EP4040616A1 - Verschleissanalyse an zündsystemen - Google Patents

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EP4040616A1
EP4040616A1 EP22154788.8A EP22154788A EP4040616A1 EP 4040616 A1 EP4040616 A1 EP 4040616A1 EP 22154788 A EP22154788 A EP 22154788A EP 4040616 A1 EP4040616 A1 EP 4040616A1
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EP
European Patent Office
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ignition
current
electrodes
ignition electrodes
voltage source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22154788.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Michler
Dr. Olaf Toedter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/58—Testing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H—ELECTRICITY
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    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode
    • H—ELECTRICITY
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    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/58—Testing
    • H01T13/60—Testing of electrical properties

Definitions

  • the invention relates to a device for analyzing the wear of ignition electrodes which are spaced apart from one another, with a current and/or voltage source and with at least two ignition electrodes which are electrically connected to the current and/or voltage source and form an ignition system, and a method for analyzing wear on ignition electrodes using such a device.
  • the DE 10 2012 010 177 A1 discloses a device and a similar method in which the operating parameters of the internal combustion engine are additionally weighted.
  • EP 3 578 804 A1 seeks to determine the wear of a spark plug by comparing its rate of current rise before firing at two spaced time intervals.
  • the wear is determined indirectly from the measurement of currents and voltages.
  • Other analysis methods such as an endurance test, a gravimetric, optical or mechanical wear measurement, etc. require a long test period and/or can only be carried out by destroying the ignition system.
  • the present invention is based on the problem of promptly assigning the wear of ignition electrodes to the individual ignition electrodes without destroying the ignition system.
  • each of the ignition electrodes has an individual metallic material from the third to twelfth subgroups with stable isotopes, at least in a region adjoining an ignition surface.
  • an image decomposition and conversion group connected to a data acquisition device by data lines is aimed at the ignition space of the ignition system defined by the ignition electrodes.
  • At least one voltage flashover between the ignition electrodes is generated by switching on the power source, with the formation of an ignition spark.
  • the data acquisition device visualizes the characteristic spectral lines of the individual materials transmitted by the image decomposition and conversion group.
  • the material of the respective ignition electrode is sublimated and/or atomized on the ignition surface.
  • at least one characteristic spectral line of those materials is recorded by means of the image decomposition and conversion group, which are only present on one ignition electrode.
  • These spectral lines are correlated with at least one operating parameter of the ignition system, e.g. the ignition current, the ignition voltage, the ignition pulse, etc.
  • the result of this correlation is evaluated by the data acquisition device and displayed optically. This enables wear to be measured in-situ and wear to be assigned to the individual ignition electrode. This allows conclusions to be drawn about the phenomena occurring in the ignition spark.
  • the Figure 1 and 2 show a spark plug (50) and a detail of the ignition system (100) of such a spark plug (50).
  • spark plugs (50) are used, for example, in engines for externally igniting an air-gas mixture in a combustion chamber.
  • the spark plug (50) has an ignition system (100) which has at least two ignition electrodes (101, 111) spaced apart from one another. When the spark plug (50) is in operation, an ignition spark jumping between the ignition electrodes (101, 111) ignites the air-gas mixture, for example.
  • the spark plug (50) has a housing (51) which consists, for example, of a metallic material such as steel. It is designed to be electrically conductive. On its lateral surface (52), the pot-shaped housing (51) has a thread (53), a sealing seat (54) and at least two key surfaces (55) lying opposite one another. The thread (53) is designed, for example, as a fine thread.
  • the sealing seat (54) can be flat or conical.
  • the lateral surface (52) of the housing (51) can be coated. For example, it can wear a nickel coating.
  • a compression zone (56), for example, is formed between the wrench flats (55) and the sealing seat (54).
  • a ground electrode (61) is formed on the base (57) of the housing (51). The ground electrode (61) can also be inserted into the housing (51).
  • the ground electrode (61) has a rectangular cross-section, for example.
  • the ground electrode (61) forming a second ignition electrode (111) of the ignition system (100) has, for example, an oriented in a plane normal to the longitudinal axis (59), ignition surface (112) penetrated by the longitudinal axis (59).
  • a different design of the ground electrode (61) is also conceivable. For example, it can be arranged next to an imaginary cylinder whose center line coincides with the longitudinal axis (59). It is also conceivable for the ignition system (100) to have more than one ground electrode (61). In an embodiment with a plurality of ground electrodes (61), these can be arranged, for example, evenly spaced on the end face of the housing (51).
  • an insulator (71) is secured in a form-fitting manner.
  • the insulator (71) can be sealed in the housing (51) by means of talcum seals.
  • the insulator (71) consists, for example, of a ceramic material, for example aluminum oxide (Al 2 O 3 ). It is rotationally symmetrical.
  • the insulator jacket surface (72) is stepped. These steps (73) increase the length of the insulator jacket surface (72) in the axial direction. They thus form a leakage current brake.
  • the insulator jacket surface (72) is glazed, for example.
  • a central conductor (81) penetrates the insulator (71) in the longitudinal direction (75) of the spark plug (50).
  • the center conductor (81) and the insulator (71) are arranged coaxially with one another. For example, there is an air gap (76) at least in regions between the central conductor (81) and the insulator (71).
  • the center conductor (81) comprises a connection bolt (82), an interference suppression resistor (88) and a center electrode (91).
  • the connection bolt (82), also referred to as the firing pin (82), is made of steel, for example.
  • a connecting end (83) protrudes from the insulator (71).
  • This connection end (83) has, for example, a notch (84) for latching a spark plug connector (18), cf. figure 3 .
  • a different design of the connection end (83), for example as an external thread, is also conceivable. With the inner end (85) facing away from the connection end (83), the connection bolt (82) sits in the interference suppression resistor (88) and is enclosed in a gas-tight manner.
  • the interference suppression resistor (88) is designed as an electrically conductive glass melt. For example, this is a copper glass. This is set to a specified resistance value, for example by adding additives, in order to achieve the desired interference suppression properties and/or a desired erosion resistance, for example.
  • the interference suppression resistor (88) forms the electrical connection between the connection bolt (82) and the center electrode (91).
  • the center electrode (91) is also fixed in the interference suppression resistor (88). It protrudes from the insulator base (74).
  • the center electrode (91) has a cross-section that is rotationally symmetrical to the longitudinal axis (59). It consists of one or more metallic materials. In the exemplary embodiment, it is designed as a base body (92) with a coating (93), cf. figure 2 . An embodiment of the base body (92) without a coating is also conceivable.
  • the base body (91) of the center electrode (91) consists of a composite material. This is, for example, a copper core (94) encased in a nickel encasement (95). If an alloyed base body () is used, this can consist, for example, of 60% iridium, 30% rhodium, 3% yttrium, 4% nickel and 3% ruthenium. This stated composition relates, for example, to the mass fractions of the individual components.
  • the metal coating (93) is applied at least to the end face (96) of the base body (92) facing the ground electrode (61). Doping this end face (96) is also conceivable.
  • platinum, gold, titanium, zinc, cadmium, vanadium, iron, zirconium, etc. can be used as the material of a metal coating (93) or a doping. All materials of the base body (92) and/or the metal coating (93) or the doping are non-radioactive materials of the 3rd to 12th subgroups of the periodic table of the elements.
