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1 (19) *DE A * (10) DE A (12) Offenlegungsschrift (21) Aktenzeichen: (22) Anmeldetag: (43) Offenlegungstag: (71) Anmelder: MTU Friedrichshafen GmbH, Friedrichshafen, DE (74) Vertreter: Hoefer & Partner Patentanwälte mbb, München, DE (51) Int Cl.: H01T 13/00 ( ) H01T 21/02 ( ) H01T 13/54 ( ) G01K 7/02 ( ) (72) Erfinder: Ernst, Anko, Strasburg, DE; Frenzel, Mathias, Bernburg, DE (56) Ermittelter Stand der Technik: DE A1 DE A1 US 2009 / A1 US A Prüfungsantrag gemäß 44 PatG ist gestellt. Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen (54) Bezeichnung: Zündkerze sowie Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißgrades einer Zündkerze (57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, umfassend eine Elektrode (2, 3), einen in der Elektrode (2, 3) angeordnetes Thermoelement (4) zur Erfassung einer Temperatur der Elektrode, und eine mit dem Thermoelement (4) verbundene Steuereinheit (5), wobei die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, basierend auf Temperaturdaten des Thermoelements (4), einen Verschleiß der Elektrode (2, 3) zu bestimmen.

2 Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, mit einer Verschleißüberwachung sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißgrades einer Zündkerze. [0002] Zündkerzen von Brennkraftmaschinen werden beispielsweise bei stationären Gasmotoren verwendet. Bedingt durch eine große Sensitivität der gasmotorischen Brennverfahren kann beispielsweise anhand einer Nutzungsdauer nur ungenau auf einen Verschleiß von Elektroden der Zündkerze geschlossen werden. Daher werden aus sicherheitspolitischen Überlegungen Serviceintervalle zum Austausch von Zündkerze unter Annahme eines maximalen Verschleißes von Elektroden relativ kurz bestimmt. Beim Austauschzeitpunkt ist allerdings häufig noch kein maximaler Verschleiß an der Zündkerze gegeben, so dass die Zündkerze eigentlich noch weiter hätte betrieben werden können. Da der Austausch von Zündkerzen bei Gasmotoren im Vergleich mit Automotive-Anwendungen aufwendig und teuer ist, ergeben sich hohe Kosten durch die verkürzten Austauschintervalle. Weiterhin werden die Zündkerzen von Gasmotoren derart ausgelegt, dass Materialreserven zur Absicherung von Belastungsspitzen vorhanden sind. Da die Materialien für die Elektroden sehr teuer sind, ergeben sich hierdurch hohe Zusatzkosten. [0003] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, welche eine exakte Verschleißbestimmung ermöglicht, um insbesondere Serviceintervalle zum Austausch der Zündkerzen möglichst lang wählen zu können. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißgrades einer Zündkerze bereitzustellen. [0004] Diese Aufgabe wird durch eine Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. [0005] Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine genaue Prognose eines Verschleißes der Zündkerze, insbesondere der Elektroden der Zündkerze, möglich ist. Hierdurch kann ein Austausch der Zündkerze genau dann vorgenommen werden, wenn die Verschleißgrenze der Zündkerze erreicht ist. Dadurch können Serviceintervalle verlängert werden und insbesondere müssen keine zusätzlichen Materialreserven zur Absicherung von Belastungsspitzen vorgesehen werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerze eine Elektrode und ein in der Elektrode angeordnetes Thermoelement zur Erfassung einer Temperatur der Elektrode aufweist. Ferner ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche mit dem Thermoelement verbunden ist. Die Steuereinheit ist dabei eingerichtet, basierend auf den Temperaturdaten des Thermoelements einen Verschleiß der Elektrode zu bestimmen. Hierbei wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass der Verschleiß der Elektrode über die Zeit von der Temperatur der