DE102017111917B4

DE102017111917B4 - Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Zündkerzenwechsels

Info

Publication number: DE102017111917B4
Application number: DE102017111917.5A
Authority: DE
Inventors: Dejan Kienzle; Dirk Wüstenhagen; Douglas Sprunger
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH; Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: CN107605637A; CN107605637B; DE102017111917A1; US20170350364A1; US10890156B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit des Austausches einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors, mit den folgenden Schritten:
Überwachen eines durch die Zündkerze fließenden Stroms,
Ermitteln eines Zeitintervalls, das für die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze vergangene Zeitspanne repräsentativ ist, und
Erzeugen eines Signals, das die Notwendigkeit des Austausches der Zündkerze anzeigt, wenn die Dauer des Zeitintervalls größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Zeitintervall durch Auswerten des Stroms ermittelt wird, wobei das Ende des Zeitintervalls dadurch festgelegt ist, dass der Strom einen vorgegebenen Endschwellenwert übersteigt oder
das Ende des Zeitintervalls durch ein Maximum einer Ableitung des Stroms nach der Zeit festgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit, die Zündkerze eines Verbrennungsmotors auszutauschen. Ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus JP H10- 160 647 A1 bekannt.
Die Lebensdauer von Zündkerzen ist begrenzt. Üblicherweise führen Verschleiß, insbesondere die Erosion von Elektroden, oder die Ablagerung von Verbrennungsrückständen zum Ausfall von Zündkerzen. Um den Ausfall von Zündkerzen während des Motorbetriebs zu verhindern, werden Zündkerzen in der Regel in vorgegebenen Wartungsintervallen ausgetauscht. Dies ist jedoch nicht ideal. Einerseits kann der Ausfall von Zündkerzen während des Motorbetriebs nicht vollständig verhindert werden. Andererseits werden oft Zündkerzen ausgetauscht, obwohl diese nur wenig Verschleiß zeigen und noch für einige Zeit brauchbar wären.
Es besteht deshalb das technische Problem, wie man ermitteln kann, wann eine Zündkerze ausgetauscht werden sollte.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit des Austausches einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein durch die Zündkerze fließender Strom überwacht und ausgewertet, um ein Zeitintervall zu ermitteln, das für die Zeitspanne zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze repräsentativ ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Zeit zwischen dem Anlegen einer Spannung und dem Entstehen einer Bogenentladung mit zunehmendem Verschleiß der Zündkerze zunimmt. Je mehr Zeit zwischen dem Anlegen der Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze vergeht, desto niedriger ist die verbleibende Lebensdauer der Zündkerze. Indem diese Zeit oder ein Zeitintervall, das für die Zeit, die zwischen dem Anlegen der Spannung an die Zündkerze und dem Entstehen einer Bogenentladung repräsentativ ist, mit einem Schwellenwert verglichen wird, ist es deshalb möglich, zu entscheiden, ob ein Austausch der Zündkerze erforderlich ist. Wenn die Dauer des Zeitintervalls, das durch Überwachen und Untersuchen des Stroms, der durch die Zündkerze fließt, ermittelt wurde, außerhalb vorgegebener Grenzen liegt, die von dem Hersteller der Zündkerze geliefert werden können, wird ein Signal erzeugt, das angibt, dass die Zündkerze ausgetauscht werden sollte. Ein solches Signal kann beispielsweise ein optisches Signal sein, beispielsweise ein Warnlicht, um den Betreiber des Motors bzw. den Fahrer eines Fahrzeugs zu informieren.
Verschleiß, insbesondere Erosion von Elektroden, führt dazu, dass die Zeitspanne, die zwischen dem Anlegen einer Spannung und dem Ausbilden einer Bogenentladung vergeht, ansteigt. Die Ablagerung von Verbrennungsrückständen kann die Zeitspanne verkürzen, die zwischen dem Anlegen einer Spannung und dem Ausbilden einer Bogenentladung vergeht.
Die an eine Zündkerze angelegte Spannung wird üblicherweise von einem Transformator geliefert, der eine Primärspannung in eine Sekundärspannung umwandelt, die dann an die Zündkerze angelegt wird. Wenn die Primärspannung abgeschaltet wird, wird eine große Sekundärspannung induziert und an die Zündkerze angelegt. Das Abschalten der Primärspannung kann somit verwendet werden, um den Beginn des Zeitintervalls zu definieren, das für die Zeitspanne repräsentativ ist, die zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine Spannung an die Zündkerze angelegt wird, und dem Zeitpunkt, an dem sich eine Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze bildet.