  • the third subgroup is the scandium group
  • the fourth subgroup is the titanium group
  • the fifth subgroup is the vanadium group
  • the sixth subgroup is the chromium group
  • the seventh subgroup is the manganese group
  • the eighth subgroup is the iron group
  • the ninth subgroup is the cobalt group
  • the tenth subgroup is the nickel group
  • the eleventh subgroup the copper group and the twelfth subgroup the zinc group.
  • the atoms of these materials for example, have free valence electrons in at least two shells and therefore at least two different oxidation numbers.
  • the thickness of the metal coating (93) is between 10 micrometers and 50 micrometers, for example. In the case of doping, this takes place at least in the region of the minimum layer thickness mentioned. This means that at least one area that surrounds and adjoins the free end face of the center electrode (91) and has the minimum layer thickness contains the material mentioned.
  • the metal coating (93) and/or the metal doping on the end face (96) of the base body (92) can be made of different materials in some areas.
  • eight different sectors of the end face (96) can each be coated with an individual material or an individual material composition.
  • one Strip-shaped, ring-shaped, etc. arrangement of the individual areas is conceivable.
  • Both the center electrode (91) and the ground electrode (61) form ignition electrodes (101, 111) of the ignition system (100).
  • these two ignition electrodes (101, 1111) are arranged rigidly with respect to one another.
  • the face of the central electrode (91) forms a first ignition surface (102).
  • the ignition surface (112) of the ground electrode (61) forms a second ignition surface (112).
  • the distance between the two ignition electrodes (101, 111) can also be variable.
  • the setting of the two ignition electrodes (101, 111) relative to one another can be carried out continuously or in stages.
  • the ground electrode (61) has an electrode base body (62), which consists for example of a nickel-chromium alloy, and a metal coating (63). It can also have a doping.
  • the material of the coating (63) and/or the doping comes from the same chemical groups as the material of the center electrode (91).
  • the materials of the two ignition electrodes (101, 111) are matched to one another in such a way that each of the ignition electrodes (101; 111) has at least one material in the area of the respective ignition surface (102; 112) that is found in the other ignition electrode (111; 101 ) does not exist.
  • each individual ignition electrode (101; 111) can have at least one material in the metal coating (93; 63) and/or in the metal doping that is present on all other Ignition electrodes (111; 101) is not used.
  • the ignition electrodes (101, 111) can also be in the form of plate electrodes, ring electrodes, cylindrical electrodes, etc. For use, they can be charged with a direct current, an alternating current or a three-phase current. Such ignition electrodes (101, 111) are used, for example, to burn or melt a solid, liquid or gaseous feedstock whose melting temperature or ignition temperature is lower than the melting temperature of the ignition electrodes (101, 111). Such ignition electrodes (101, 111) can be used, for example, in gas discharge lamps, in flow heaters, in heating systems, in devices for thermal combustion, in thermal apparatus construction, etc.
  • FIGS. 3 - 6 show a device (10) for wear analysis of an ignition system (100).
  • the ignition system (100) shown in these figures is part of a spark plug (50).
  • This spark plug (50) is constructed, for example, as in connection with the Figures 1 and 2 described.
  • the spark plug connector (18) with an ignition cable (17) sits on the connection bolt (82).
  • the ignition cable (17) is connected to an ignition coil (16), which in turn is connected to a current and/or voltage source (11).
  • a first current tester (21), e.g. in the form of a current clamp, is arranged on the ignition cable (17). In the exemplary embodiment, this surrounds the ignition cable (17) by means of an induction coil.
  • a voltage tester (22) is arranged on the ignition cable (17). This determines the electrical voltage of the ignition cable (17) relative to a reference voltage, e.g. ground (15).
  • the current and/or voltage source (11) is a battery (11) with a nominal direct current voltage of 13.7 volts.
  • Your positive pole (12) is connected to the ignition coil (16).
  • the ground pole (13) of the battery (11) is by means of a Ground line (14) electrically connected to the housing (51) of the spark plug (50).
  • the ground pole (13) is connected to the ground (15).
  • a second current tester (23) is located on the ground wire (14). This second current tester (23) is constructed, for example, like the first current tester (21).
  • a voltage tester (22) can also be provided on the ground line (14).
  • the first current tester (21), the second current tester (23) and the voltage tester (22) are connected to parallel inputs (33) of an oscilloscope (32).
  • the ignition system (100) can be arranged in a heatable pressure chamber.
  • the entire spark plug (50) or the lower part of the spark plug (50) comprising the housing (51) below the thread (53) and the ignition system (100) can be arranged in such a pressure chamber.
  • the internal pressure of this pressure chamber can be adjustable, for example, between ambient pressure and a pressure of 7*10 5 Newtons per square meter.
  • the internal temperature of the pressure chamber can be adjusted, for example, between room temperature and a temperature of 850 degrees Celsius.
  • the interior can be filled with a non-ignitable gas, such as air, nitrogen, argon, etc., for example.
  • a programmable timing generator (24) controls a function generator (25).
  • This function generator (25) clocks the ignition coil (16). This turns the current flow in the spark plug (50) on and off.
  • the signal change can be binary or along a continuous or discontinuous ramp.
  • the clocking can be regular or irregular.
  • Both the controlled ignition duration and the ignition interruption can be variable. If necessary, the level of the ignition current and / or the ignition voltage using the Function generator (25) can be variably adjusted. For example, these variables can be varied stochastically—to simulate driving operations.
  • the clock signal from the function generator (25) is also fed to the oscilloscope (32) as an input signal.
  • a control and evaluation computer (34) is connected to the programmable time generator (24).
  • a control program for programming the programmable time generator (24), for example, is stored on this control and evaluation computer (34).
  • evaluation software is stored on the control and evaluation computer (34), for example for the visualization of digitally transmitted data.
  • a mathematical, e.g. statistical, evaluation of this data using the control and evaluation computer (34) is also conceivable.
  • the control and evaluation computer (34) together with the oscilloscope (32) forms a data acquisition device (31).
  • the oscilloscope (32) and the control and evaluation computer (34) are connected to one another for data transmission, for example by means of an evaluation line (35).
  • a camera (44) is controlled by means of the programmable time generator (24).
  • the camera (44) is designed, for example, as a so-called CCD camera (44).
  • the incident light is broken down into the primary colors, e.g. by means of prisms, which are then each fed to a semiconductor chip.
  • the output of each chip is a digital signal that is, for example, additionally amplified.
  • the output signal of the camera (44) is transmitted to an input (33) of the oscilloscope (32) by means of a data line (45).
  • the camera (44) is aligned with a spectrograph (43).
  • the spectrograph (43) has an upstream optical unit (42), for example a lens (42).
  • This lens (42) is aligned with the ignition space (103) between the two ignition electrodes (101, 111), for example. It has, for example, several optical lenses (46) and/or lens systems arranged one behind the other.
  • a light guide for example, can also be used as the optical unit (42).
  • the spectrograph (43) includes, for example, a lens, mirror and prism system (47) and at least one optical grating (48).
  • the optical image captured by the optical unit (42) is hereby broken down into its line spectrum. This line spectrum is recorded by the camera (44).
  • the camera (44) and its upstream spectrograph (43) form an image decomposition and conversion group (41).
  • this image decomposition and conversion group (41) which is constructed in two stages, for example, the captured image information is broken down into qualitative optical data characterizing the image information. This optical data is then digitized. For example, the intensity of the individual digital signal depends on the intensity of the respective characterizing image information.
  • the image decomposition and conversion group (41) can also comprise at least one photomultiplier each preceded by a filter.
