Titel:

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Stand der Technik

Verbrennungsmotoren, die mit nicht-selbstzündenden Kraftstoffen betrieben werden, können mit Hilfe einer Zündkerze gezündet werden. Eine derartige Zündkerze geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 214 057 Al hervor. Sie umfasst einen Isolator mit einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Hohlraum, in dem einenends eine Zentralelektrode und andernends eine Anschlusselektrode in der Weise aufgenommen sind, dass sie jeweils den Isolator überragen. Zwischen der Zent ralelektrode und der Anschlusselektrode ist ein elektrischer Widerstand ausgebildet. Ferner umfasst die Zündkerze eine Masseelektrode, die in einem Abstand zur Zentral elektrode angeordnet ist.

Wird über die Anschlusselektrode und den elektrischen Widerstand eine hohe Span nung an die Zentralelektrode angelegt, wird ein von der Zentralelektrode auf die Mas seelektrode überspringender Zündfunke erzeugt, an dessen thermischer Energie sich der Kraftstoff bzw. das in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet.

Zündkerzen der vorstehend genannten Art, insbesondere ihre elektrischen Widerstän de, unterliegen einem Alterungsprozess. Das heißt, dass ihre Lebensdauer begrenzt ist. Dabei weist die Alterung des elektrischen Widerstands einer Zündkerze in der Re gel einen charakteristischen Verlauf auf. Zunächst verringert sich der elektrische Wi derstand, was dazu führt, dass der Elektrodenabbrand bzw. Elektrodenverschleiß zu nimmt. Durch den verringerten elektrischen Widerstand wird ferner eine erhöhte elekt romagnetische Strahlung an die Umgebung abgegeben, die störend wirkt und daher auch als Störstrahlung bezeichnet wird. Kurz vor dem Lebensende der Zündkerze steigt in der Regel der elektrische Widerstand sprunghaft an, was den Ausfall des Zündfunkens zur Folge haben kann.

Um dies zu verhindern, wird die Zündkerze ausgetauscht, und zwar bevor sie ihr Le bensende erreicht hat. Da dieser Zeitpunkt nicht bekannt ist, erfolgt der Austausch auf Verdacht, das heißt in regelmäßigen Zeitabständen, die notwendige Wartungsintervalle definieren.

Wird der Zündkerzenwechsel zu früh vorgenommen, erweist sich dies als unwirtschaft lich. Insbesondere bei Großmotoren kann der Zündkerzenaustausch einen relevanten Kostenfaktor darstellen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors anzugeben, das durch länge re Wartungsintervalle Zeit und Kosten sparen hilft.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor geschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit ei nem Kraftstoff, der mit Hilfe einer Zündkerze gezündet wird, wird erfindungsgemäß die Alterung der Zündkerze, insbesondere die Alterung eines elektrischen Widerstands der Zündkerze, im Betrieb des Verbrennungsmotors überwacht, wobei zur Überwachung eine elektromagnetische Strahlung der Zündkerze erfasst wird. Wie eingangs bereits erwähnt, geht die Alterung der Zündkerze, insbesondere die Alte rung des elektrischen Widerstands der Zündkerze, mit einer erhöhten elektromagneti schen Strahlung der Zündkerze beim Zünden einher. Mit Erfassen der elektromagneti schen Strahlung kann eine entsprechende Erhöhung detektiert und als Hinweis auf ei ne Alterung des elektrischen Widerstands der Zündkerze genutzt werden. Somit kann im Betrieb des Verbrennungsmotors der Zustand der Zündkerze überwacht werden, und zwar ohne aufwendige Messungen ausführen und/oder die Zündkerze ausbauen zu müssen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erhöhte elektromagneti sche Strahlung der Zündkerze bei vermindertem elektrischen Widerstand genutzt, um die Alterung der Zündkerze bzw. des elektrischen Widerstands der Zündkerze zu be stimmen.

Anhand der erfassten elektromagnetischen Strahlung der Zündkerze kann bestimmt werden, ob ein Austausch der Zündkerze erforderlich ist oder ansteht. Das heißt, dass der Austausch erfolgt, wenn er angezeigt ist, und nicht aufgrund Zeitablauf oder - im Falle eines Fahrzeugs - aufgrund der gefahrenen Kilometer. Die Wartungsintervalle werden dadurch länger, was sich zeit- und kostensparend auswirkt. Im Ergebnis kann somit der Verbrennungsmotor wirtschaftlicher betrieben werden.

