EP3201463A1 - Zündsystem und verfahren zur überprüfung von elektroden einer zündkerze einer brennkraftmaschine - Google Patents

Zündsystem und verfahren zur überprüfung von elektroden einer zündkerze einer brennkraftmaschine

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Publication number
EP3201463A1
EP3201463A1 EP15753632.7A EP15753632A EP3201463A1 EP 3201463 A1 EP3201463 A1 EP 3201463A1 EP 15753632 A EP15753632 A EP 15753632A EP 3201463 A1 EP3201463 A1 EP 3201463A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark
characteristic
ignition
ignition system
boost converter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15753632.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Skowronek
Thomas Pawlak
Wolfgang Sinz
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3201463A1 publication Critical patent/EP3201463A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02P3/0876Layout of circuits the storage capacitor being charged by means of an energy converter (DC-DC converter) or of an intermediate storage inductance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/58Testing
    • H01T13/60Testing of electrical properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T15/00Circuits specially adapted for spark gaps, e.g. ignition circuits

Definitions

  • the present invention relates to an ignition system and a method for checking electrodes of a spark gap of an ignition system for a combustion chamber of a spark-ignited internal combustion engine.
  • the present invention relates to the inspection of the electrodes during operation of the internal combustion engine.
  • the present invention relates to an ignition system for a
  • the present invention relates to an ignition system for internal combustion engines, to which increased
  • GB717676 shows a step-up transformer for an ignition system in which a controlled via a vibration switch circuit part is used in the manner of a boost converter to supply a spark generated by the step-up transformer with electrical energy.
  • WO 2009/106100 A1 shows a circuit arrangement designed in accordance with a high-voltage capacitor ignition system, in which energy stored in a capacitor is conducted on the one hand to the primary side of a transformer and on the other hand via a bypass with a diode on a spark gap.
  • US 2004/000878 A1 shows an ignition system in which a secondary-side accumulator comprising a plurality of capacitors is charged in order to supply a spark generated by means of a transformer with electrical energy.
  • WO9304279 A1 shows an ignition system with two energy sources.
  • Energy source transmits electrical energy through a transformer to a spark gap, while the second energy source between a
  • High voltage generator generates a spark, which then supplied by a boost converter with electrical energy and
  • Ignition system can lead.
  • a check of the electrode spacing for example, by removing the spark plugs and measuring the
  • Electrode distance can be made. During operation, however, occurring malfunctions can not be clearly assigned.
  • the object identified above is achieved by a method for checking electrodes of a spark gap of an ignition system for a combustion chamber of a spark-ignition internal combustion engine.
  • a spark is generated at the spark gap in an operating condition in which ignition of an ignitable mixture in the combustion chamber occurs
  • Combustion chamber does not take place.
  • the spark for this purpose can be generated in such a power stroke of the internal combustion engine, in which there is no ignitable mixture in the combustion chamber.
  • a parameter representing the spark current and / or the spark voltage and / or the spark duration is determined.
  • the parameter may also be a characteristic function determined over time. In this case, the time course of the parameter over time is characterized and evaluated. Subsequently, the parameter or the characteristic is compared with a predefined reference.
  • the reference may, for example, designate target values for the parameter or nominal characteristics of the characteristic over time.
  • ranges for spark current, spark voltage and / or duration can be defined, in which the characteristic or characteristic may not be advised.
  • too low a spark current, too high a spark voltage or too short spark duration for a safe mixture ignition in the combustion chamber is problematic.
  • Be mixture flame This can be done in particular depending on a difference of the parameter or the characteristic and the reference.
  • the adjustment of the energy can be made for a current or a future ignition process. This will be one for the
  • Mixture ignition used appropriate energy, so that a safe mixture ignition at an electrically high efficiency of
  • the reference may be designed as a first threshold, which is determined based on the electrode spacing during the initial startup of the ignition system (eg factory) and taking into account a maximum allowable wear.
  • a first threshold which is determined based on the electrode spacing during the initial startup of the ignition system (eg factory) and taking into account a maximum allowable wear.
  • several values can also be used as a reference or a continuous assignment of a reference function and corresponding measures for adapting the electrical energy provided be provided. While discrete values require less memory as a reference, a continuous reference function provides the best possible adjustment to the operation of the ignition system.
  • the spark can be generated, for example, with a primary voltage generator and in particular with a step-up converter, preferably exclusively with the step-up converter, maintained (corresponding to an ignition system, as disclosed in DE 102013 218 227 A).
  • Such an arrangement allows an exact control of the electric energy given to the spark gap, in the knowledge of which the determined parameter can be evaluated very accurately to determine conclusions on, for example, a distance between the electrodes
  • comparing the characteristic to the reference may include thresholding. Decreases or increases the parameter or the
  • Characteristic below or above a predefined threshold may be one of the threshold undershoots or overshoots associated class for the
  • Measures can be initiated.
  • a characteristic function determined over time in which also the reference is at least two times
  • Characteristic of the characteristic function are evaluated, classified and used as a reason for the initiation of countermeasures.
  • a preferred time for generating the spark is such
  • the spark may be generated in an exhaust stroke, wherein preferably the intake valves of the internal combustion engine are closed.
  • the intake valves of the internal combustion engine are closed.
  • Substantial stationary spark current and / or a substantially stationary electrical power can be suitable
  • States in the combustion chamber can be generated by the activation of the boost converter, in response to what the electrode state or distance as a substantially sole cause of a current value of the characteristic can be determined particularly well. If a spark-ignition voltage exceeds the reference as a parameter and / or a spark current as the characteristic falls below the reference, the ignition system can be made to have a higher spark current and / or a higher voltage supply and / or a higher output power
  • the ignition system can thus be made to provide a higher voltage supply, since the voltage requirement for
  • the voltage generating unit must be supplied with more electrical energy, which can be done for example by a so-called.