  • a wavelength or a wavelength range of the incoming light is filtered out by means of the filter.
  • the intensity of this portion of light is then amplified by the photomultiplier and converted into a digital signal.
  • An absorption measurement is also conceivable.
  • a single monochromatic light component is also filtered out by means of a prism or an optical grating, which is then amplified in the form of an electronic signal.
  • the consideration of several wavelength ranges for example by using several optical gratings, is conceivable.
  • the use of an optical detector is also conceivable.
  • the programmable timer (24) is set to a desired clock frequency by means of the software of the control and evaluation computer (34). This clock frequency controls the function generator (25), which switches on the current of the ignition coil (16), for example briefly, with the corresponding frequency.
  • the function generator (25) outputs a square-wave signal.
  • the duty cycle is, for example, a quarter of the period of the programmable timer (24). The duty cycle can also be significantly shorter. For example, it can be a few milliseconds.
  • the voltage is increased relative to ground (15), for example to 40,000 volts. This voltage difference also builds up between the ignition electrodes (101, 111). This leads to a voltage flashover between the ignition electrodes (101, 111).
  • An ignition spark forms between the ignition electrodes (101, 111).
  • the distance between the two ignition electrodes (101, 111) is between 0.7 millimeters and 0.9 millimeters in the exemplary embodiment.
  • both an air spark gap and a surface spark gap are created between the different electrical potentials.
  • the air spark gap lies along the direct distance line between the two ignition surfaces (102, 112) of the ignition electrodes (101, 111).
  • the surface spark gap runs along the insulator foot (74).
  • Combustion residues on the insulator foot (74), for example, can be removed by means of the surface spark gap.
  • the ignition spark goes into an arc phase.
  • a plasma flow forms between the two ignition electrodes (101, 111).
  • This plasma stream has a Temperature up to around 5,000 degrees Celsius.
  • an air-gas mixture is ignited. This leads, for example, to an increase in temperature and pressure in the combustion chamber and to the displacement of a piston that limits the combustion chamber.
  • the spark duration is, for example, between one millisecond and one and a half milliseconds. After switching off the ignition voltage, the arc goes out in a short glowing phase.
  • the plasma flow that develops between the ignition electrodes (101, 111) during ignition causes, among other things, sublimation of the respective material of the ignition electrode (101, 111) and the eruption of individual atoms on the ignition surfaces (102, 112) of the ignition electrodes (101, 111). . If necessary, the materials of the ignition electrodes (101, 111) can also melt locally. These mechanisms cause, among other things, wear on the ignition electrodes (101, 111). This can lead to a change in the distance between the ignition electrodes (101, 111) and thus to a greater need for ignition energy.
  • the wear on the second ignition electrode (111) used as cathode (113) is generally higher than the wear on the first ignition electrode (101) wired as anode (104).
  • the spectrograph (43) is constructed or adjusted in such a way that it only forwards two spectral lines, for example. On the one hand, this is a characteristic spectral line of the individual material of the first ignition electrode (101) and on the other hand, this is a characteristic spectral line of the individual material of the second ignition electrode (111). These two spectral lines are selected in such a way that they can be recognized from the total emission spectrum of the plasma. For example, the optical grating (48) of the spectrograph (43) is adjusted accordingly to select the characteristic wavelengths.
  • the camera (44) records the signals of the spectral lines and forwards them to the oscilloscope (32).
  • the image of the spectral lines is assigned to the signals of the function generator (25), the current tester (21, 23) and the voltage tester (22).
  • the results of the time-resolved signals can be visualized, for example, using the control and evaluation computer (34). It is also conceivable to compress the data for evaluation, e.g. over a specified number of ignitions or over a time interval.
  • the width and/or the height of the image of the individual spectral line evaluated in the oscilloscope (32) and/or in the control and evaluation computer (34) is a measure of the intensity of the signal. This results, for example, in a removal rate of the material of the individual ignition electrodes (101, 111). Due to the different spectral ranges of the individual lines, the wear on the first ignition electrode (101) and the wear on the second ignition electrode (111) can be evaluated separately. The time resolution also enables the wear mechanisms to be assigned to the ignition phase, the arc phase or the glow phase.
  • Individual materials with different sublimation temperatures can also be attached to the individual ignition electrodes (101, 111). be used. In this way, for example, different stages of wear can be recognized and evaluated.
  • the figures 6 and 7 show a variant of the device (10) for wear analysis.
  • An ignition control unit (25) controls the ignition coil (16).
  • the ignition control device (25) is constructed here, for example, like the function generator (25) described in connection with the first exemplary embodiment.
  • the output signal can be a square wave, a pulse signal, a ramp signal, etc.
  • the output signal can rise to a maximum value and/or fall from a maximum value.
  • the ramp can, for example, be continuous or stepped.
  • the spark plug (50) with the ignition system (100) and the image decomposition and conversion group (41) are designed as described in connection with the first exemplary embodiment.
  • the current tester or testers (21; 23) and the voltage tester (22) of the device (10) are connected to the oscilloscope (32) by means of electrical lines (26).
  • the camera (44) of the image decomposition and conversion group (41) is also connected to the oscilloscope (32) by means of a data line (45).
  • the oscilloscope (32) is further connected to a programmable timing generator (24) which controls the image decomposition and conversion group (41). Both the programmable time generator (24) and the spectral ranges to be observed, e.g. of the emission spectrum, can be set by means of the control and evaluation computer (34).
  • the flow of current from the power source (11) to the ignition coil (16) and thus the ignition of the ignition system (100) is controlled by means of the ignition control unit (25).
  • the test values of the current and/or the voltage are dem Oscilloscope (32) supplied.
  • the oscilloscope (32) controls the programmable time generator (24), which in turn controls the exposure interval of the camera (44). This exposure interval is reported back to the oscilloscope (32). There it is assigned to the respective test value of the current and/or the voltage.
  • the images of the spectrograph (43) recorded by the camera (44) are transmitted to the control and evaluation computer (34).
  • the data from the oscilloscope (32) are transmitted to the control and evaluation computer (34).
  • the software of the control and evaluation computer (34) enables the data to be visualized, for example.
  • the overall wear of the ignition system (100) can be assigned to the individual ignition electrodes (101, 111) or to the zones of the individual ignition electrodes (101, 111).
  • the width and/or the height, for example, of the visualized signal can be used as a measure of the erosion or the erosion rate at the individual ignition electrode (101, 111).
  • control and evaluation computer (34) is configured with the functions of an oscilloscope
  • the oscilloscope (32) can be omitted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschleißanalyse zueinander beabstandeter Zündelektroden, mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle und mit mindestens zwei mit der Strom- und/oder Spannungsquelle elektrisch verbundenen, ein Zündsystem bildenden Zündelektroden sowie ein Verfahren zur Verschleißanalyse an Zündelektroden mittels einer derartigen Vorrichtung. Jede der Zündelektroden weist zumindest in einem an eine Zündfläche angrenzenden Bereich einen individuellen metallischen Werkstoff der dritten bis zwölften Nebengruppe mit stabilen Isotopen auf. Außerdem ist eine mit einer Datenerfassungsvorrichtung mittels Datenleitungen verbundene Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe auf den mittels der Zündelektroden begrenzten Zündraum des Zündsystems ausgerichtet.Mit der vorliegenden Erfindung wird der Verschleiß von Zündelektroden ohne Zerstörung des Zündsystems zeitnah den einzelnen Zündelektroden zugeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschleißanalyse zueinander beabstandeter Zündelektroden, mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle und mit mindestens zwei mit der Strom- und/oder Spannungsquelle elektrisch verbundenen, ein Zündsystem bildenden Zündelektroden sowie ein Verfahren zur Verschleißanalyse an Zündelektroden mittels einer derartigen Vorrichtung.
