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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung bzw. Regelung
der Zündung
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen zur Zündung von Brennkraftmaschinen
sind bereits hinlänglich
bekannt. In dem Handbuch, Autoelektrik Autoelektronik am Ottomotor,
der Firma Bosch, VDI Verlag, 1. Ausgabe, ISBN 3-18-419 106-0, Seite
265, Absatz Schließwinkelsteuerung,
wird die Steuerung des Schließwinkels
und damit die Steuerung der Schließzeit zur Zündung einer Brennkraftmaschine beschrieben.
Wesentlich bei derartigen Zündsystemen
ist, dass sichergestellt wird, dass im Zündzeitpunkt ausreichend Energie
zur Entflammung des Kraftstoffgemisches innerhalb der Brennkammer
der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird. Hierfür muss der
durch die Primärspule
fließende
Primärstrom
im Zündzeitpunkt einen
bestimmten Wert erreichen. Um dies sicherzustellen, ist eine Schließwinkelsteuerung
bekannt, bei der in Abhängigkeit
von Motordrehzahl und Batteriespannung um die Dauer einer Ermittlungszeit
vor Beginn des Ladevorgangs, während
dem die Primärspule
vom Primärstrom
durchflossen wird, aus einem Kennfeld ein entsprechender Schließwinkel
ermittelt wird. Ein Problem besteht darin, dass bei hoch dynamischen
Vorgängen,
wie beispielsweise dem Startvorgang oder im Leerlauf bei niedrigen
Drehzahlen, aufgrund starker Drehzahlschwankungen sich die Betriebsparameter ändern und
damit ggf. eine zu kurze Schließzeit
ermittelt wird, die nicht ausreicht um im Zündzeitpunkt genügend Zündenergie
bereitstellen und das Luft-Kraftstoffgemisch entflammen zu können. Um
stets ausreichend Zündenergie
bereitstellen zu können,
erfolgt bei Betriebszuständen
geringer Drehzahl eine Beschleunigungskorrektur. Hierbei wird die
Schließzeit
um einen festen Offsetwert (Reserve bzw.
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Beschleunigungskorrektur)
vergrößert, so
dass unter allen Umständen
eine ausreichende Zündenergie
gewährleistet
werden kann (Handbuch, Autoelektrik Autoelektronik am Ottomotor,
der Firma Bosch, VDI Verlag, 2. Ausgabe, ISBN 3-18- 419117-6, Seite 156–158, Absatz
Strom- und Schließwinkelregelung).
Nachteilig bei einer derartigen Schließwinkelkorrektur ist, dass
für die
meisten Fälle
die Schließzeit
aufgrund der Beschleunigungskorrektur zu groß wird und damit der gewünschte Primärsollstrom
bereits zu einem zu frühen Zeitpunkt
erreicht wird. Mit Erreichen des gewünschten Primärsollstroms
wird dieser mittels einer Strombegrenzung begrenzt. Insgesamt führt dies
zu entsprechenden Verlustleistungen, die insbesondere in Form von Wärme das
System wesentlich belasten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Zündsystem
zu schaffen, bei welchem die vorstehend beschriebenen Nachteile
vermieden werden, bei dem insbesondere gewährleistet wird, dass im Zündzeitpunkt
ausreichend Energie zur Verfügung
steht um eine Entflammung des Luft-Kraftstoffgemisches zu gewährleisten
und Produktion von Verlustenergie zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in
den Unteransprüchen
bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.
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Zur
Steuerung bzw. Regelung der Zündung
ist ein elektronisches Steuergerät
zur Bestimmung einer Schließzeit
(im Folgenden wird unter Schließzeit
sowohl die Schließzeit
als auch der hierzu analoge bzw. korrelierende Schließwinkel
verstanden) vorhanden, aufgrund derer die Primärspule einer Zündspule
für eine
definierte Zeitdauer mit einem Primärstrom durchflossen wird (Ladevorgang).
