, auch Panat genannt. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Hochspannungsanschluss 6. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einem ersten Kontaktpanat, einem Widerstandspanat und einem zweiten Kontaktpanat aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements 7 unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Das erste Kontaktpanat und das zweite Kontaktpanat haben typischerweise den gleichen elektrischen Widerstand. Das Widerstandselement 7 kann auch nur eine Schicht Widerstandspanat oder mehrere verschiedene Schichten Widerstandspanat mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen und Widerständen aufweisen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Hochspannungsanschluss 6 und dem Widerstandselement 7 der Zündspannungsdetektor 10 innerhalb des Isolators 3 mitangeordnet. Die elektrische Verbindung zwischen Hochspannungsanschluss 6 und dem Widerstandselement 7 erfolgt über den Zündspannungsdetektor 10. Der Zündspannungsdetektor 10 ist beispielsweise ein elektrischer Shunt, über dem man die an der Zündkerze angelegte Spannung oder die für eine Erzeugung eines Zündfunkens notwendige Zündspannung abgreifen kann.
Nicht dargestellt ist ein Ausgabeschnittstelle 11 vom Zündspannungsdetektor 10, über die das vom Zündspannungsdetektor 10 gemessene Signal ausgebbar ist und aus der Zündkerze 1 herausgeführt wird, damit es beispielsweise an eine Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Die Ausgabeschnittstelle 11 kann beispielsweise ein elektrisches Kabel sein, über das das gemessene Signal oder ein zum gemessenen Signal korrespondierendes Signal ausgegeben wird.
Der Isolator 3 liegt mit einer Schulter auf einem an der Gehäuse-Innenseite ausgebildeten Gehäuse-Sitz auf. Zur Abdichtung des Luftspalts zwischen Gehäuse-Innenseite und Isolator 3 ist zwischen der Isolator-Schulter und dem Gehäuse-Sitz eine Innendichtung angeordnet, die beim Einspannen des Isolators 3 im Gehäuse 2 plastisch verformt wird und dadurch den Luftspalt abdichtet.
Am Gehäuse 2 ist auf dessen brennraumseitigen Stirnfläche eine Masseelektrode 5 elektrisch leitend angeordnet. Die Masseelektrode 5 und die Mittelelektrode 4 sind so zueinander angeordnet, dass sich zwischen ihnen ein Zündspalt ausbildet, bei dem der Zündfunken erzeugt wird.
Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde ausgebildet. Das Gewinde dient zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde und dem Mehrkant ist ein äußeres Dichtelement angeordnet. Das äußere Dichtelement ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltdichtung ausgestaltet.
2 zeigt in einer halb-geschnittenen Ansicht eine Zündkerze 1 und einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Hochspannungskabels 60. Auch wenn in diesem Beispiel das Hochspannungskabel 60 mit einer Zündkerze 1 dargestellt ist, ist die Zündkerze 1 für dieses Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochspannungskabels 60 nicht zwingend notwendig.
2 unterscheidet sich von 1 primär durch die Anordnung des Zündspannungsdetektors 10. Bezüglich des Aufbaus der Zündkerze 1 kann an dieser Stelle auf die Beschreibung der Zündkerze für 1 verwiesen werden, da die Zündkerze aus 2 sich von der Zündkerze aus 1 nur durch die Abwesenheit des Zündspannungsdetektors 10 unterscheidet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Zündspannungsdetektor 10 als Teil des Hochspannungskabels 60 ausgebildet. Der Zündspannungsdetektor kann entweder in einem Abschnitt des Kabels des Hochspannungskabels oder an einem der beiden Anschlüsse 61, 62 des Hochspannungskabels 60 angeordnet sein.
Der Zündspannungsdetektor 10 hat eine Ausgabeschnittstelle 11, über die das vom Zündspannungsdetektor 10 gemessene Signal ausgebbar ist, damit es beispielsweise an eine Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Die Ausgabeschnittstelle 11 kann beispielsweise ein elektrisches Kabel sein, über das das gemessene Signal oder ein zum gemessenen Signal korrespondierendes Signal ausgegeben wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass der Zündspannungsdetektor 10 zwischen der Zündkerze 1 und dem Hochspannungskabel 60 angeordnet ist, dabei erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen Hochspannungskabel 60 und Zündkerze 1 über den Zündspannungsdetektor 10.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes System aus Zündkerze 1, Hochspannungskabel 60, Zündspannungsdetektor und Auswerteeinheit 50 dargestellt. Des Weiteren ist eine Spannungsquelle 61 dargestellt, die eine Spannung für die Zündkerze 1 bereitstellt. Über das Hochspannungskabel 60 mit einem ersten Anschluss 63 und einem zweiten Anschluss 62 ist die Spannungsquelle 61 mit der Zündkerze 1 elektrisch verbunden. Der Zündspannungsdetektor 10 kann in diesem Beispiel im Hochspannungskabel 60, zwischen Hochspannungskabel 60 und der Zündkerze 1 oder in der Zündkerze 1 angeordnet sein.