  • Aus der DE 10 2006 011 886 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur indirekten Bestimmung des Verschleißes an Zündkerzen durch Erfassung von Betriebsparametern der Verbrennungsmaschine bekannt.
  • Die DE 10 2012 010 177 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein ähnliches Verfahren, bei dem zusätzlich die Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine gewichtet werden.
  • Gemäß der EP 3 578 804 A1 soll der Verschleiß einer Zündkerze durch einen Vergleich ihrer Stromanstiegsrate vor dem Zünden in zwei voneinander beabstandeten Zeitintervallen ermittelt werden.
  • Bei diesen Verfahren wird der Verschleiß indirekt aus der Messung von Strömen und Spannungen ermittelt. Andere Analyseverfahren wie eine Dauerlaufprüfung, eine gravimetrische, optische oder mechanische Verschleißmessung, etc. erfordern eine lange Versuchsdauer und/oder sind nur unter Zerstörung des Zündsystems durchführbar.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, den Verschleiß von Zündelektroden ohne Zerstörung des Zündsystems zeitnah den einzelnen Zündelektroden zuzuordnen.
  • Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu weist jede der Zündelektroden zumindest in einem an eine Zündfläche angrenzenden Bereich einen individuellen metallischen Werkstoff der dritten bis zwölften Nebengruppe mit stabilen Isotopen auf. Außerdem ist eine mit einer Datenerfassungsvorrichtung mittels Datenleitungen verbundene Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe auf den mittels der Zündelektroden begrenzten Zündraum des Zündsystems ausgerichtet.
  • Beim Verfahren zur Verschleißanalyse wird mittels Einschalten der Stromquelle zumindest ein Spannungsüberschlag zwischen den Zündelektroden unter Bildung eines Zündfunkens erzeugt. Außerdem visualisiert die Datenerfassungsvorrichtung die von der Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe übermittelten charakteristischen Spektrallinien der individuellen Werkstoffe.
  • Beim Zünden des Zündsystems und in der nachfolgenden Bogenphase wird der Werkstoff der jeweiligen Zündelektrode an der Zündfläche sublimiert und/oder zerstäubt. Aus dem hierbei entstehenden Plasmastrom wird mittels der Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe jeweils mindestens eine charakteristische Spektrallinie derjenigen Werkstoffe aufgenommen, die nur an jeweils einer Zündelektrode vorhanden sind. Diese Spektrallinien werden zumindest mit einem Betriebsparameter des Zündsystems, z.B. dem Zündstrom, der Zündspannung, dem Zündimpuls, etc. korreliert. Das Ergebnis dieser Korrelation wird mittels der Datenerfassungsvorrichtung ausgewertet und optisch angezeigt. Dies ermöglicht eine in-situ Verschleißmessung und eine Zuordnung des Verschleißes zu der einzelnen Zündelektrode. Hierdurch ergeben sich Rückschlüsse auf die im Zündfunken auftretenden Phänomene.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen.
    • Figur 1:
    Zündkerze;
    Figur 2:
    Detail des Zündsystems der Figur 1;
    Figur 3:
    Aufbau einer Vorrichtung zur Verschleißanalyse;
    Figur 4:
    Ablaufdiagramm der Vorrichtung nach Figur 3;
    Figur 5:
    Zeitlicher Ablauf der Vorrichtung nach Figur 3;
    Figur 6:
    Ablaufplan einer alternativen Vorrichtung;
    Figur 7:
    Zeitlicher Ablauf der Vorrichtung nach Figur 6.
  • Die Figur 1 und 2 zeigen eine Zündkerze (50) und ein Detail des Zündsystems (100) einer derartigen Zündkerze (50). Derartige Zündkerzen (50) werden beispielsweise in Motoren zum Fremdzünden eines Luft-Gas-Gemischs in einem Brennraum eingesetzt. Die Zündkerze (50) hat hierfür ein Zündsystem (100), das mindestens zwei zueinander beabstandete Zündelektroden (101, 111) aufweist. Beim Betrieb der Zündkerze (50) entzündet ein zwischen den Zündelektroden (101, 111) überspringender Zündfunke z.B. das Luft-Gas-Gemisch.
  • Die Zündkerze (50) hat ein Gehäuse (51), das beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, z.B. Stahl, besteht. Es ist elektrisch leitend ausgebildet. An seiner Mantelfläche (52) hat das topfförmig ausgebildete Gehäuse (51) ein Gewinde (53), einen Dichtsitz (54) und mindestens zwei einander gegenüberliegende Schlüsselflächen (55). Das Gewinde (53) ist beispielsweise als Feingewinde ausgebildet. Der Dichtsitz (54) kann flach oder kegelig ausgebildet sein. Die Mantelfläche (52) des Gehäuses (51) kann beschichtet sein. Beispielsweise kann sie eine Nickelbeschichtung tragen. Zwischen den Schlüsselflächen (55) und dem Dichtsitz (54) ist z.B. eine Stauchzone (56) ausgebildet. An der Fußseite (57) des Gehäuses (51) ist eine Masseelektrode (61) angeformt. Die Masseelektrode (61) kann auch in das Gehäuse (51) eingesetzt sein. Sie kragt aus dem Gehäuse (51) heraus und ist im Ausführungsbeispiel bogenförmig zur Längsachse (59) der Zündkerze (50) geführt. Die Masseelektrode (61) hat einen z.B. rechteckigen Querschnitt. Die eine zweite Zündelektrode (111) des Zündsystems (100) bildende Masseelektrode (61) hat beispielsweise eine in einer Normalenebene zur Längsachse (59) orientierte, von der Längsachse (59) durchdrungene Zündfläche (112). Auch eine andere Gestaltung der Masseelektrode (61) ist denkbar. So kann diese beispielsweise neben einem gedachten Zylinder angeordnet sein, dessen Mittellinie mit der Längsachse (59) zusammenfällt. Auch ist es denkbar, das Zündsystem (100) mit mehr als einer Masseelektrode (61) auszubilden. Bei einer Ausführung mit mehreren Masseelektroden (61) können diese beispielsweise in gleichmäßiger Teilung an der Stirnseite des Gehäuses (51) angeordnet sein.
  • Im Gehäuse (51) sitzt z.B. formschlüssig gesichert ein Isolator (71). Beispielsweise kann der Isolator (71) mittels Talkumdichtungen im Gehäuse (51) abgedichtet sein. Der Isolator (71) besteht z.B. aus einem keramischen Werkstoff, z.B. Aluminiumoxid (Al2O3). Er ist rotationssymmetrisch ausgebildet. In seinem aus dem Gehäuse (51) herausstehenden oberen Ende ist die Isolatormantelfläche (72) gestuft ausgebildet. Diese Stufen (73) vergrößern die Länge der Isolatormantelfläche (72) in axialer Richtung. Sie bilden damit eine Kriechstrombremse. Außerhalb des Gehäuses (51) ist die Isolatormantelfläche (72) beispielsweise glasiert.