  • Boosf 'operation provided in the ignition system boost converter (HSS), in which from a comparatively low input voltage, a higher
  • the ignition system can be made to provide a higher output power (and thus a higher spark current), which can be realized, for example, via a changed operating mode of a mixture ignition boost converter provided in the ignition system
  • Voltage supply can be compensated for an increased distance / erosion state of the electrodes in certain areas. An exchange of the electrodes can be delayed in this way, without jeopardizing the reliability of the ignition system according to the invention.
  • the characteristic variable or the characteristic function can preferably be determined in a stationary state (unchanging over time). This may relate in particular to the electrical processes and / or the chemical processes in the combustion chamber or at the spark gap. Stationary operations allow an accurate determination of the characteristic or the characteristic, which in turn allows an exact determination of required measures is possible.
  • an electrical voltage it can be determined whether an exceeding condition is satisfied by determining whether the spark gap spark exceeds the predefined reference.
  • an electric current is used as a predefined reference, it can be determined whether a
  • Underrun condition is met by determining whether the spark current or an output current of a boost converter used to energize the spark gap is below the reference. In response to the overflow condition or the underflow condition, a voltage supply for spark generation can be increased. Alternatively or additionally, an output power of a used
  • Primary voltage generator or a boost converter can be increased.
  • the detected e.g., measured
  • Electrodes are classified. In response to this, an error signal can be output which, for example, leads to the display of a corresponding message in a vehicle equipped with the ignition system or to a fault memory entry which can be read out in a workshop. If replacement of the electrodes is required, replacement can be made quickly in this way.
  • the voltage supply at the electrodes of the spark gap can be
  • the second threshold For example, be increased gradually until a predetermined second threshold is reached. Subsequently, it can be checked whether the parameter and / or characteristic has reached or have reached a suitable value with respect to the reference.
  • the second threshold For example, be increased gradually until a predetermined second threshold is reached. Subsequently, it can be checked whether the parameter and / or characteristic has reached or have reached a suitable value with respect to the reference.
  • Ignition system and / or a permanent reliability of the ignition system are no longer guaranteed.
  • an error signal indicating the necessary replacement of the electrodes may be output.
  • the error signal can be stored, for example, in an error memory and / or for optical and / or acoustic
  • Output of a signal to a user of the ignition system can be used.
  • an ignition system for a spark-ignition internal combustion engine includes a spark gap, a primary voltage generator for generating a
  • Primary voltage generator can be configured for example as ignition coil or as ignition transformer.
  • the evaluation unit can be used, for example, as a programmable processor, programmable controller, ASIC or FPGA (Field
  • the ignition system can evaluate the characteristic and / or the characteristic of the electrical state variables on the spark gap and predefined references.
  • the evaluation unit which can evaluate the characteristic and / or the characteristic of the electrical state variables on the spark gap and predefined references, the ignition system according to the invention is adapted to carry out a method as has been described in detail in connection with the first aspect of the invention.
  • the features, combinations of features and the advantages resulting therefrom correspond to those set forth in connection with the first aspect of the invention so that reference is made to the above statements to avoid repetition.
  • the ignition system according to the invention can also have a step-up converter for maintaining a spark whose output lies in an electrical mesh with the spark gap.
  • the boost converter is on set up in this way, a predefined electrical variable, in particular an output current and / or an output voltage and / or a
  • the determined characteristics or the determined characteristic function in conjunction with the predefined reference can directly allow conclusions to be drawn about the electrodes of the spark gap. If the ignition system or its evaluation by the result of
  • Comparing the characteristic / characteristic with the predefined reference determines the need for this, it may be the operation of the boost converter, so its electrical output or the voltage supply of
  • FIG. 1 shows a circuit diagram according to a first embodiment of an ignition system according to the invention
  • FIG. 2 shows an illustration of crank angle ranges in which the ignition spark according to the invention can advantageously be generated
  • Figure 3 is a flow chart illustrating steps of a
  • FIG. 1 shows a circuit of an ignition system 1, which has a
  • Step-up transformer 2 comprises as a high voltage generator whose
  • Primary side 3 can be supplied from an electrical energy source 5 via a first switch 30 with electrical energy.
  • the secondary side 4 of the step-up transformer 2 is supplied via an inductive coupling of the primary coil 8 and the secondary coil 9 with electrical energy and has a the prior art diode 23 for power-on suppression, which diode 23 can alternatively be replaced by the diode 21.
  • a spark gap 6 is provided to ground 14, via which the Zündstrom ⁇ 2 is to ignite the combustible gas mixture.
  • the spark gap 6 is located at the ignition usually a fluctuating spark ignition voltage U burn on.
  • a boost converter 7 between the electric
  • Power source 5 and the secondary side 4 of the step-up transformer 2 is provided. Further, an inductor 15 is connected via a switch 22 and a diode 16 to a capacitor 10, whose one end is connected to the secondary coil 9 and the other end to the electrical ground 14. The inductance serves as an energy store in order to maintain a current flow.
  • the diode 16 is oriented in the direction of the capacitance 10 conductive.
  • the switches 22, 27 are arranged to respond to a defined range of the current intensity i 2 through the secondary coil 9.
  • the diode 16 facing terminal of the switch 22 is connected via a further switch 27 to the electrical ground 14 connectable.