Mittels einer Ausgabeschnittstelle 1 wird das vom Zündspannungsdetektor 10 gemessene Signal oder ein zum gemessenen Signal korrespondierendes Signal an eine Auswerteeinheit 50 weitergeleitet. Die Auswerteeinheit ermittelt auf Basis des vom Detektor empfangenen Signals einen Verschleißzustand der Zündkerze 1. Die Auswerteeinheit ist mit einer Ausgabeeinheit 51 verbunden. Über die Ausgabeeinheit 51 kann der Verschleißzustand der Zündkerze ausgelesen oder abgelesen werden, so dass der passende Zeitpunkt zum Auswechseln der Zündkerze bestimmt werden kann. Der passende Zeitpunkt ist idealerweise dann, wenn das Elektrodenmaterial soweit abgetragen und damit der Zündspalt sich soweit verbreitert hat, dass die zur Verfügung stehende Zündspannung gerade noch ausreicht einen Zündfunken zu Erzeugen und es noch nicht zu Zündaussetzern kommt.
Die Auswerteeinheit 50 kann auch die Signale, die von mehreren verschiedenen Zündspannungsdetektoren 10 an die Auswerteeinheit 50 weitergegeben werden, verarbeiten und für jede einzelnen zu den jeweiligen Zündspannungsdetektor gehörenden Zündkerze den Verschleißzustand bestimmen und ausgeben.
Beispielsweise kann die Motorsteuerung oder eine OBU die Auswerteeinheit sein.
In 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren 100 schematisch dargestellt. Das Verfahren 100 umfasst die folgenden Schritte:

• Anlegen 101 einer Spannung an die Zündkerze 1 und erzeugen 102 eines Zündfunkens in der Zündkerze 1,
• Messung 103 der für die Erzeugung des Zündfunkens erforderlichen Zündspannung mittels eines Zündspannungsdetektors 10,
• Ausgabe 104 des vom Zündspannungsdetektor 10 gemessenen Signals oder eines zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals an eine Auswerteeinheit 50,
• Empfangen 105 des vom Zündspannungsdetektor 10 gemessenen Signals oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals von der Auswerteeinheit 50,
• Weiterverarbeitung 106 des vom Zündspannungsdetektor 10 gemessenen Signals durch die Auswerteeinheit 50, insbesondere Bestimmung eines Verschleißzustandes der Zündkerze 1 aus dem vom Zündspannungsdetektor 10 gemessenen Signal.

Optional kann das Verfahren auch noch die Schritte aufweisen, dass das vom Zündspannungsdetektor 10 gemessenen Signal oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals oder der daraus bestimmte Verschleißzustand der Zündkerze 1 mit einem Sollwert verglichen wird 107 und bei Überschreitung des Sollwerts die Auswerteeinheit 50 ein Warnsignal ausgibt 108. Beispielsweise ist das Warnsignal ein Hinweis bzw. eine Mitteilung an den User, dass ein Zündkerzenwechsel notwendig ist oder demnächst notwendig wird.
Bei verschiedenen alternativen Weiterentwicklungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Zündspannung bei jedem Zündvorgang oder nach einer festen Anzahl von Zündvorgängen, wie beispielsweise alle 100 oder 500 Zündvorgängen, oder nach festen Zeiteinheiten, wie beispielsweise alle 50 oder 100 Betriebsstunden, oder nach variablen Zeiteinheiten, d.h. mit zunehmender Betriebsdauer einer Zündkerze werden die Zeitabstände zwischen zwei Zündspannungsdetektionen kürzer, oder nach nummerischen und/oder zeitlichen Abständen, die in Abhängigkeit des letzten bestimmten Verschleißzustandes bestimmt und beispielsweise verkürzt werden, detektiert und ausgewertet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219722 A1 [0005]

Claims

Zündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einem Gasmotor, aufweisend ein Gehäuse (2), mindestens eine am Gehäuse (2) angeordnete Masseelektrode (5), einen im Gehäuse (2) angeordneten Isolator (3), eine im Isolator (3) angeordnete Mittelelektrode (4), die zusammen mit der mindestens einen Masseelektrode (5) einen Zündspalt ausbildet, einen teilweise im Isolator (3) angeordneten Hochspannungsanschluss (6), der über ein im Isolator (3) angeordnetes Widerstandselement (7) mit der Mittelelektrode (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) einen Zündspannungsdetektor (10) zur Messung einer zur Erzeugung eines Zündfunken erforderlichen Zündspannung aufweist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsdetektor innerhalb des Isolators angeordnet ist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsdetektor (10) räumlich zwischen dem Widerstandselement (7) und dem Hochspannungsanschluss (6) angeordnet ist, wobei das Widerstandselement (7) und der Hochspannungsanschluss (6) mittels des Zündspannungsdetektors (10) elektrisch miteinander verbunden sind.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsdetektor (10) eine Ausgabeschnittstellte (11) hat, die dazu eingerichtet ist ein zu der vom Zündspannungsdetektor (10) gemessene Zündspannung korrespondierende Signal auszugeben, insbesondere damit das Signal an eine Auswerteeinheit (50) übermittelbar ist.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsdetektor(10) ein elektrischer Shunt ist.