  • In der Längsrichtung (75) der Zündkerze (50) durchdringt ein Mittelleiter (81) den Isolator (71). Der Mittelleiter (81) und der Isolator (71) sind koaxial zueinander angeordnet. Beispielsweise besteht zumindest bereichsweise zwischen dem Mittelleiter (81) und dem Isolator (71) ein Luftspalt (76).
  • Der Mittelleiter (81) umfasst einen Anschlussbolzen (82), einen Entstörwiderstand (88) und eine Mittelelektrode (91). Der auch als Zündstift (82) bezeichnete Anschlussbolzen (82) ist beispielsweise aus Stahl hergestellt. Er ragt mit einem Anschlussende (83) aus dem Isolator (71) heraus. Dieses Anschlussende (83) hat z.B. eine Rastkerbe (84) zum Einrasten eines Zündkerzensteckers (18), vgl. Figur 3. Auch eine andere Ausbildung des Anschlussendes (83), z.B. als Außengewinde, ist denkbar. Mit dem dem Anschlussende (83) abgewandten inneren Ende (85) sitzt der Anschlussbolzen (82) gasdicht eingeschlossen im Entstörwiderstand (88).
  • Der Entstörwiderstand (88) ist als elektrisch leitfähige Glasschmelze ausgebildet. Beispielsweise ist dies ein Kupferglas. Dieses ist beispielsweise durch Beimengungen auf ein vorgegebenes Widerstandswert eingestellt, um z.B. gewünschte Entstöreigenschaften und/oder eine gewünschte Abbrandfestigkeit zu erreichen. Der Entstörwiderstand (88) bildet die elektrische Verbindung zwischen dem Anschlussbolzen (82) und der Mittelelektrode (91) .
  • Die Mittelelektrode (91) ist ebenfalls im Entstörwiderstand (88) fixiert. Sie ragt aus dem Isolatorfuß (74) heraus. Die Mittelelektrode (91) hat einen zur Längsachse (59) rotationssymmetrischen Querschnitt. Sie besteht aus einem oder aus mehreren metallischen Werkstoffen. Im Ausführungsbeispiel ist sie als Grundkörper (92) mit einer Beschichtung (93) ausgeführt, vgl. Figur 2. Auch eine Ausführung des Grundkörpers (92) ohne Beschichtung ist denkbar.
  • In den Darstellungen der Figuren 1 und 2 besteht der Grundkörper (91) der Mittelelektrode (91) aus einem Verbundmaterial. Dies ist beispielsweise ein mit einem Nickelmantel (95) ummantelter Kupferkern (94). Beim Einsatz eines legierten Grundkörpers () kann dieser z.B. aus 60 % Iridium, 30 % Rhodium, 3 % Yttrium, 4 % Nickel und 3 % Ruthenium bestehen. Diese genannte Zusammensetzung bezieht sich z.B. auf die Massenanteile der einzelnen Komponenten.
  • Die Metallbeschichtung (93) ist zumindest auf der der Masseelektrode (61) zugewandten Stirnfläche (96) des Grundkörpers (92) aufgebracht. Auch eine Dotierung dieser Stirnfläche (96) ist denkbar. Als Werkstoff einer Metallbeschichtung (93) oder einer Dotierung kann z.B. Platin, Gold, Titan, Zink, Cadmium, Vanadin, Eisen, Zirkonium, etc. eingesetzt werden. Sämtliche Werkstoffe des Grundkörpers (92) und/oder der Metallbeschichtung (93) bzw. der Dotierung sind nicht-radioaktive Werkstoffe der 3. bis 12. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente. Hierbei ist die dritte Nebengruppe die Scandiumgruppe, die vierte Nebengruppe die Titangruppe, die fünfte Nebengruppe die Vanadiumgruppe, die sechste Nebengruppe die Chromgruppe, die siebte Nebengruppe die Mangangruppe, die achte Nebengruppe die Eisengruppe, die neunte Nebengruppe die Kobaltgruppe, die zehnte Nebengruppe die Nickelgruppe, die elfte Nebengruppe die Kupfergruppe und die zwölfte Nebengruppe die Zinkgruppe. Die Atome dieser Werkstoffe haben beispielsweise in mindestens zwei Schalen freie Valenzelektronen und damit mindestens zwei unterschiedliche Oxidationszahlen. Die Dicke der Metallbeschichtung (93) beträgt beispielsweise zwischen 10 Mikrometern und 50 Mikrometern. Bei einer Dotierung erfolgt diese zumindest im Bereich der genannten Mindestschichtdicke. Damit enthält zumindest ein die freie Stirnseite der Mittelelektrode (91) umfassender und an diese angrenzender, die Mindestschichtdicke aufweisender Bereich den genannten Werkstoff.
  • Es ist auch denkbar, die Metallbeschichtung (93) und/oder die Metalldotierung auf der Stirnfläche (96) des Grundkörpers (92) bereichsweise mit unterschiedlichen Werkstoffen auszuführen. So können z.B. acht verschiedene Sektoren der Stirnfläche (96) jeweils mit einem individuellen Werkstoff oder einer individuellen Werkstoffzusammensetzung beschichtet sein. Auch eine streifenförmige, ringförmige, etc. Anordnung der einzelnen Bereiche ist denkbar.
  • Sowohl die Mittelelektrode (91) als auch die Masseelektrode (61) bilden Zündelektroden (101, 111) des Zündsystems (100). Diese beiden Zündelektroden (101, 1111) sind im Ausführungsbeispiel starr zueinander angeordnet. Im Ausführungsbeispiel bildet die Stirnseite der Mittelelektrode (91) eine erste Zündfläche (102). Die Zündfläche (112) der Masseelektrode (61) bildet eine zweite Zündfläche (112). Je nach Aufbau des Zündsystems (100) kann der Abstand der beiden Zündelektroden (101, 111) zueinander jedoch auch variabel sein. Die Einstellung der beiden Zündelektroden (101, 111) zueinander kann hierbei stufenlos oder in Stufen erfolgen.
  • Die Masseelektrode (61) hat im Ausführungsbeispiel einen Elektrodengrundkörper (62), der beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung besteht, und eine Metallbeschichtung (63). Sie kann auch eine Dotierung aufweisen. Der Werkstoff der Beschichtung (63) und/oder der Dotierung stammt dabei aus den gleichen chemischen Gruppen wie der Werkstoff der Mittelelektrode (91). Hierbei sind die Werkstoffe der beiden Zündelektroden (101, 111) so aufeinander abgestimmt, dass jede der Zündelektroden (101; 111) im Bereich der jeweiligen Zündfläche (102; 112) mindestens einen Werkstoff aufweist, der in der jeweils anderen Zündelektrode (111; 101) nicht vorhanden ist. Bei einer Ausführung des Zündsystems (100) mit mehr als zwei Zündelektroden (101, 111) kann jede einzelne Zündelektrode (101; 111) mindestens einen Werkstoff in der Metallbeschichtung (93; 63) und/oder in der Metalldotierung aufweisen, der an allen anderen Zündelektroden (111; 101) nicht eingesetzt ist.
  • Die Zündelektroden (101, 111) können auch als Plattenelektroden, als Ringelektroden, als zylinderförmige Elektroden, etc. ausgebildet sein. Für den Einsatz können sie mit einem Gleichstrom, einem Wechselstrom oder einem Drehstrom beaufschlagt werden. Derartige Zündelektroden (101, 111) dienen beispielsweise zum Verbrennen oder zum Schmelzen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Einsatzstoffes, dessen Schmelztemperatur oder Zündtemperatur niedriger ist als die Schmelztemperatur der Zündelektroden (101, 111). Derartige Zündelektroden (101, 111) können z.B. in Gasentladungslampen, in Durchlauferhitzern, in Heizsystemen, im Vorrichtungen zur thermischen Verbrennung, im thermischen Apparatebau, etc. eingesetzt werden.