Elektrode abhängt. Somit kann eine Überwachung eines Verschleißes der Elektrode mittels eines Temperatursignals als Regelgröße mit hoher Genauigkeit ermöglicht werden. [0006] Vorzugsweise ist die mit Thermoelement versehene Elektrode eine Mittelelektrode oder eine Masseelektrode. Alternativ ist ein Thermoelement sowohl in der Mittelelektrode als auch in der Masseelektrode angeordnet. Aus Kostengründen ist vorzugsweise nur in einer der Elektroden ein Thermoelement vorgesehen. Der Verschleiß, welcher dann mittels der Temperaturdaten der mit Thermoelement ausgestatteten Elektrode bestimmt wird, kann auch auf die ohne Thermoelement ausgestattete Elektrode übertragen werden. Für eine besonders genaue Messung sind bevorzugt beide Elektroden mit Thermoelement versehen, so dass eine exaktere Verschleißbestimmung jeder Elektrode möglich ist. [0007] Weiter bevorzugt umfasst die Steuereinheit einen Speicher und ist eingerichtet, einen Verschleiß der Elektrode, basierend auf einem Vergleich mit in dem Speicher gespeicherten Temperaturdaten zu erfassen. Hierdurch kann auch auf einfache Weise eine Verschleißgrenze eingeführt werden, bei welcher eine Meldung für einen baldigen Austausch der Zündkerze ergehen soll. [0008] Besonders bevorzugt sind die Temperaturdaten im Speicher der Steuereinheit Durchschnittsdaten. Diese können z. B. durch verschiedene Versuche mit Zündkerzen ermittelt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die im Speicher der Steuereinheit gespeicherten Temperaturdaten individuell für die jeweilige Zündkerze vor einer Verwendung der Zündkerze ermittelte Individualdaten. Dadurch kann eine sehr genaue Verschleißgrenzenermittlung der eingesetzten Zündkerze ermöglicht werden. Die Individualdaten werden dabei z. B. durch Erstellen von Aufheizkurven für unterschiedliche Heizleistungen ermittelt. Hierbei wird die Elektrode erhitzt und die Zeit bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur bestimmt. [0009] Bei der Bestimmung der Individualdaten kann auch berücksichtigt werden, welcher Anteil der Wärme der Zündkerze im eingebauten Zustand über einen Zylinderkopf oder dgl. abgegeben wird. 2/7

3 [0010] Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, bei einer vorbestimmten Verschleißgrenze eine Warnung auszugeben. Dies kann beispielsweise eine Meldung an einen Wartungsdienst sein, dass die Zündkerze demnächst ausgetauscht werden soll. [0011] Besonders bevorzugt ist die Zündkerze eine Vorkammerzündkerze mit einem Vorkammergehäuse zur Bereitstellung einer Vorkammer vor der Elektrode. Aufgrund der Vorkammer an der Zündkerze ergeben sich häufig sehr hohe Temperaturen im Bereich der Elektroden der Zündkerze, so dass ein erhöhter Verschleiß vorkommen kann. Daher ist die vorliegende Erfindung bei derartigen Vorkammerzündkerzen besonders bevorzugt eingesetzt. [0012] Die erfindungsgemäße Zündkerze wird dabei besonders bevorzugt in einem Gasmotor verwendet. [0013] Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Verschleißgrades einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Erfassens einer Temperatur einer Elektrode der Zündkerze und des Bestimmens eines Verschleißgrades der Zündkerze, basierend auf den erfassten Elektrodentemperaturen. Hierbei können Temperaturkurven über die Zeit der Elektrode erstellt werden, anhand derer aufgrund der Temperaturen dann auf einen Verschleiß der Zündkerze geschlossen werden kann. [0014] Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt einen Verschleißgrad der Elektrode vorzugsweise durch einen Vergleich mit gespeicherten Verschleißdaten. Die gespeicherten Verschleißdaten können Durchschnittsdaten aus Erfahrungswerten oder Versuchen sein oder besonders bevorzugt individuelle Daten für die gerade zu überwachende Zündkerze. Die individuellen Daten werden vorzugsweise durch