Bevorzugt wird auf der Grundlage der erfassten elektromagnetischen Strahlung der ak tuelle elektrische Widerstand der Zündkerze bestimmt. Dies setzt voraus, dass die an fängliche elektromagnetische Strahlung der Zündkerze bekannt ist oder zuvor erfasst worden ist, so dass eine Erhöhung der elektromagnetischen Strahlung als solche er kannt wird. Über das Maß der Erhöhung kann auf den aktuellen elektrischen Wider stand geschlossen werden.

Des Weiteren bevorzugt werden Veränderungen der elektromagnetischen Strahlung der Zündkerze erfasst und mit einem charakteristischen Widerstandsverlauf eines be kannten Verschleißmodells abgeglichen. Dieses lässt eine sehr genaue Bestimmung des aktuellen elektrischen Widerstands der Zündkerze zu.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass auf der Grundlage der erfass ten Veränderungen der elektromagnetischen Strahlung und des bekannten Ver schleißmodells die verbleibende Lebensdauer der Zündkerze bis zu ihrem Ausfall ge- schätzt wird. Das heißt, dass der Ausfall der Zündkerze prognostiziert wird. Anhand der Prognose kann dann der Zeitpunkt festgelegt werden, wann spätestens der Austausch der Zündkerze zu erfolgen hat. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit kann die Prognose innerhalb eines Konfidenzbandes getroffen werden.

Vorteilhafterweise wird auf der Grundlage der erfassten elektromagnetischen Strahlung eine Anpassung der Betriebsstrategie vorgenommen. Dies gilt insbesondere, wenn ei ne Veränderung der elektromagnetischen Strahlung festgestellt wurde, aus der auf ei ne Alterung der Zündkerze bzw. des es elektrischen Widerstands der Zündkerze ge schlossen werden kann. Wird auf Basis dieser Information die Betriebsstrategie ange passt, kann der Alterungsprozess aufgehalten oder verlangsamt werden. Beispielswei se kann ein auf eine erhöhte elektromagnetische Strahlung zurückzuführender vorzei tiger Elektrodenverschleiß verhindert werden, wenn die Betriebsstrategie angepasst wird. Das Anpassen der Betriebsstrategie kann zum Beispiel ein Ändern des

Schließwinkels umfassen. Alterungsbedingte Nachteile, wie beispielsweise ein erhöh ter Elektrodenabbrand und/oder eine erhöhte elektromagnetische Einkopplung, kann bzw. können auf diese Weise kompensiert werden. In der Folge können somit die War tungsintervalle weiter verlängert werden.

Zum Erfassen der elektromagnetischen Strahlung der Zündkerze wird vorzugsweise ein Strahlungsempfänger, beispielsweise eine Antenne, verwendet. Der Strahlungs empfänger kann zum Beispiel innerhalb des Motorraums des Verbrennungsmotors verbaut sein. Wird eine Antenne als Strahlungsempfänger verwendet, handelt es sich vorzugsweise um eine gerichtete Antenne, um Störquellen zu vermeiden.

Beim Erfassen der elektromagnetischen Strahlung der Zündkerze werden Daten, ins besondere Messdaten, generiert. Diese müssen ausgewertet werden, um hieraus die gewünschten Informationen zu erhalten. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung werden die beim Erfassen der elektromagnetischen Strahlung generierten Daten in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors verarbeitet, insbe sondere ausgewertet. Das Steuergerät des Verbrennungsmotors hat in der Regel Zu griff auf alle relevanten Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, so dass diese bei Bedarf bei der Auswertung der Daten berücksichtigt werden können. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts bei Bedarf gleich eine Anpassung der Betriebsstrategie durch- geführt werden. Auf dem Steuergerät ist hierzu bevorzugt eine geeignete Logik hinter legt.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass beim Erfassen der elektromagne tischen Strahlung generierte Daten in einem externen Steuergerät und/oder in einer ex ternen Auswerteeinrichtung verarbeitet, insbesondere ausgewertet werden. Dies hat den Vorteil, dass die auf dem Steuergerät des Verbrennungsmotors hinterlegte Logik nicht geändert werden muss, sondern die Logik einfach ausgelagert wird, beispielswei se um einen bereits vorhandenen Verbrennungsmotor nachzurüsten G,Retro-Fit“ Lö sung). Vorzugsweise werden dabei die Daten drahtlos, beispielsweise unter Zuhilfen ahme eines Telematik- und/oder Clouddienstes, an das externe Steuergerät und/oder an die externe Auswerteeinrichtung übermittelt. Anbieter der Telematik- und/oder Clouddienste kann zum Beispiel der Hersteller des Verbrennungsmotors und/oder ein Datenhoster sein, der die notwendige Infrastruktur für diese Dienste besitzt. Die Daten übertragung kann dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zur Unterscheidung der elektromagnetischen Strahlung der Zündkerze von anderer Strahlung in der Umgebung und/oder zur Be rechnung des aktuellen elektrischen Widerstands Klassifizierungsalgorithmen verwen det werden. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit der Aussagen bzw. die Genauig keit der Berechnungen erhöht werden. Die Klassifizierungsalgorithmen sind hierzu be vorzugt in dem Steuergerät und/oder in der Auswerteeinrichtung hinterlegt, das bzw. die bei der Verarbeitung/Auswertung der Daten zum Einsatz gelangt.