  • Die Figuren 3 - 6 zeigen eine Vorrichtung (10) zur Verschleißanalyse eines Zündsystems (100). Das in diesen Figuren dargestellte Zündsystem (100) ist Teil einer Zündkerze (50). Diese Zündkerze (50) ist beispielsweise so aufgebaut, wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben.
  • Auf dem Anschlussbolzen (82) sitzt der Zündkerzenstecker (18) mit einem Zündkabel (17). Das Zündkabel (17) ist an einer Zündspule (16) angeschlossen, die wiederum mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (11) verbunden ist. Am Zündkabel (17) ist ein erster Stromprüfer (21), z.B. in der Bauform einer Stromzange, angeordnet. Dieser umgreift im Ausführungsbeispiel das Zündkabel (17) mittels einer Induktionsspule. Weiterhin ist am Zündkabel (17) ein Spannungsprüfer (22) angeordnet. Dieser ermittelt die elektrische Spannung des Zündkabels (17) relativ zu einer Bezugsspannung, z.B. der Masse (15).
  • Die Strom- und/oder Spannungsquelle (11) ist im Ausführungsbeispiel eine Batterie (11) mit einer Nenn-Gleichspannung von 13,7 Volt. Ihr Pluspol (12) ist mit der Zündspule (16) verbunden. Der Massepol (13) der Batterie (11) ist mittels einer Masseleitung (14) mit dem Gehäuse (51) der Zündkerze (50) elektrisch verbunden. Weiterhin ist der Massepol (13) mit der Masse (15) verbunden. An der Masseleitung (14) sitzt ein zweiter Stromprüfer (23). Dieser zweite Stromprüfer (23) ist beispielsweise so aufgebaut wie der erste Stromprüfer (21). Auch an der Masseleitung (14) kann ein Spannungsprüfer (22) vorgesehen sein.
  • Der erste Stromprüfer (21), der zweite Stromprüfer (23) und der Spannungsprüfer (22) sind an einander parallelen Eingängen (33) eines Oszilloskops (32) angeschlossen.
  • Das Zündsystem (100) kann in einer beheizbaren Druckkammer angeordnet sein. Im Ausführungsbeispiel kann die gesamte Zündkerze (50) oder der untere, das Gehäuse (51) unterhalb des Gewindes (53) und das Zündsystem (100) umfassende Teil der Zündkerze (50) in einer derartigen Druckkammer angeordnet sein. Der Innendruck dieser Druckkammer kann beispielsweise zwischen Umgebungsdruck und einem Druck von 7 * 105 Newton pro Quadratmeter einstellbar sein. Die Innentemperatur der Druckkammer ist z.B. zwischen Raumtemperatur und einer Temperatur von 850 Grad Celsius einstellbar. Der Innenraum kann hierbei z.B. mit einem nicht zündfähigen Gas, z.B. Luft, Stickstoff, Argon, etc. befüllt sein.
  • Ein programmierbarer Zeitgenerator (24) steuert einen Funktionsgenerator (25). Dieser Funktionsgenerator (25) taktet die Zündspule (16). Damit wird der Stromfluss in der Zündkerze (50) ein- und ausgeschaltet. Die Signaländerung kann binär oder entlang einer stetigen oder unstetigen Rampe erfolgen. Die Taktung kann regelmäßig oder unregelmäßig erfolgen. Hierbei kann sowohl die gesteuerte Zünddauer als auch die Zündunterbrechung variabel sein. Gegebenenfalls kann auch die Höhe des Zündstroms und/oder der Zündspannung mittels des Funktionsgenerators (25) variabel einstellbar sein. Beispielsweise können diese Größen - zur Simulation eines Fahrbetriebs - stochastisch variiert werden. Das Taktsignal des Funktionsgenerators (25) wird weiterhin als Eingangssignal auf das Oszilloskop (32) geleitet.
  • An den programmierbaren Zeitgenerator (24) ist ein Leit- und Auswerterechner (34) angeschlossen. Auf diesem Leit- und Auswerterechner (34) ist beispielsweise ein Steuerprogramm zur Programmierung des programmierbaren Zeitgenerators (24) gespeichert. Außerdem ist auf dem Leit- und Auswerterechner (34) Auswertesoftware beispielsweise zur Visualisierung digitaler übermittelter Daten gespeichert. Auch eine mathematische, z.B. statistische Auswertung dieser Daten mittels des Leit- und Auswerterechners (34) ist denkbar. Der Leit- und Auswerterechner (34) bildet zusammen mit dem Oszilloskop (32) eine Datenerfassungsvorrichtung (31). Das Oszilloskop (32) und der Leit- und Auswerterechner (34) sind zur Datenübertragung beispielsweise mittels einer Auswerteleitung (35) miteinander verbunden.
  • Mittels des programmierbaren Zeitgenerators (24) wird eine Kamera (44) angesteuert. Die Kamera (44) ist z.B. als sogenannte CCD-Kamera (44) ausgebildet. Das einfallende Licht wird z.B. mittels Prismen in die Grundfarben zerlegt, die dann jeweils einem Halbleiterchip zugeleitet werden. Die Ausgabe eines jeden Chips ist ein digitales Signal, das beispielsweise zusätzlich verstärkt ist. Das Ausgangssignal der Kamera (44) wird mittels einer Datenleitung (45) an einen Eingang (33) des Oszilloskops (32) übertragen.
  • Die Kamera (44) ist auf einen Spektrographen (43) ausgerichtet. Der Spektrograph (43) hat eine vorgeschaltete optische Einheit (42), z.B. ein Objektiv (42). Dieses Objektiv (42) ist auf den Zündraum (103) zwischen den z.B. zwei Zündelektroden (101, 111) ausgerichtet. Es weist z.B. mehrere hintereinander angeordnete optische Linsen (46) und/oder Linsensysteme auf. Anstatt eines Objektivs (42) kann als optische Einheit (42) z.B. auch ein Lichtleiter eingesetzt werden.
  • Der Spektrograph (43) umfasst beispielsweise ein Linsen-, Spiegel- und Prismensystem (47) sowie mindestens ein optisches Gitter (48). Das mittels der optischen Einheit (42) erfasste optische Bild wird hiermit in sein Linienspektrum zerlegt. Dieses Linienspektrum wird mittels der Kamera (44) aufgenommen.
  • Die Kamera (44) und der ihr vorgeschaltete Spektrograph (43) bilden eine Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41). Mittels dieser z.B. zweistufig aufgebauten Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) werden die erfassten Bildinformationen in qualititative, die Bildinformation charakterisierende optische Daten zerlegt. Diese optischen Daten werden anschließend digitalisiert. Beispielsweise ist die Intensität des einzelnen digitalen Signals abhängig von der Intensität der jeweiligen charakterisierenden Bildinformation.