  • a Zener diode 21 is a Zener diode 21 in
  • the switching signal 29 outlines a simultaneous alternating signal between "closed” and
  • Switch 27 to load this energy back to the capacitor 10.
  • the control 31 of the switch 30 provided in the primary side 3 can be seen kept significantly shorter than that for the switches 22 and 27 is the case. Since the switch 22 does not assume a decisive function for the processes according to the invention, but merely switches the circuit on or off, this is merely optional and can therefore also be dispensed with. If, according to the invention, such a time is selected for the generation of the spark at the spark gap 6, at which the spark-burning voltage U b is essentially independent of the gas mixture within the combustion chamber, electrical characteristics at the spark gap 6 can be determined, for example, via the shunt 19 in the evaluation unit 36 of the ignition system are evaluated for conclusions on the electrode spacing. By way of the output-side capacitance 10, the boost converter 7 provides to PO an electric power adapted in response to the aforesaid evaluation in order to determine the duration of the
  • FIG. 2 shows suitable regions for generating the spark proposed according to the invention over the crank angle. While the to
  • Crank angle ranges 13 between 180 ° and 360 ° and between 900 ° and
  • FIG. 3 shows steps of an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • step 100 a spark at the spark gap in a
  • the spark is therefore in an ejection
  • step 200 a spark current characteristic over time is determined and compared in step 300 with a predefined reference.
  • the need is determined, due to an erosion-induced increased electrode spacing in step 400, the spark current by increasing the output of a to maintain the
  • the present invention enables a reduction in the provision of electrical power that is always required in the prior art
  • spark erosion at the electrodes reduced.
  • the thermal and electrical stress of the components of the ignition system can be reduced.
  • the inventive method for example, every 1000 km driving route with the ignition system according to the invention
  • a performance can be provided every 5 to 10 hours of operation. It is crucial to ensure that the conditions in the combustion chamber are constant. In other words, temperature, pressure, flow velocity must be known or predictable, at least within narrow limits.
  • a suitable operating condition is
  • an idle at a predefined oil / cooling water temperature For example, an idle at a predefined oil / cooling water temperature.

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Abstract

Es werden ein Zündsystem sowie ein Verfahren zur Überprüfung von Elektroden einer Funkenstrecke eines Zündsystems für einen Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erzeugen des Funkens an der Funkenstrecke (6) in einem Betriebszustand ohne Entflammung eines zündfähigen Gemisches im Brennraum, Ermitteln einer den Funkenstrom (i2) und/oder die Funkenspannung (Ubrenn) und/oder die Funkendauer repräsentierenden Kenngröße oder Kennfunktion, Vergleichen der Kenngröße oder Kennfunktion mit einer Referenz, Anpassen einer Energie zum Spannungsaufbau zur Funkenbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Zündfunkens zur Gemischentflammung, insbesondere für einen zukünftigen Zündvorgang, in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Kenngröße oder der Kennfunktion und der Referenz.

Description

Beschreibung Titel
ZÜNDSYSTEM UND VERFAHREN ZUR ÜBERPRÜFUNG VON ELEKTRODEN EINER ZÜNDKERZE EINER BRENNKRAFTMASCHINE
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem sowie ein Verfahren zur Überprüfung von Elektroden einer Funkenstrecke eines Zündsystems für einen Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Überprüfung der Elektroden während des Betriebes der Brennkraftmaschine.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem für eine
Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Zündsystem für Verbrennungskraftmaschinen, an welches erhöhte
Anforderungen durch (Hoch-)Aufladung und verdünnte, schwer entflammbare Gemische (λ»1 , Mager-Schichtkonzepte, hohe AGR-Raten) bestehen.
GB717676 zeigt einen Step-Up-Transformator für ein Zündsystem, bei welchem ein über einen Vibrationsschalter gesteuerter Schaltungsteil nach Art eines Hochsetzstellers verwendet wird, um einen über den Step-Up-Transformator erzeugten Funken mit elektrischer Energie zu versorgen.
WO 2009/106100 A1 zeigt eine entsprechend einem Hochspannungs- Kondensator-Zündsystem aufgebaute Schaltungsanordnung, bei welcher in einem Kondensator gespeicherte Energie einerseits auf die Primärseite eines Transformators und andererseits über einen Bypass mit einer Diode auf eine Funkenstrecke geleitet wird.
US 2004/000878 A1 zeigt ein Zündsystem, bei welchem ein sekundärseitiger, mehrere Kondensatoren umfassender Speicher aufgeladen wird, um einen mittels eines Transformators erzeugten Funken mit elektrischer Energie zu versorgen. WO9304279 A1 zeigt ein Zündsystem mit zwei Energiequellen. Eine
Energiequelle überträgt elektrische Energie über einen Transformator an eine Funkenstrecke, während die zweite Energiequelle zwischen einem
sekundärseitigen Anschluss des Transformators und der elektrischen Masse angeordnet ist.
DE 10 2013 21 8 227 A1 offenbart ein Zündsystem, bei welchem ein
Hochspannungserzeuger einen Zündfunken erzeugt, welcher anschließend durch einen Hochsetzsteller mit elektrischer Energie versorgt und
aufrechterhalten wird.
Aufgrund Funkenerosion sind die Elektroden der Funkenstrecke einer Belastung ausgesetzt, welche zu Fehlfunktionen und schließlich zum Ausfall des
Zündsystems führen kann. Eine Überprüfung des Elektrodenabstandes kann beispielsweise durch Ausbau der Zündkerzen und Messen des
Elektrodenabstandes vorgenommen werden. Während des Betriebes können auftretende Fehlfunktionen jedoch nicht eindeutig zugeordnet werden.