Bestimmung von Aufheizkurven der Elektrode ermittelt. [0015] Besonders bevorzugt wird bei Erreichen einer vorbestimmten Verschleißgrenze eine Mitteilung an einen Wartungsdienst oder dgl. ausgegeben, welche auf einen baldigen Austausch der Zündkerze hinweist. [0016] Die Erfindung betrifft ferner einen Gasmotor umfassend eine erfindungsgemäße Zündkerze. [0017] Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung eine Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: [0018] Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Zündkerze gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und [0019] Fig. 2 eine schematische, vergrößerte Teildarstellung der Elektroden der Zündkerze mit Thermoelement von Fig. 1. [0020] Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Mittelelektrode 2 und eine Masseelektrode 3. Die Zündkerze 1 umfasst ferner in bekannter Weise einen Isolator 7 aus Keramik, ein metallisches Gehäuse 8 und ein am metallischen Gehäuse 8 vorgesehenes Gewinde 9. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen elektrischen Anschluss der Zündkerze. In der Mittelelektrode 2, welche durch die gesamte Zündkerze verläuft, ist ein Entstörwiderstand 11 eingebaut. [0021] Weiterhin ist, wie im Detail aus Fig. 2 ersichtlich ist, in der Mittelelektrode 2 ein Thermoelement 4 eingebaut. Das Thermoelement 4 ist über eine Leitung 6 mit einer Steuereinheit 5 verbunden. [0022] Das Thermoelement 4 ist beispielsweise in die Mittelelektrode 2 eingegossen. Hierdurch wird eine hohe Lagegenauigkeit der Thermoelemente innerhalb der Mittelelektroden erreicht. [0023] Das Thermoelement 4 erfasst eine Temperatur der Mittelelektrode 2 im Betrieb. Die Steuereinheit ist nun derart eingerichtet, dass basierend auf den Temperaturdaten des Thermoelements 4 ein Verschleiß der Mittelelektrode 2 bestimmt wird. [0024] Somit wird erfindungsgemäß ein Temperatursignal des Thermoelements 4 der Mittelelektrode 2 zur Überwachung eines Verschleißes der Mittelelektrode 2 verwendet. [0025] Die Steuereinheit 5 ist besonders bevorzugt derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit einer Temperatur über die Zeit eine entsprechende Verschleißgröße zugeordnet wird. [0026] Hierzu kann die Steuereinheit 5 einen Speicher aufweisen, in welchem Durchschnittsverschleißdaten bei entsprechenden Temperaturen abgespeichert sind. Alternativ und bevorzugt werden Individualdaten der gerade benutzten Zündkerze in der Steuereinheit 5 verwendet, welche vor einem Einbau der Zündkerze z. B. durch Aufheizen der Zündkerze erfasst werden. Bei der individuellen Datenbeschaffung werden verschiedene Heizleistungen auf die Mittelelektrode, beispielsweise durch Wärmestrahlung, ausgeübt und entsprechende Aufheizkurven der Temperatur der Mittelelektrode über die Zeit bestimmt. Da eine Korrelation zwischen der Heizleistung zur Bestimmung der Aufheizkurven und der Elektrodentemperatur bei einer entsprechenden Temperaturmessung im befeuerten Gasmotorbetrieb vorliegt, kann ein Rückschluss auf eine Leistung und eine Energie, welche über die Verbrennung und die Zündenergie in die Zündkerze eingebracht wurde, er- 3/7

4 möglicht werden. Unter der Annahme, dass ein über einen Zylinderkopf abgeführter Wärmeanteil konstant ist, kann abgeleitet werden, welche Leistungen und welche Energie aus der Verbrennung heraus in die Zündkerze eingebracht wird. Somit kann ein Temperaturverhalten der Mittelelektrode der Zündkerze bestimmt werden und anhand von Erfahrungswerten bei bestimmten Temperaturen ein Verschleiß der Zündkerze individuell ermittelt werden und für die untersuchte Zündkerze individuell im Speicher der Steuereinheit 5 hinterlegt werden. [0027] Die Erfindung wird besonders bevorzugt bei Zündkerzen für Gasmotoren eingesetzt. Die Zündkerzen können dabei übliche Zündkerzen oder auch