Es ist auch möglich, den Anfang des Zeitintervalls, das für die Zeit zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Ausbilden einer Bogenentladung repräsentativ ist, durch Überwachen und Auswerten des durch die Zündkerze fließenden Stroms festzulegen. Wenn an die Zündkerze eine Spannung angelegt wird, steigt der Strom zwischen den Elektroden der Zündkerze zunächst langsam an, bis ein Durchbruch stattfindet und sich eine Bogenentladung bildet. Der Anfang des Zeitintervalls kann deshalb auch dadurch definiert werden, dass der Strom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Das Ende des Zeitintervalls, das für die Zeitspanne, die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung vergeht, repräsentativ ist, wird erfindungsgemäß dadurch definiert, dass der Strom einen Schwellenwert übersteigt, oder durch ein Maximum der zeitlichen Ableitung des Stroms.
Das Maximum des Stroms oder der Zeitableitung des Stroms kann ein globales Maximum sein oder ein lokales Maximum, insbesondere in Fällen, in denen eine Bogenentladung mehrmals während eines Motorzyklus erzeugt wird. Die zeitliche Ableitung kann die erste zeitliche Ableitung sein und numerisch berechnet werden.
Das Maximum des Stroms oder der zeitlichen Ableitung des Stroms kann durch einen Aufstiegsalgorithmus (Hill Climbing Algorithm) gefunden werden, der ausgelöst wird, wenn der Strom oder die zeitliche Ableitung des Stroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Um die Chancen zu erhöhen, ein globales Maximum und nicht nur ein lokales Maximum zu finden, ist es möglich, zwei oder mehr vorgegebene Schwellenwerte einzusetzen, und einen Aufstiegsalgorithmus auch dann zu starten, wenn ein weiterer Schwellenwert von dem Strom oder der zeitlichen Ableitung des Stroms überschritten wird. Jeder Schwellenwert führt zu einem Maximum. Das größte dieser Maxima kann verwendet werden, um das Ende des Zeitintervalls zu definieren, das für die Zeitspanne repräsentativ ist, die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Ausbilden einer Bogenentladung vergeht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist zu beachten, dass das Zeitintervall, das mit einer erfindungsgemäßen Methode bestimmt wird, exakt der Zeitspanne entsprechen kann, die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Ausbilden einer Bogenentladung vergeht, aber dass eine solche Genauigkeit nicht erforderlich ist. Das Zeitintervall kann systematisch von der Zeitspanne abweichen, die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Ausbilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze vergeht, beispielsweise kann es systematisch etwas kürzer oder länger sein. Es ist ausreichend, wenn das gemäß der Erfindung ermittelte Zeitintervall ansteigt, wenn die Zeitspanne zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Ausbilden einer Bogenentladung ansteigt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine Schaltskizze eines Zündsystems;
2 Primär- und Sekundärstrom über der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Zündkerzenwechsels darstellt; und
4 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in 1 dargestellte Schaltung enthält einen Transformator mit einer Primärspule 2 und einer Sekundärspule 3, einen Schalter 4 und eine Zündkerze 7 mit Elektroden 7a und 7b. Wenn der Schalter 4 geschlossen wird, wird die Batteriespannung V_Bat an die Primärspule 2 angelegt und ein Primärstrom beginnt durch die Primärspule 2 zu fließen. Dieser Primärstrom induziert eine Spannung in der Sekundärspule 3. Eine Diode 6 kann in dem Zündsystem enthalten sein, um zu verhindern, dass diese Spannung an der Zündkerze 7 anliegt und die unerwünschte Ausbildung einer Bogenentladung zwischen den Elektroden 7a, 7b der Zündkerze 7 bewirkt. Das Entstehen einer Bogenentladung wird durch Öffnen des Schalters 4 ausgelöst. Dies bewirkt, dass der Primärstrom aufhört zu fließen und dass eine hohe Sekundärspannung in der Sekundärspule 3 induziert wird. Diese Sekundärspannung wird somit an die Zündkerze 7 angelegt, so dass sich eine Bogenentladung zwischen den Elektroden 7a, 7b der Zündkerze 7 bildet. Dann fließt ein Sekundärstrom durch die Zündkerze 7, die Diode 6 und die Sekundärspule 3. Dieser Strom wird mit einem Sensor 5 gemessen.