Insbesondere ist eine Einleitung von Maßnahmen während des laufenden Betriebes zur Fehlerbehebung nicht möglich. Beispielsweise wäre es
wünschenswert, den Verschleißzustand in Form einer On-Board-Diagnose
(OBD) zu ermitteln, so dass eine bedarfsgerechte Bereitstellung von
Spannungsangebot am Spannungserzeuger und eine bedarfsgerechte
Bereitstellung einer geeigneten Funkenenergie vorgenommen werden können. Während nämlich im Neuzustand der Kerze der Bedarf für die
Spannungserzeugung und die Funkenenergie gering sind, erhöhen sich diese mit
Erreichen der Verschleißgrenze der Zündkerze. Dies würde den Vorteil bieten, den Energieaufwand bei einer neuen Zündkerze zu verringern, die
Verlustleistung zu reduzieren, einer Erwärmung des Zündsystems sowie einer thermischen und elektrischen Alterung und Erosion der Zündkerze vorzubeugen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorstehend identifizierten Bedarf zu stillen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Überprüfung von Elektroden einer Funkenstrecke eines Zündsystems für einen Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gelöst. In einem ersten Schritt wird ein Funke an der Funkenstrecke in einem Betriebszustand erzeugt, in welchem eine Entflammung eines zündfähigen Gemisches im
Brennraum nicht stattfindet. Insbesondere kann der Funke hierzu in einem solchen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine erzeugt werden, in welchem sich kein zündfähiges Gemisch im Brennraum befindet. In einem zweiten Schritt wird eine den Funkenstrom und/oder die Funkenspannung und/oder die Funkendauer repräsentierende Kenngröße ermittelt. Die Kenngröße kann auch eine über der Zeit ermittelte Kennfunktion sein. In diesem Fall wird der zeitliche Verlauf der Kenngröße über der Zeit charakterisiert und ausgewertet. Anschließend wird die Kenngröße bzw. die Kennfunktion mit einer vordefinierten Referenz verglichen.
Die Referenz kann beispielsweise Sollwerte für die Kenngröße bzw. Sollverläufe der Kennfunktion über der Zeit kennzeichnen. Beispielsweise können durch die Referenz Bereiche für Funkenstrom, Funkenbrennspannung und/oder -dauer definiert werden, in welche die Kenngröße oder Kennfunktion nicht geraten darf. Beispielsweise ist ein zu geringer Funkenstrom, eine zu hohe Funkenspannung oder eine zu geringe Funkendauer für eine sichere Gemischentflammung im Brennraum problematisch. Durch die vorliegende Erfindung werden eine
Überprüfung der Elektroden während des Betriebes und eine sofortige Ergreifung gegebenenfalls erforderlicher Maßnahmen möglich. Eine mögliche Maßnahme kann beispielsweise das Anpassen einer Energie zum Spannungsaufbau zur
Funkenbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Zündfunkens zur
Gemischentflammung sein. Dies kann insbesondere in Abhängigkeit von einer Differenz der Kenngröße bzw. der Kennfunktion und der Referenz geschehen. Die Anpassung der Energie kann für einen aktuellen oder einen zukünftigen Zündvorgang vorgenommen werden. Auf diese Weise wird eine für die
Gemischentflammung angemessene Energie verwendet, so dass eine sichere Gemischentflammung bei einem elektrisch hohen Wirkungsgrad des
Zündsystems realisiert wird. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Referenz kann als erster Schwellenwert ausgestaltet sein, der basierend auf dem Elektrodenabstand bei der Erstinbetriebnahme des Zündsystems (z.B. werkseitig) und unter Berücksichtigung einer maximal zulässigen Abnutzung festgelegt wird. Selbstverständlich können auch mehrere Werte als Referenz oder eine kontinuierliche Zuordnung einer Referenzfunktion und entsprechende Maßnahmen zur Anpassung der bereitgestellten elektrischen Energie vorgesehen sein. Während diskrete Werte als Referenz einen geringeren Speicherplatz erfordern, bietet eine kontinuierliche Referenzfunktion eine bestmögliche Anpassung der Arbeitsweise des Zündsystems. Der Funke kann beispielsweise mit einem Primärspannungserzeuger erzeugt und insbesondere mit einem Hochsetzsteller, bevorzugt ausschließlich mit dem Hochsetzsteller, aufrechterhalten werden (entsprechend einem Zündsystem, wie es in DE 102013 218 227 A offenbart ist). Eine solche Anordnung ermöglicht eine exakte Steuerung der auf die Funkenstrecke gegebenen elektrischen Energie, in Kenntnis welcher die ermittelte Kenngröße sehr genau ausgewertet werden kann, um Rückschlüsse auf beispielsweise einen Abstand der Elektroden der Funkenstrecke und/oder ihren Erosionszustand zu ermitteln.