  • Die Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) kann auch mindestens einen Photomultiplier mit jeweils einem vorgeschalteten Filter aufweisen. In diesem Fall wird mittels des Filters z.B. eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich des ankommenden Lichtes ausgefiltert. Die Intensität dieses Lichtanteils wird dann mittels des Photomultipliers verstärkt und in ein digitales Signal umgewandelt. Auch eine Absorptionsmessung ist denkbar. Hierbei wird ebenfalls mittels eines Prismas oder eines optischen Gitters ein einzelner monochromatischer Lichtanteil ausgefiltert, der dann in Form eines elektronischen Signals verstärkt wird. Auch bei einer Absorptionsmessung ist die Betrachtung mehrerer Wellenlängenbereiche z.B. durch Einsatz mehrerer optischer Gitter denkbar. Auch der Einsatz eines optischen Detektors ist denkbar.
  • Zum Betrieb der in den Figuren 3 - 5 dargestellten Vorrichtung (10) wird mittels der Software des Leit- und Auswerterechners (34) der programmierbare Zeitgeber (24) auf eine gewünschte Taktfrequenz eingestellt. Diese Taktfrequenz steuert den Funktionsgenerator (25), der mit der entsprechenden Frequenz den Strom der Zündspule (16) z.B. kurzzeitig einschaltet. Im Ausführungsbeispiel gibt der Funktionsgenerator (25) ein Rechtecksignal aus. Die Einschaltdauer beträgt beispielsweise ein Viertel der Periodendauer des programmierbaren Zeitgebers (24). Die Einschaltdauer kann auch erheblich kürzer sein. Beispielsweise kann sie wenige Millisekunden betragen.
  • In der Zündspule (16) wird die Spannung gegenüber der Masse (15) z.B. auf 40.000 Volt erhöht. Diese Spannungsdifferenz baut sich auch zwischen den Zündelektroden (101, 111) auf. Dies führt zum Spannungsüberschlag zwischen den Zündelektroden (101, 111). Zwischen den Zündelektroden (101, 111) bildet sich ein Zündfunken. Der Abstand der beiden Zündelektroden (101, 111) beträgt im Ausführungsbeispiel zwischen 0,7 Millimeter und 0,9 Millimeter. Bei der Zündung entsteht sowohl eine Luftfunkenstrecke als auch eine Gleitfunkenstrecke zwischen den verschiedenen elektrischen Potentialen. Die Luftfunkenstrecke liegt entlang der direkten Abstandslinie zwischen den beiden Zündflächen (102, 112) der Zündelektroden (101, 111). Die Gleitfunkenstrecke verläuft entlang des Isolatorfußes (74). Mittels der Gleitfunkenstrecke können beispielsweise Verbrennungsrückstände am Isolatorfuß (74) beseitigt werden. Nach dem Zünden geht der Zündfunke in eine Bogenphase über. Hierbei bildet sich ein Plasmastrom zwischen den beiden Zündelektroden (101, 111). Dieser Plasmastrom hat eine Temperatur bis etwa 5.000 Grad Celsius. Beim Einsatz eines derartigen Zündsystems (100) in einem Brennraum wird beispielsweise ein Luft-Gas-Gemisch entzündet. Dies führt z.B. zur Temperaturerhöhung und Druckerhöhung im Brennraum und zur Verschiebung eines den Brennraum begrenzenden Kolbens. Die Funkendauer beträgt beispielsweise zwischen einer Millisekunde und anderthalb Millisekunden. Nach dem Abschalten der Zündspannung verlöscht der Bogen in einer kurzen Glimmphase.
  • Der bei der Zündung sich ausbildende Plasmastrom zwischen den Zündelektroden (101, 111) führt an den Zündflächen (102, 112) der Zündelektroden (101, 111) u.a. zu einer Sublimation des jeweiligen Werkstoffs der Zündelektrode (101, 111) sowie zum Ausbruch einzelner Atome. Gegebenenfalls kann auch ein lokales Schmelzen der Werkstoffe der Zündelektroden (101, 111) erfolgen. Diese Mechanismen bewirken u.a. einen Verschleiß der Zündelektroden (101, 111). Dies kann zu einer Veränderung des Abstands der Zündelektroden (101, 111) und damit zu einem höheren Bedarf an Zündenergie führen. Bei der im Ausführungsbeispiel eingesetzten Gleichstromquelle (11) ist der Verschleiß an der als Kathode (113) eingesetzten zweiten Zündelektrode (111) im Allgemeinen höher als der Verschleiß an der als Anode (104) beschalteten ersten Zündelektrode (101).
  • In der Bogenphase werden an den Zündelektroden (101, 111) oberflächennahe Atome geschmolzen, sublimiert oder aus dem Metallgitter abgetrennt und ins Plasma überführt. Hierbei emittieren alle in die Gasphase überführten Werkstoffe werkstoffspezifische Spektrallinien.
  • Der Spektrograph (43) ist derart aufgebaut oder eingestellt, dass er beispielsweise nur zwei Spektrallinien weiterleitet. Zum einen ist dies eine charakteristische Spektrallinie des individuellen Werkstoffs der ersten Zündelektrode (101) und zum anderen ist dies eine charakteristische Spektrallinie des individuellen Werkstoffs der zweiten Zündelektrode (111). Diese beiden Spektrallinien sind derart ausgewählt, dass sie aus dem Gesamtemissionsspektrum des Plasmas erkennbar sind. Zur Auswahl der charakteristischen Wellenlängen werden beispielsweise die optischen Gitter (48) des Spektrographen (43) entsprechend eingestellt.
  • Die Kamera (44) nimmt, gesteuert vom Zeitgeber (24), die Signale der Spektrallinien auf und leitet diese an das Oszilloskop (32) weiter. Hier wird das Bild der Spektrallinien den Signalen des Funktionsgenerators (25), der Stromprüfer (21, 23) und des Spannungsprüfers (22) zugeordnet.
  • Die Ergebnisse der zeitaufgelösten Signale können beispielsweise mittels des Leit- und Auswerterechners (34) visualisiert werden. Auch ein Verdichten der Daten zur Auswertung z.B. über eine vorgegebene Anzahl von Zündungen oder über ein Zeitintervall ist denkbar.
  • Beispielsweise ist die Breite und/oder die Höhe des im Oszilloskop (32) und/oder im Leit- und Auswerterechners (34) ausgewerteten Bilds der einzelnen Spektrallinie ein Maß für die Intensität des Signals. Hieraus ergibt sich beispielsweise eine Abtragsrate des Werkstoffs der einzelnen Zündelektrode (101, 111). Aufgrund der unterschiedlichen Spektralbereiche der einzelnen Linien sind der Verschleiß der ersten Zündelektrode (101) und der Verschleiß der zweiten Zündelektrode (111) getrennt auswertbar. Die Zeitauflösung ermöglicht zudem eine Zuordnung der Verschleißmechanismen zur Zündphase, zur Bogenphase oder zur Glimmphase.
  • An den einzelnen Zündelektroden (101, 111) können auch individuelle Werkstoffe mit unterschiedlicher Sublimationstemperatur eingesetzt werden. Damit können beispielsweise unterschiedliche Stufen des Verschleißes erkannt und ausgewertet werden.
  • Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Variante der Vorrichtung (10) zur Verschleißanalyse. Ein Zündsteuergerät (25) steuert die Zündspule (16). Das Zündsteuergerät (25) ist hierbei beispielsweise so aufgebaut wie der im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Funktionsgenerator (25). Das Ausgangssignal kann ein Rechtecksignal, ein Impulssignal, ein Rampensignal, etc. sein. Beispielsweise bei einem Rampensignal kann das Ausgangssignal zu einem Maximalwert ansteigen und/oder von einem Maximalwert abfallen. Die Rampe kann hierbei z.B. stetig oder gestuft ausgebildet sein.