Ferner wird vorgeschlagen, dass eine erfasste veränderte elektromagnetische Strah lung, die auf eine Alterung der Zündkerze bzw. des elektrischen Widerstands der Zündkerze schließen lässt, einer vorab definierten Schadensklasse zugeordnet wird. Mittels Regression der ermittelten Schadensklasse kann dann ein zuverlässiges Prog nosemodell zur Vorhersage des Ausfalls der Zündkerze erstellt werden.

Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vor hergehenden Ansprüche durchzuführen. Bei dem Steuergerät kann es sich beispiels weise um ein Motorsteuergerät handeln. Zur Durchführung des Verfahrens ist vor zugsweise auf dem Steuergerät eine Logik bzw. ein Computerprogramm mit einem Programmcode hinterlegt, der das Verfahren ausführt, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät abläuft. Das Verfahren kann auf diese Weise ganz oder zumin dest in Teilen automatisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Zündkerze,

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines charakteristischen Widerstandsverlaufs ei ner Zündkerze über ihre Lebensdauer, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Prognosemodells.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte Zündkerze wird in fremdgezündeten Verbrennungsmoto ren eingesetzt, um mit einem Funken zwischen zwei Elektroden 1, 2 ein Kraftstoff-Luft- Gemisch zu entflammen. Hierzu wird durch einen gegenüber dem Motor isolierten Lei ter ein Hochspannungsimpuls an eine erste Elektrode 1 geleitet, von der dann ein Fun ke auf die weitere Elektrode 2 überspringt. An der thermischen Energie des übersprin genden Funkens entzündet sich dann das Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Die erste Elektrode 1 ist in einem zentralen Hohlraum 3 eines hülsenförmigen Isola tors 4 aufgenommen und wird daher auch als Zentral- oder Mittelelektrode bezeichnet. Sie besteht aus einer Nickel-Legierung und weist einen Kupferkern auf. Die weitere Elektrode 2 ist eine beabstandet zur ersten Elektrode 1 angeordnete Masseelektrode 2 Sie besteht ebenfalls aus einer Nickel-Legierung. Über ihre Anordnung und/oder Geo metrie können die Zündkerzentechnik und die Nutzungsdauer beeinflusst werden.

In dem zentralen Hohlraum 3 des hülsenförmigen Isolators 4 ist andernends ein An schlussbolzen 5 aufgenommen, der vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist und somit elektrisch leitend ist. Über den Anschlussbolzen 5 wird der erforderliche Hochspan nungsimpuls an die Mittelelektrode 1 geleitet. Zur Begrenzung des Zündstroms ist zwi- sehen dem Anschlussbolzen 5 und der Mitelelektrode 1 ein elektrischer Widerstand 6 angeordnet, der vorliegend durch eine Glasschmelze 7 realisiert wird. Der elektrische Widerstand 6 verringert den Abbrand und damit Verschleiß der Mitelelektrode 1. Dar über hinaus verringert der elektrische Widerstand 6 die an die Umgebung abgegebene elektromagnetische Strahlung.

Der hülsenförmige Isolator 4 ist vorliegend von einem ebenfalls hülsenförmigen Ge häuse 8 umgeben, das vorliegend aus Stahl gefertigt und zum Schutz vor Korrosion vernickelt ist. Das Gehäuse 8 kann beispielsweise zur Befestigung der Zündkerze in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wer den. Ein außen auf dem Gehäuse 8 angeordneter Dichtring 9 dient der Abdichtung ei nes Brennraums des Verbrennungsmotors. Um den Anschlussbolzen 5 und die Mitel elektrode 1 vom Gehäuse 8 zu isolieren, besteht der Isolator 4 überwiegend aus Alu miniumoxid.

Die Zündkerze, insbesondere der elektrische Widerstand der Zündkerze, unterliegt Al terungsprozessen. Ein charakteristischer Widerstandsverlauf über die Lebensdauer der Zündkerze ist in der Fig. 2 dargestellt.