Das Vergleichen der Kenngröße mit der Referenz kann beispielsweise eine Schwellenwertbetrachtung umfassen. Sinkt bzw. steigt die Kenngröße bzw. die
Kennfunktion unter bzw. über einen vordefinierten Schwellenwert, kann eine der Schwellenwertunter- bzw. -Überschreitung zugeordnete Klasse für den
Elektrodenzustand erkannt und der Klasse gegebenenfalls zugeordnete
Maßnahmen können eingeleitet werden. Im Falle einer über der Zeit ermittelten Kennfunktion, in welcher auch die Referenz mindestens zwei zeitlich
hintereinanderliegende Werte für die Kennfunktion aufweist, kann eine
Charakteristik der Kennfunktion ausgewertet, klassifiziert und zum Anlass einer Einleitung von Gegenmaßnahmen herangezogen werden. Ein bevorzugter Zeitpunkt zur Erzeugung des Zündfunkens ist ein solcher
Zustand im Brennraum, welcher einen möglichst vorhersagbaren bzw. bekannten Einfluss auf die Kenngröße des Funkens hat. Ein solcher ist beispielsweise dann gegeben, wenn eine möglichst geringe Turbulenz im Brennraum herrscht. Auf diese Weise kann ein aktueller Wert für die Kenngröße und/oder eine Werteschar für die Kennfunktion unmittelbare Rückschlüsse auf den Zustand der Elektroden zulassen. Im Falle eines gemäß dem Stand der Technik zur Entflammung zündfähigen Gemisches vorgesehenen Zündfunkens hingegen beeinflussen Turbulenz und Druckschwankungen in deutlich breiteren Grenzen die
vorgenannten Kenngrößen, so dass ein unmittelbarer Rückschluss auf den Zustand der Elektroden erschwert ist. Beispielsweise kann der Funke in einem Ausstoß-Arbeitstakt erzeugt werden, wobei bevorzugt die Einlassventile der Brennkraftmaschine geschlossen sind. Erstens bestehen in diesem Arbeitstakt besonders geeignete Bedingungen im Brennraum, andererseits kann eine Beschädigung der Brennkraftmaschine aufgrund der geschlossenen Einlassventile auch im Falle verbliebenen zündfähigen Gemisches im Brennraum wirksam verhindert werden. Die
Verwendung des Hochsetzstellers ermöglicht die Erzeugung eines im
Wesentlichen stationären Funkenstromes und/oder einer im Wesentlichen stationären elektrischen Leistung. Beide Größen können bei geeigneten
Zuständen im Brennraum durch die Ansteuerung des Hochsetzstellers erzeugt werden, im Ansprechen worauf der Elektrodenzustand bzw. -abstand als im Wesentlichen alleinige Ursache für einen aktuellen Wert der Kenngröße besonders gut festgestellt werden kann. Sofern eine Funkenbrennspannung als Kenngröße die Referenz überschreitet und/oder ein Funkenstrom als Kenngröße die Referenz unterschreitet, kann das Zündsystem veranlasst werden, einen höheren Funkenstrom und/oder ein höheres Spannungsangebot und/oder eine höhere Ausgangsleistung
bereitzustellen. Das Zündsystem kann also veranlasst werden, ein höheres Spannungsangebot bereitzustellen, da sich der Spannungsbedarf zur
Funkenbildung aufgrund des erhöhten Elektrodenabstandes vergrößert. Mit anderen Worten muss die Spannungserzeugungseinheit mit mehr elektrischer Energie versorgt werden, was beispielsweise durch einen sog.„Boosf'-Betrieb eines im Zündsystem vorgesehenen Hochsetzstellers (HSS) erfolgen kann, bei welchem aus einer vergleichsweise geringen Eingangsspannung eine höhere
Ausgangsspannung erzeugt wird („Hochsetzstellerbetrieb"). Zudem kann das Zündsystem veranlasst werden, eine höhere Ausgangsleistung (und somit einen höheren Funkenstrom) bereitzustellen, was beispielsweise über einen geänderten Betriebsmodus eines im Zündsystem vorgesehenen Hochsetzstellers zur Gemischentflammung realisiert werden kann. Insbesondere kann eine solche
Maßnahme hinsichtlich der Ausgangsgrößen eines verwendeten
Hochsetzstellers sowie über den Primärspannungserzeuger eingeleitet werden. Durch die Erhöhung der an der Funkenstrecke bereitgestellten elektrischen Leistung sowie durch das über den Primärspannungserzeuger erhöhte
Spannungsangebot kann ein erhöhter Abstand / Erosionszustand der Elektroden in gewissen Bereichen kompensiert werden. Ein Austausch der Elektroden kann auf diese Weise hinausgezögert werden, ohne die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Zündsystems zu gefährden.
Die Kenngröße bzw. die Kennfunktion können bevorzugt in einem stationären (über der Zeit unveränderlichen) Zustand ermittelt werden. Dies kann sich insbesondere auf die elektrischen Vorgänge und/oder die chemischen Vorgänge im Brennraum bzw. an der Funkenstrecke beziehen. Stationäre Vorgänge ermöglichen eine genaue Ermittlung der Kenngröße bzw. der Kennfunktion, wodurch wiederum eine exakte Ermittlung erforderlicher Maßnahmen möglich ist.
In dem Falle, dass eine elektrische Spannung als Referenz verwendet wird, kann ermittelt werden, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob die Funkenspannung an der Funkenstrecke die vordefinierte Referenz überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann für den Fall, dass ein elektrischer Strom als vordefinierte Referenz verwendet wird, ermittelt werden, ob eine
Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem bestimmt wird, ob der Funkenstrom oder ein Ausgangsstrom eines zur Energieversorgung der Funkenstrecke verwendeten Hochsetzstellers die Referenz unterschreitet. Im Ansprechen auf die Überschreitungsbedingung bzw. die Unterschreitungsbedingung kann ein Spannungsangebot zur Funkenerzeugung erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausgangsleistung eines verwendeten
Primärspannungserzeugers oder eines Hochsetzstellers erhöht werden. Hierfür können insbesondere ein Funkenstrom und/oder ein Ausgangsstrom des
Hochsetzstellers erhöht werden. Auf diese Weise kann der Betrieb des erfindungsgemäßen Zündsystems energetisch optimiert und dennoch
funktionssicher gestaltet werden.