  • Die Zündkerze (50) mit dem Zündsystem (100) und die Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) sind in diesem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der oder die Stromprüfer (21; 23) sowie der Spannungsprüfer (22) der Vorrichtung (10) sind mit dem Oszilloskop (32) mittels elektrischer Leitungen (26) verbunden. Auch die Kamera (44) der Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) ist mit dem Oszilloskop (32) mittels einer Datenleitung (45) verbunden. Das Oszilloskop (32) ist weiterhin mit einem programmierbaren Zeitgenerator (24) verbunden, der die Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) steuert. Mittels des Leit- und Auswerterechners (34) sind sowohl der programmierbare Zeitgenerator (24) als auch die zu beobachtenden Spektralbereiche z.B. des Emissionsspektrums einstellbar.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung (10) wird mittels des Zündsteuergeräts (25) der Stromfluss von der Stromquelle (11) zur Zündspule (16) und damit die Zündung des Zündsystems (100) gesteuert. Die Prüfwerte des Stroms und/oder der Spannung werden dem Oszilloskop (32) zugeleitet. In Abhängigkeit dieses Signaleingangs steuert das Oszilloskop (32) den programmierbaren Zeitgenerator (24), der wiederum das Belichtungsintervall der Kamera (44) steuert. Dieses Belichtungsintervall wird an das Oszilloskop (32) zurückgemeldet. Dort wird es dem jeweiligen Prüfwert des Stroms und/oder der Spannung zugeordnet.
  • In dem genannten Belichtungsintervall werden die mittels der Kamera (44) aufgenommenen Bilder des Spektrographen (43) an den Leit- und Auswerterechner (34) übertragen. Gleichzeitig werden die Daten des Oszilloskops (32) an den Leit- und Auswerterechner (34) übertragen. Die Software des Leit- und Auswerterechners (34) ermöglicht beispielsweise eine Visualisierung der Daten. Damit kann auch in diesem Ausführungsbeispiel der Gesamtverschleiß des Zündsystems (100) den einzelnen Zündelektroden (101, 111) oder den Zonen der einzelnen Zündelektroden (101, 111) zugeordnet werden. Die Breite und/oder die Höhe beispielsweise des visualisierten Signals kann als Maß für den Abtrag oder die Abtragsrate an der einzelnen Zündelektrode (101, 111) eingesetzt werden.
  • Beispielsweise bei Ausbildung des Leit- und Auswerterechners (34) mit den genannten Funktionen eines Oszilloskops kann das Oszilloskop (32) entfallen.
  • Auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele sind denkbar.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Vorrichtung zur Verschleißanalyse
    11
    Strom- und/oder Spannungsquelle, Batterie
    12
    Pluspol
    13
    Massepol
    14
    Masseleitung
    15
    Masse
    16
    Zündspule
    17
    Zündkabel
    18
    Zündkerzenstecker
    21
    Stromprüfer, erster Stromprüfer
    22
    Spannungsprüfer
    23
    Stromprüfer, zweiter Stromprüfer
    24
    programmierbarer Zeitgenerator
    25
    Funktionsgenerator, Zündsteuergerät
    26
    elektrische Leitungen
    31
    Datenerfassungsvorrichtung
    32
    Oszilloskop
    33
    Eingänge von (32)
    34
    Leit- und Auswerterechner
    35
    Auswerteleitung
    41
    Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe
    42
    optische Einheit, Objektiv
    43
    Spektrograph
    44
    Kamera, CCD-Kamera
    45
    Datenleitung
    46
    Linsen
    47
    Linsen-, Spiegel- und Prismensystem
    48
    optisches Gitter
    50
    Zündkerze
    51
    Gehäuse
    52
    Mantelfläche
    53
    Gewinde
    54
    Dichtsitz
    55
    Schlüsselflächen
    56
    Stauchzone
    57
    Fußseite
    59
    Längsachse
    61
    Masseelektrode
    62
    Elektrodengrundkörper
    63
    Metallbeschichtung
    71
    Isolator
    72
    Isolatormantelfläche
    73
    Stufen
    74
    Isolatorfuß
    75
    Längsrichtung
    76
    Luftspalt
    81
    Mittelleiter
    82
    Anschlussbolzen, Zündstift
    83
    Anschlussende
    84
    Rastkerbe
    85
    inneres Ende
    88
    Entstörwiderstand
    91
    Mittelelektrode
    92
    Grundkörper
    93
    Beschichtung, Metallbeschichtung
    94
    Kupferkern
    95
    Nickelmantel
    96
    Stirnfläche von (92)
    100
    Zündsystem
    101
    Zündelektrode, erste Zündelektrode
    102
    Zündfläche
    103
    Zündraum
    104
    Anode
    111
    Zündelektrode, zweite Zündelektrode
    112
    Zündfläche
    113
    Kathode

Claims (9)

  1. Vorrichtung (10) zur Verschleißanalyse zueinander beabstandeter Zündelektroden (101, 111), mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (11) und mit mindestens zwei mit der Strom- und/oder Spannungsquelle (11) elektrisch verbundenen, ein Zündsystem (100) bildenden Zündelektroden (101, 111), dadurch gekennzeichnet,
    - dass jede der Zündelektroden (101; 111) zumindest in einem an eine Zündfläche (102; 112) angrenzenden Bereich einen individuellen metallischen Werkstoff der dritten bis zwölften Nebengruppe mit stabilen Isotopen aufweist und
    - dass eine mit einer Datenerfassungsvorrichtung (31) mittels Datenleitungen (45) verbundene Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) auf den mittels der Zündelektroden (101, 111) begrenzten Zündraum (103) des Zündsystems (100) ausgerichtet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündelektroden (101, 111) starr zueinander angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- und/oder Spannungsquelle (11) eine Gleichstromquelle ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens eine der elektrischen Verbindungen zwischen der Strom- und/oder Spannungsquelle (11) und den Zündelektroden (101; 111) ein mit der Datenerfassungsvorrichtung (31) elektrisch verbundener Stromprüfer (21; 23) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Datenerfassungsvorrichtung (31) verbundenes Zündsteuergerät (25) den Stromfluss zwischen der Stromquelle (11) und mindestens einer Zündelektrode (101; 111) schaltet oder steuert.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der individuelle Werkstoff jeweils einer der Zündelektroden (101; 111) einer der Werkstoffe Platin, Gold, Zink, Cadmium, Vanadin, Eisen oder Zirkonium ist.
  7. Verfahren zur Verschleißanalyse an Zündelektroden (101, 111) mittels einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1,
    - wobei mittels Einschalten der Strom- und/oder Spannungsquelle (11) zumindest ein Spannungsüberschlag zwischen den Zündelektroden (101, 111) unter Bildung eines Zündfunkens erzeugt wird und
    - wobei die Datenerfassungsvorrichtung (31) die von der Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) übermittelten charakteristischen Spektrallinien der individuellen Werkstoffe visualisiert.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass entweder ein Zündsteuergerät (25) oder das Überschreiten eines Schwellenwertes des Stromflusses zwischen der Strom- und/oder Spannungsquelle (11) und einer der Zündelektroden (101; 111) die Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) schaltet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenerfassungsvorrichtung (31) die Daten des Zündsteuergeräts (25), des mindestens einen Stromprüfers (21; 23) und der Bildzerlegungs- und Umwandlungsgruppe (41) zeitgleich aufnimmt.
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