Wie dem Verlauf der Fig. 2 zu entnehmen ist, kann der elektrische Widerstand anfäng lich kurzfristig ansteigen, beispielsweise aufgrund einer Formierung der als elektrischen Widerstand dienenden Glasschmelze bzw. Keramik. Hiernach sinkt der elektrische Wi derstand ab, und zwar zunächst schnell und danach langsam aber kontinuierlich. Dies hat zur Folge, dass der Elektrodenabbrand und die elektromagnetische Strahlung zu nehmen. Kurz vor dem Lebensende der Zündkerze steigt der elektrische Widerstand erneut an, so dass es zum Ausfall des Zündfunkens kommen kann.

Um dies zu verhindern, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Alterung der Zündkerze bzw. die Alterung des elektrischen Widerstands der Zündkerze im Be trieb des Verbrennungsmotors überwacht, so dass die Zündkerze rechtzeitig ausge tauscht werden kann. Der Austausch erfolgt somit zustands- und nicht zeitbezogen.

Auf diese Weise können Wartungsintervalle verlängert sowie Zeit und Kosten gespart werden. Zur Überwachung der Alterung der Zündkerze bzw. der Alterung des elektrischen Wi derstands der Zündkerze wird im Betrieb des Verbrennungsmotors die elektromagneti sche Strahlung der Zündkerze erfasst. Die elektromagnetische Strahlung steigt, wenn der elektrische Widerstand sinkt, so dass aufgrund dieses physikalischen Zusammen hangs anhand der erfassten elektromagnetischen Strahlung der elektrische Widerstand bestimmt werden kann.

Wurde eine Alterung des elektrischen Widerstands detektiert, kann die Betriebsstrate gie beim Betrieb des Verbrennungsmotors angepasst werden, um die aus der Alterung resultierenden Nachteile, wie beispielsweise ein erhöhter Elektrodenabbrand und/oder eine erhöhte elektromagnetische Einkopplung, zu kompensieren. Auf diese Weise kann einer fortschreitenden Alterung entgegengesteuert werden, was wiederum längere Wartungsintervalle begünstigt.

Wie beispielhaft der Fig. 3 zu entnehmen ist, kann mit Hilfe der erfassten elektromag netischen Strahlung ein Prognosemodell erstellt werden. Zur Erstellung des Progno semodells der Fig. 3 wurden die mit Hilfe eines Strahlungsempfängers erfassten Ver änderungen der elektromagnetischen Strahlung vorab festgelegten Schadensklassen zugeordnet bzw. klassifiziert. Anhand des historischen Verlaufs der zugeordneten Schadensklassen kann dann eine bestimmte Entwicklung, vorliegend der Ausfall der Zündkerze, prognostiziert werden, der eintritt, wenn ein vorgegebener Schwellwert 10 erreicht ist.

Die Prognose kann dabei innerhalb eines Konfidenzbands 11 getroffen werden, des sen Breite in der Fig. 3 mit dem Maß x angegeben ist. Ferner kann errechnet werden, nach wie vielen Kilometern und/oder nach wie vielen weiteren Betriebsstunden der Ausfall der Zündkerze voraussichtlich eintritt, so dass vorher die Zündkerze ausge wechselt werden kann.

Bei bekannten Betriebspunkten des Verbrennungsmotors, wie beispielsweise der Mo tordrehzahl, des Schließwinkels und/oder des Zündzeitpunkts, lässt sich mit Hilfe ge eigneter Klassifizierungsalgorithmen, zum Beispiel über Data Mining, die relevante elektromagnetische Strahlung von anderer Strahlung in der Umgebung unterscheiden. Ferner lässt sich mit Hilfe dieser Klassifizierungsalgorithmen der Zustand des Zündker zenwiderstands berechnen.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich nicht nur bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen realisieren, sondern ferner bei stationären Verbrennungsmotoren, die beispielsweise der Energiegewinnung dienen. Aufgrund der Größe derartiger Motoren kommen hier die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zum Tragen.

Unabhängig davon, ob es sich um stationäre oder mobile Verbrennungsmotoren han- delt, können bereits bestehende Verbrennungsmotoren im Wege der Nachrüstung zu

Motoren ertüchtigt werden, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind. Hierzu muss nur ein geeigneter Strahlungsempfänger, wie beispielswei se eine gerichtete Antenne, im Motorraum angeordnet und mit einem Steuergerät und/oder einer Auswerteeinrichtung in datenübertragender Weise verbunden werden. Dabei muss es sich nicht zwingend um ein Motorsteuergerät handeln, sondern kann auch über eine entsprechende externe Hardware realisiert werden.