Unter Verwendung der Referenz kann die ermittelte (z.B. gemessene)
Kenngröße oder Kennfunktion hinsichtlich einer Betriebsbereitschaft der
Elektroden klassifiziert werden. Im Ansprechen darauf kann ein Fehlersignal ausgegeben werden, welches beispielsweise zur Anzeige einer entsprechenden Nachricht in einem mit dem Zündsystem ausgerüsteten Fahrzeug oder zu einem Fehlerspeichereintrag führt, welcher in einer Werkstatt ausgelesen werden kann. Sofern ein Ersatz der Elektroden erforderlich ist, kann auf diese Weise rasch für Ersatz gesorgt werden. Das Spannungsangebot an den Elektroden der Funkenstrecke kann
beispielsweise schrittweise erhöht werden, bis ein vorbestimmter zweiter Schwellenwert erreicht ist. Im Anschluss daran kann überprüft werden, ob die Kenngröße und/oder Kennfunktion bezüglich der Referenz einen geeigneten Wert erreicht hat bzw. haben. Hierbei kann der zweite Schwellenwert
beispielsweise eine maximal zulässige Kenngröße oder Kennfunktion
kennzeichnen, ab welchem eine elektrisch sichere Betriebsweise des
Zündsystems und/oder eine energetisch sinnvolle Betriebsweise des
Zündsystems und/oder eine dauerhafte Betriebssicherheit des Zündsystems nicht mehr gewährleistet sind.
Bevorzugt kann ab dem Erreichen des vorbestimmten zweiten Schwellenwertes ein Fehlersignal ausgegeben werden, welches den notwendigen Austausch der Elektroden (z.B. einer Zündkerze) anzeigt. Das Fehlersignal kann beispielsweise in einem Fehlerspeicher abgelegt und/oder zur optischen und/oder akustischen
Ausgabe eines Signals an einen Anwender des Zündsystems verwendet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zündsystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Dieses umfasst eine Funkenstrecken, einen Primärspannungserzeuger zum Erzeugen eines
Funkens an der Funkenstrecke und eine Auswerteeinheit. Der
Primärspannungserzeuger kann beispielsweise als Zündspule bzw. als Zündtrafo ausgestaltet sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als programmierbarer Prozessor, programmierbarer Controller, ASIC oder als FPGA (Field
Programmable Gate Array) ausgestaltet sein. Durch die Auswerteeinheit, welche die Kenngröße und/oder die Kennfunktion der elektrischen Zustandsgrößen an der Funkenstrecke sowie vordefinierter Referenzen auswerten kann, ist das erfindungsgemäße Zündsystem eingerichtet, ein Verfahren auszuführen, wie es in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt im Detail beschrieben worden ist. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Auch das erfindungsgemäße Zündsystem kann einen Hochsetzsteller zur Aufrechterhaltung eines Funkens aufweisen, dessen Ausgang in einer elektrischen Masche mit der Funkenstrecke liegt. Der Hochsetzsteller ist auf diese Weise eingerichtet, eine vordefinierte elektrische Größe, insbesondere einen Ausgangsstrom und/oder eine Ausgangsspannung und/oder eine
Ausgangsleistung in die Funkenstrecke einzuspeisen, die besser als durch einen Zündtrafo steuerbar ist. Auf dieser Grundlage können die ermittelten Kenngrößen bzw. die ermittelte Kennfunktion in Verbindung mit der vordefinierten Referenz unmittelbar Rückschlüsse auf die Elektroden der Funkenstrecke zulassen. Sofern das Zündsystem bzw. seine Auswerteeinheit durch das Ergebnis des
Vergleichens der Kenngröße/Kennfunktion mit der vordefinierten Referenz die Notwendigkeit hierzu feststellt, kann es die Betriebsweise des Hochsetzstellers, also seine elektrische Ausgangsgröße oder das Spannungsangebot des
Primärspannungserzeugers entsprechend anpassen. Auch ein fortgeschrittener Abnutzungszustand der Elektroden gefährdet die Funktionstüchtigkeit des erfindungsgemäßen Zündsystems somit nicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein Schaltbild gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
Figur 2 eine Veranschaulichung von Kurbelwinkelbereichen, in welchen der erfindungsgemäße Zündfunke vorteilhaft erzeugt werden kann; und
Figur 3 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Schaltung eines Zündsystems 1 , welches einen
Aufwärtstransformator 2 als Hochspannungserzeuger umfasst, dessen
Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 wird über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 mit elektrischer Energie versorgt und weist eine aus dem Stand der Technik bekannte Diode 23 zur Einschaltfunkenunterdrückung auf, wobei diese Diode 23 alternativ durch die Diode 21 ersetzt werden kann. In einer Masche mit der Sekundärspule 9 und der Diode 23 ist eine Funkenstrecke 6 gegen Masse 14 vorgesehen, über welche der Zündstrom \2 das brennfähige Gasgemisch entflammen soll. An der Funkenstrecke 6 liegt bei erfolgter Zündung eine üblicherweise schwankende Funkenbrennspannung U brenn an.
Erfindungsgemäß ist ein Hochsetzsteller 7 zwischen der elektrischen
Energiequelle 5 und der Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 vorgesehen. Weiter ist eine Induktivität 15 über einen Schalter 22 und eine Diode 16 mit einer Kapazität 10 verbunden, deren eines Ende an die Sekundärspule 9 und deren anderes Ende an die elektrische Masse 14 angeschlossen ist. Die Induktivität dient hierbei als Energiespeicher, um einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Die Diode 16 ist in Richtung der Kapazität 10 leitfähig orientiert.