Vorkammerzündkerzen sein. [0028] Es sei weiter angemerkt, dass ein Thermoelement auch ausschließlich in der Masseelektrode 3 vorgesehen sein kann oder weiter alternativ sowohl in der Mittelelektrode 2, als auch in der Masseelektrode 3 ein Thermoelement verwendet werden kann. Die Steuereinheit 5 kann dann anhand der in beiden Elektroden bestimmten Temperaturen den jeweiligen Verschleiß der Elektroden bestimmen. Bei Verwendung von nur einem Thermoelement 4 in einer der beiden Elektroden kann ein Verschleiß der anderen Elektrode, welche ohne Thermoelement ausgerüstet ist, gleich dem Verschleiß der Elektrode mit Thermoelement 4 gleichgesetzt werden. [0029] Somit kann erfindungsgemäß eine Überwachung eines Verschleißes von Elektroden von Zündkerzen, insbesondere bei Gasmotoren, realisiert werden. Trotz des Vorsehens des Thermoelements 4 können die Zündkerzen insgesamt billiger hergestellt werden, da zur Absicherung von Belastungsspitzen keine Materialreserven an den beiden Elektroden vorgesehen werden müssen. Hierdurch ergibt sich ein großes Einsparpotential, da das Material der Elektroden aufgrund der Verwendung von Edelmetallen sehr teuer ist. Weiterhin können erfindungsgemäß auch Wartungsintervalle verlängert werden bzw. vom tatsächlich auftretenden Verschleiß an den Elektroden abhängig gemacht werden. Bezugszeichenliste 1 Zündkerze 2 Mittelelektrode 3 Masseelektrode 4 Thermoelement 5 Steuereinheit 6 Leitung 7 Isolator 8 Metallgehäuse 9 Gewinde 10 elektrischer Anschluss 11 Entstörwiderstand Patentansprüche 1. Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, umfassend: eine Elektrode (2, 3), ein in der Elektrode (2, 3) angeordnetes Thermoelement (4) zur Erfassung einer Temperatur der Elektrode, und eine mit dem Thermoelement (4) verbundene Steuereinheit (5), wobei die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, basierend auf Temperaturdaten des Thermoelements (4), einen Verschleiß der Elektrode (2, 3) zu bestimmen. 2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Mittelelektrode oder eine Masseelektrode ist und das Thermoelement (4) in der Mittelelektrode und/oder der Masseelektrode angeordnet ist. 3. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) einen Speicher umfasst und eingerichtet ist, einen Verschleiß der Elektrode, basierend auf einem Vergleich mit im Speicher gespeicherten Temperaturdaten auszuführen. 4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdaten für den Vergleich Durchschnittsdaten sind oder das die Temperaturdaten individuell für die Zündkerze vor einer Verwendung ermittelte Individualdaten sind. 5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, bei einer vorbestimmten Verschleißgrenze eine Warnung auszugeben. 6. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze eine Vorkammerzündkerze mit einem Vorkammergehäuse zur Bereitstellung einer Vorkammer ist, so dass die Elektrode mit Thermoelement in der Vorkammer angeordnet ist. 7. Verfahren zur Überwachung eines Verschleißes einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, umfassend die Schritte: Erfassen einer Temperatur einer Elektrode (2, 3) der Zündkerze, und Bestimmen eines Verschleißgrades der Zündkerze, basierend auf der erfassten Elektrodentemperatur. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Verschleißgrades durch einen Vergleich mit gespeicherten Verschleißdaten durchgeführt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißdaten Durchschnittsda- 4/7

5 ten sind, oder individuell für die Zündkerze vor einer Verwendung der Zündkerze ermittelten Individualdaten sind. 10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorbestimmten Verschleißgrenze eine Warnung ausgegeben wird. Es folgen 2 Seiten Zeichnungen DE A /7

6 Anhängende Zeichnungen 6/7

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