Hochspannungskabel (60) zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle (61) mit einer Zündkerze (1), aufweisend einen ersten Anschluss zum elektrischen Verbinden mit der Zündspannungsquelle und einen zweiten Anschluss (62) zum elektrischen Verbinden mit der Zündkerze (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungskabel (60) einen Zündspannungsdetektor (10) zur Messung einer zur Erzeugung eines Zündfunken erforderlichen Zündspannung aufweist.
Hochspannungskabel (60) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsdetektor (10) eine Ausgabeschnittstellte (11) hat, die dazu eingerichtet ist ein zu der vom Zündspannungsdetektor (10) gemessene Zündspannung korrespondierende Signal auszugeben, insbesondere damit das Signal an eine Auswerteeinheit (50) übermittelbar ist.
Hochspannungskabel (60) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsdetektor (10) ein elektrischer Shunt ist.
System aus mindestens einer Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Hochspannungskabel (60) zur elektrischen Kontaktierung einer Zündspannungsquelle (61) mit der Zündkerze (1), aufweisend einen ersten Anschluss (63) zum elektrischen Verbinden mit der Zündspannungsquelle (61) und einen zweiten Anschluss (62) zum elektrischen Verbinden mit der Zündkerze (1), oder System aus mindestens einem Hochspannungskabel (60) nach einem der Ansprüche 6 bis 7 mit einer Zündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einem Gasmotor, aufweisend ein Gehäuse (2), mindestens eine am Gehäuse (2) angeordnete Masseelektrode (5), einen im Gehäuse (2) angeordneten Isolator (3), eine im Isolator (3) angeordnete Mittelelektrode (4), die zusammen mit der mindestens einen Masseelektrode(5) einen Zündspalt ausbildet, einen teilweise im Isolator (3) angeordneten Hochspannungsanschluss (6), der über ein im Isolator (3) angeordnetes Widerstandselement (7) mit der Mittelelektrode (4) elektrisch verbunden ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Auswerteeinheit (50) aufweist, die dazu eingerichtet ist das vom Zündspannungsdetektor (10) ausgegebene Signal zu empfangen und zu verarbeiten.
System nach Anspruch 10, dadurch kennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist aus dem vom Zündspannungsdetektor (10) ausgegebenem Signal den Verschleißzustand der Zündkerze (1) zu bestimmten.
System nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch kennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist den Verschleißzustand der Zündkerze (1) an eine Ausgabeeinheit weiterzugeben (51).
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch kennzeichnet, dass das System mehrere Zündkerzen (1) mit jeweils einem Hochspannungskabel (60) aufweist, und dass die Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist das jeweilige Signal von den mehreren verschiedenen Zündspannungsdetektoren (10) zu empfangen und daraus den Verschleißzustand der jeweiligen zum Zündspannungsdetektor (10) gehörigen Zündkerze (1) zu ermitteln.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuerung die Auswerteeinheit (50) ist.
Verfahren (100) zur Bestimmung des Verschleißzustands einer Zündkerze aufweisend die Schritte: • Anlegen (101) einer Spannung an die Zündkerze (1) und erzeugen (102) eines Zündfunkens in der Zündkerze (1), • Messung (103) der für die Erzeugung des Zündfunkens erforderlichen Zündspannung mittels eines Zündspannungsdetektors (10), • Ausgabe (104) des vom Zündspannungsdetektor (10) gemessenen Signals oder eines zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals an eine Auswerteeinheit (50), • Empfangen (105) des vom Zündspannungsdetektor (10) gemessenen Signals oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals von der Auswerteeinheit (50), • Weiterverarbeitung (106) des vom Zündspannungsdetektor (10) gemessenen Signals oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals durch die Auswerteeinheit (50), insbesondere Bestimmung eines Verschleißzustandes der Zündkerze (1) aus dem vom Zündspannungsdetektor (10) gemessenen Signal.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Zündspannungsdetektor (10) gemessenen Signal oder des zum gemessenen Signal korrespondierendes Signals oder der daraus bestimmte Verschleißzustand der Zündkerze (1) mit einem Sollwert verglichen wird (107) und bei Überschreitung des Sollwerts die Auswerteeinheit (50) ein Warnsignal ausgibt (108).