Zwischen der Kapazität 10 und der Sekundärspule 9 ist ein Shunt 19 als
Strommessmittel oder Spannungsmessmittel vorgesehen, dessen Messsignal dem Schalter 22 sowie dem Schalter 27 zugeführt wird. Auf diese Weise sind die Schalter 22, 27 eingerichtet, auf einen definierten Bereich der Stromstärke i2 durch die Sekundärspule 9 zu reagieren. Die der Diode 16 zugewandte Klemme des Schalters 22 ist über einen weiteren Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbindbar. Zur Absicherung der Kapazität 10 ist eine Zenerdiode 21 in
Sperrrichtung parallel zur Kapazität 10 geschaltet. Des Weiteren sind
Schaltsignale 28, 29 angedeutet, mittels welcher die Schalter 22, 27 angesteuert werden können. Während das Schaltsignal 28 ein Einschalten und
"Geschlossenbleiben" für einen gesamten Zündzyklus darstellt, skizziert das Schaltsignal 29 ein zeitgleiches Wechselsignal zwischen "geschlossen" und
"offen". Bei geschlossenem Schalter 22 wird die Induktivität 15 über die elektrische Energiequelle 5 mit einem Strom versorgt, welcher bei geschlossenen Schaltern 22, 27 unmittelbar in die elektrische Masse 14 fließt. Bei offenem Schalter 27 wird der Strom über die Diode 16 auf den Kondensator 10 geleitet. Die sich im Ansprechen auf den Strom in den Kondensator 10 einstellende
Spannung addiert sich zu der über der Sekundärspule 9 des
Aufwärtstransformators 2 abfallenden Spannung, wodurch der Lichtbogen an der Funkenstrecke 6 gestützt wird. Dabei entlädt sich jedoch der Kondensator 10, so dass durch Schließen des Schalters 27 Energie in das magnetische Feld der Induktivität 15 gebracht werden kann, um bei einem erneuten Öffnen des
Schalters 27 diese Energie wieder auf den Kondensator 10 zu laden. Erkennbar wird die Ansteuerung 31 des in der Primärseite 3 vorgesehenen Schalters 30 deutlich kürzer gehalten, als dies für die Schalter 22 und 27 der Fall ist. Da der Schalter 22 für die erfindungsgemäßen Vorgänge keine entscheidende Funktion übernimmt, sondern die Schaltung lediglich ein- bzw. ausschaltet, ist dieser lediglich optional und kann daher auch entfallen. Sofern erfindungsgemäß ein solcher Zeitpunkt für die Erzeugung des Funkens an der Funkenstrecke 6 gewählt wird, an welchem die Funkenbrennspannung Ubrenn im Wesentlichen vom Gasgemisch innerhalb der Brennkammer unabhängig ist, können elektrische Kenngrößen an der Funkenstrecke 6 beispielsweise über den Shunt 19 in der Auswerteeinheit 36 des Zündsystems für Rückschlüsse auf den Elektrodenabstand ausgewertet werden. Durch die ausgangsseitige Kapazität 10 stellt der Hochsetzsteller 7 an PO eine im Ansprechen auf die vorgenannte Auswertung angepasste elektrische Leistung bereit, um die Dauer des
Zündfunkens sowie den Funkenstrom i2 in für eine zuverlässige
Gemischentflammung geeignete Wertebereiche zu bringen.
Figur 2 zeigt geeignete Bereiche zur Erzeugung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Funkens über dem Kurbelwinkel. Während die zur
Gemischentflammung bei 0°-Kurbelwinkel und 720°-Kurbelwinkel dargestellten Funken der Gemischentflammung dienen, sind die gekennzeichneten
Kurbelwinkelbereiche 13 zwischen 180° und 360° sowie zwischen 900° und
1080° geeignet, einen Funken an der Funkenstrecke ohne Entflammung eines zündfähigen Gemisches im Brennraum zu erzeugen. Insbesondere sind in diesen Kurbelwinkelbereichen vergleichsweise geringe Drücke und Turbulenzen vorherrschend, so dass eine vergleichsweise geringe Energie zur Erzeugung des Funkens erforderlich ist.
Figur 3 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird ein Funke an der Funkenstrecke in einem
Betriebszustand ohne Entflammung eines zündfähigen Gemisches im
Brennraum erzeugt. Vorzugsweise wird der Funke daher in einem Ausstoß-
Arbeitstakt erzeugt. In Schritt 200 wird eine den Funkenstrom repräsentierende Kennfunktion über der Zeit ermittelt und in Schritt 300 mit einer vordefinierten Referenz verglichen. Dabei wird die Notwendigkeit ermittelt, aufgrund eines erosionsbedingt erhöhten Elektrodenabstandes in Schritt 400 den Funkenstrom durch eine Erhöhung der Ausgangsleistung eines zur Aufrechterhaltung des
Zündfunken verwendeten Hochsetzstellers zu erhöhen. Um den fortgeschrittenen Erosionszustand der Elektroden trotz erfindungsgemäß aufrechterhaltener Betriebsbereitschaft des Zündsystems zu dokumentieren, wird in Schritt 500 ein Fehlerspeichereintrag vorgenommen, welcher nahelegt, die Zündkerzen im Zuge eines nächsten Werkstattaufenthalts zu erneuern. Erfindungsgemäß kann die Weitergabe der Verschleißinformationen
beispielsweise an die On-Board-Diagnose (OBD) dazu verwendet werden, die Zündkerzenwechsel bedarfsabhängig vorzunehmen und ansonsten die elektrischen Kenngrößen des Zündsystems dem aktuellen Verschleißzustand anzupassen. Überdies ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verringerung gemäß dem Stand der Technik stets erforderlicher Bereitstellung elektrischer
Mehrenergie zur Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Zündvorgangs. Die erfindungsgemäße Analyse ermöglicht einen Abbau dieser Sicherheitsreserven und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Zündsystems. Zudem wird durch eine bedarfsgerechte Bereitstellung elektrischer Energie die
Funkenerosion an den Elektroden verringert. Auch die thermische und elektrische Beanspruchung der Bauelemente des Zündsystems kann verringert werden.