2 zeigt den Primärstrom I_Pri, den Sekundärstrom I_Sec, die erste Zeitableitung des Sekundärstroms dlsec/dt und die Sekundärspannung V_Sec als eine Funktion der Zeit. Der Zeitpunkt, zu dem der Schalter 4 geöffnet wird, um den Primärstrom zu unterbrechen, ist schematisch durch eine vertikale Linie 11 in 2 dargestellt. Wenn der Primärstrom I_Pri durch Öffnen des Schalters 4 abgeschaltet wird, steigt die in die Sekundärspule 3 des Transformers induzierte Sekundärspannung V_Sec an. Als Folge davon beginnt ein Sekundärstrom Isec zu fließen. Der Sekundärstrom I_Sec ist zu Beginn recht klein und nimmt langsam zu. In diesem Stadium hat ein Treibstoff-Luftgemisch zwischen den Elektroden 7a und 7b nur eine geringe Leitfähigkeit, da nur wenige Ionen vorhanden sind. Wenn die Sekundärspannung einen kritischen Wert erreicht, wird ein Durchbruch zwischen den Elektroden 7a, 7b erzeugt und es bildet sich eine Bogenentladung. Wenn dies geschieht, zeigt der Sekundärstrom I_Sec einen deutlichen Anstieg. Dieser deutliche Anstieg des Sekundärstroms I_Sec entspricht einem Maximum 13 der ersten zeitlichen Ableitung disec/dt des Sekundärstroms I_Sec.
Die Zeitspanne, die nach dem Anlegen der Spannung an die Zündkerze vergeht, bis sich eine Bogenentladung bildet, wird durch Verschleiß der Zündkerze beeinflusst. Das Maß des Verschleißes einer Zündkerze kann deshalb durch das Zeitintervall charakterisiert werden, das für die Zeitspanne zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze vergeht. 2 zeigt mehrere Möglichkeiten, um den Beginn und das Ende eines solchen Zeitintervalls zu definieren.
Der Beginn des Zeitintervalls kann als die Zeit definiert werden, zu welcher der Primärstrom I_Pri abgeschaltet wird. Eine andere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, den Beginn des Zeitintervalls als den Zeitpunkt zu definieren, zu dem der Sekundärstrom Isee einen vorgegebenen Schwellenwert 14 übersteigt, der in 2 angegeben ist.
Das Ende des Zeitintervalls, das für die Zeit zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze repräsentativ ist, kann man als den Zeitpunkt definieren, zu dem ein Sekundärstrom Isec einen vorgegebenen Schwellenwert 15, der in 2 angegeben ist, übersteigt oder als den Zeitpunkt, zu dem die erste zeitliche Ableitung dl_Sec/dt des Sekundärstroms I_Sec einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Ende des Zeitintervalls durch den Zeitpunkt festzulegen, zu dem ein Maximum 13 der ersten zeitlichen Ableitung dlsec/dt des Sekundärstroms Isee auftritt.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Zündkerzenwechsels bei einem Verbrennungsmotor. Das Verfahren beginnt, wenn der Primärstrom I_Pri abgeschaltet wird und die Zeit t eines Zeitzählers auf t=0 gesetzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Signal des Stroms I_Sec, der durch die Zündkerze 7 fließt, mit einem Tiefpass gefiltert. Dann wird die erste zeitliche Ableitung dlsec/dt des Stroms Isec errechnet und es wird überprüft, ob die zeitliche Ableitung des Stroms einen ersten Schwellenwert 14, der in 2 angegeben ist, übersteigt. Falls ja, wird mit der Suche nach einem Maximum begonnen. Ein Aufstiegsalgorithmus kann dafür verwendet werden, um das Maximum zu finden. Der Zeitpunkt des Maximums wird als t₁ gespeichert und gibt ein mögliches Ende des Zeitintervalls an, das für die Zeit zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung charakteristisch ist. Das gefundene Maximum ist oft ein lokales Maximum 12, was in 2 angedeutet ist.