In realen Anwendungen kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise alle 1000 km Fahrtstrecke mit dem erfindungsgemäßen Zündsystem
ausgestatteter Fahrzeuge durchgeführt werden. Für stationär verwendete Brennkraftmaschinen kann beispielsweise eine Durchführung alle 5 bis 10 Betriebsstunden vorgesehen werden. Entscheidend ist sicherzustellen, dass die Bedingungen im Brennraum jeweils konstant sind. Mit anderen Worten müssen Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit zumindest in engen Grenzen bekannt bzw. vorhersagbar sein. Ein geeigneter Betriebszustand ist
beispielsweise ein Leerlauf bei vordefinierter Öl-/Kühlwassertemperatur.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften
Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems zum Erzeugen eines Funkens an einer Funkenstrecke (6) in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch die Schritte Erzeugen (100) des Funkens an der Funkenstrecke (6) in einem Betriebszustand ohne Entflammung eines zündfähigen Gemisches im Brennraum,
Ermitteln (200) einer den Funkenstrom (i2) und/oder die Funkenspannung ( U brenn ) und/oder die Funkendauer
repräsentierenden Kenngröße oder Kennfunktion
Vergleichen (300) der Kenngröße oder Kennfunktion mit einer Referenz
Anpassen einer Energie zum Spannungsaufbau zur Funkenbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Zündfunkens zur Gemischentflammung, insbesondere für einen zukünftigen Zündvorgang, in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Kenngröße oder der Kennfunktion und der Referenz.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Wert der Referenz ein erster Schwellenwert ist, der basierend auf dem Elektrodenabstand bei der Erstinbetriebnahme des Zündsystems und unter Berücksichtigung einer maximal zulässigen Abnutzung festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Funke mit einem
Primärspannungserzeuger (2) erzeugt und insbesondere mit einem Hochsetzsteller (7), bevorzugt ausschließlich mit dem Hochsetzsteller (7), aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Vergleichen (300) der Kennfunktion mit der Referenz eine Auswertung einer Charakteristik der Kennfunktion über der Zeit umfasst. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Funke zu einem Zeitpunkt ohne Präsenz von zündfähigem Gemisch, und insbesondere zu einem Zeitpunkt mit geringer Turbulenz im Brennraum, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Funke in einem Ausstoß-Arbeitstakt, insbesondere bei geschlossenen Einlassventilen der Brennkraftmaschine, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Funke mittels einer konstanten elektrischen Leistung eines
Hochsetzstellers (7) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kenngröße in einem im Wesentlichen stationären Zustand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche bis 8 weiter umfassend
für den Fall, dass eine elektrische Spannung als Referenz verwendet wird, Ermitteln, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob die Funkenspannung ( U brenn ) die Referenz überschreitet, oder für den Fall, dass ein elektrischer Strom als Referenz verwendet wird, Ermitteln, ob eine
Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob der Funkenstrom (l2) oder ein Ausgangsstrom (l Hss) eines
Hochsetzstellers (7) die Referenz unterschreitet,
Erhöhen (400) eines Spannungsangebotes zur Funkenerzeugung und/oder Erhöhen (400) einer Ausgangsleistung des
Primärspannungserzeugers oder des Hochsetzstellers (7), insbesondere durch Erhöhen des Funkenstroms (l2) und/oder eines Ausgangsstromes (l Hss) des Hochsetzstellers (7), wenn die
Überschreitungsbedingung oder die Unterschreitungsbedingung erfüllt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsangebot durch den
Primärspannungserzeuger oder durch den Hochsetzsteller erhöht wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Spannungsangebot an den Elektroden schrittweise erhöht wird, bis ein vorbestimmter zweiter Schwellenwert erreicht ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Überschreiten des vorbestimmten zweiten Schwellwertes ein Fehlersignal ausgegeben wird, das den notwendigen Austausch der Elektroden anzeigt.
13. Zündsystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine umfassend
eine Funkenstrecke (6),
einen Primärspannungserzeuger (2) zum Erzeugen eines Funkens an der Funkenstrecke (6), und
eine Auswerteeinheit (36),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswerteeinheit (36) eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
14. Zündsystem nach Anspruch 13, weiter umfassend
einen Hochsetzsteller (7), dessen Ausgang (P0) in einer elektrischen Masche mit der Funkenstrecke (6) liegt, wobei der Hochsetzsteller (7) eingerichtet ist, eine vordefinierte elektrische Größe, insbesondere einen Ausgangsstrom (l Hss) und/oder eine Ausgangsspannung (U HSS) und/oder eine Ausgangsleistung, zur Aufrechterhaltung eines Funkens in die Funkenstrecke (6) einzuspeisen.
15. Zündsystem nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Auswerteeinheit (36) eingerichtet ist, eine Betriebsweise des Hochsetzstellers (7) oder eines Primärspannungserzeugers (2) im Ansprechen auf das Ergebnis des Vergleichens (300) anzupassen.
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