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird überprüft, ob die erste zeitliche Ableitung dl_Sec/dt des Stroms I_Sec einen zweiten Schwellenwert 15 übersteigt, der in 2 angedeutet ist. Falls ja, wird eine weitere Suche nach einem Maximum gestartet. Ein Aufstiegsalgorithmus kann verwendet werden, um das Maximum zu finden. Der Zeitpunkt des Maximums wird als t₂ gespeichert und kann dafür verwendet werden, das Ende des Zeitintervalls zu definieren, das für die Zeitspanne zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung repräsentativ ist. Folglich ist t₂ die Dauer des Zeitintervalls. Wenn die erste zeitliche Ableitung dl_Sec/dt des Stroms I_Sec den zweiten Schwellenwert erreicht, wird die Zeit t₁ als Ende des Zeitintervalls verwendet, das für die Zeit zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung repräsentativ ist. In diesem Fall ist t₁ die Zeitdauer des Zeitintervalls. Die Dauer des Zeitintervalls wird in 3 als „Zeit bis zur Bogenentladung“ angegeben. Wenn die Zeit bis zur Funkenbildung außerhalb akzeptabler Grenzen liegt, wird ein Signal erzeugt, um die Notwendigkeit eines Kerzenwechsels anzuzeigen. Eine Zeitspanne, die zu kurz ist, indiziert übermäßige Ablagerungen. Eine Zeit, die zu lang ist, deutet auf Elektrodenerosion hin.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wert des Stroms dafür verwendet, um das Ende des Zeitintervalls zu ermitteln, das für die Zeitspanne repräsentativ ist, die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung vergeht. Dieses Verfahren beginnt, wenn der Primärstrom I_Pri abgeschaltet wird (t=0) und fängt damit an, dass ein Anfangsschwellenwert für den Sekundärstrom I_Sec gesetzt wird. Wenn der Schwellenwert erreicht wird, wird die Zeit t, die seit dem Start des Verfahrens vergangen ist, gespeichert. Nach einer Zeit Δt wird der Schwellenwert um einen vorgegebenen Wert erhöht. Wenn der Sekundärstrom I_Sec den erhöhten Schwellenwert erreicht, wird die Zeit t, die seit dem Beginn des Verfahrens vergangen ist, gespeichert und der alte Wert mit diesem neuen Wert überschrieben. Nach einer weiteren Zeit Δt wird der Schwellenwert wiederum um den vorgegebenen Wert erhöht. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis entweder ein Zeitfenster, das für die Messung vorgegeben wurde, vergangen ist oder ein vorgegebener Maximalwert des Schwellenwerts erreicht wurde.
Die durch dieses Verfahren erhaltene Zeitdauer t ist die Zeitdauer des Zeitintervalls, das für die Zeit zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung repräsentativ ist. Die Zeitdauer dieses Zeitintervalls wird in 2 als „Zeit bis zur Bogenentladung“ bezeichnet. Wenn die Zeit bis zur Bogenentladung außerhalb akzeptabler Grenzen liegt, wird ein Signal erzeugt, das die Notwendigkeit eines Kerzenwechsels anzeigt.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit des Austausches einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors, mit den folgenden Schritten: Überwachen eines durch die Zündkerze fließenden Stroms, Ermitteln eines Zeitintervalls, das für die zwischen dem Anlegen einer Spannung an die Zündkerze und dem Bilden einer Bogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze vergangene Zeitspanne repräsentativ ist, und Erzeugen eines Signals, das die Notwendigkeit des Austausches der Zündkerze anzeigt, wenn die Dauer des Zeitintervalls größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall durch Auswerten des Stroms ermittelt wird, wobei das Ende des Zeitintervalls dadurch festgelegt ist, dass der Strom einen vorgegebenen Endschwellenwert übersteigt oder das Ende des Zeitintervalls durch ein Maximum einer Ableitung des Stroms nach der Zeit festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an die Zündkerze angelegt wird, indem eine an einen Transformator angelegte Primärspannung abgeschaltet wird, und der Transformator eine Sekundärspannung erzeugt, die an der Zündkerze anliegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschalten der Primärspannung den Beginn des Zeitintervalls definiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Zeitintervalls dadurch festgelegt ist, dass der Strom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.