Bei Abschaltung des Primärspulenstroms
mit Ablauf der Schließzeit
(Ende des Ladevorgangs) wird ein Sekundärspulenstrom in der Sekundärspule der
Zündspule
induziert, so dass ein Zündereignis
an der mit der Sekundärspule
verbundenen Zündkerze
erzeugt werden kann. Die Ermittlung der Schließzeit erfolgt dabei um die
Dauer einer Ermittlungs- bzw. Berechnungszeit vor dem Beginn des
Ladevorgangs (Beginn des Primärstromflusses).
Das Steuergerät
zur Ermittlung der Schließzeit
ist gemäß der Erfindung
derart ausgebildet, dass eine einmal bestimmte Schließzeit (bzw.
ein einmal bestimmter Schließwinkel)
in Abhängigkeit
von mindestens einem Betriebsparameter, bzw. in Abhängigkeit
einer aufgrund vorliegender Dynamik eintretender Betriebsparameteränderung,
noch innerhalb einer Ermittlungszeit vor Beginn des Primärspulen-Ladevorgangs
veränderbar
ist (betriebsparameterabhängige
adaptive Schließzeit-
bzw. Schließwinkelbestimmung).
Vorzugsweise erfolgt die Änderung
der Schließzeit dabei
in Abhängigkeit
von einem oder einer Kombination mehrerer der folgenden Betriebsparameter:
Drehzahl (insbesondere Motordrehzahl), Temperatur (insbesondere
Zündspulentemperatur),
Spannung (insbesondere Batteriespannung).
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Das
mittels der Zündkerze
eingeleitete Zündereignis
erfolgt bevorzugt durch die Erzeugung mehrer Zündfunken. Dabei ist bekannt,
insbesondere mittels dem ersten erzeugten Zündfunken, dem sogenannten Primärzündfunken,
das vorhandene Gemisch zu entflammen. Mittels weiterer, sich dem
Primärzündfunken
anschließender
Zündfunken,
den sogenannten Folgefunken, wird der Entflammungsprozess weiter
verbessert. Auch kann mittels der Folgezündfunken die Verunreinigung
der Zündkerze
weitestgehend vermieden werden, bzw. die Zündkerze von entsprechenden
Verunreinigungen (Ablagerungen) befreit werden (sogenanntes Freibrennen).
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Dementsprechend
muss der Primärzündfunke
einen Stromwert erreichen (Primärsollstrom)
der gewährleistet,
dass mittels dem Primärzündfunken
ausreichend Energie bereitgestellt wird, um das zu entflammende
Gemisch sicher zu entflammen. Um gleichzeitig aber lediglich soviel
Zündenergie
bereitzustellen wie erforderlich ist und nicht unnötig Verlustenergie
zu produzieren, wird in Abhängigkeit
von zumindest einem Betriebsparameter die erforderliche Schließzeit (zumindest
für den
Primärzündfunken)
ermittelt (z.B. anhand eine Algorithmus berechnet oder aus einem
Kennfeld ausgelesen), und falls erforderlich wird noch innerhalb
einer Ermittlungszeit kurz vor Einleitung des Ladevorgangs der Primärspule,
in Abhängigkeit
von einer ggf. erfolgten Veränderung
des mindestens einen, der Ermittlung der Schließzeit zugrundegelegten Betriebsparameters,
der ermittelte Schließzeitwert
verändert.
Hierfür
wird der mindestens eine Betriebsparameter auf eine entsprechende Änderung
(insbesondere im Hinblick auf seine Änderung innerhalb einer bestimmten
Zeitdauer) hin überwacht
und bei Überschreitung
einer vordefinierten Änderungsdifferenz
eine Korrektur der Schließzeit
initiiert.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst
das Zündereignis
neben dem Primärzündfunken
einen oder mehrere Folgezündfunken,
die sich mit ihren Ladevorgängen
und Brenndauern an den Ladevorgang nebst Brenndauer des Primärzündfunken
anschließen.
Dabei sind der Primärzündfunke und/oder
jeder Folgezündfunke
in ihrer Schließzeit
wie vorstehend beschrieben veränderbar.
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In
einer weiteren Ausführung
sind alternativ oder zusätzlich
zur Veränderung
der Schließzeit
für die Folgezündfunken
auch die Anzahl der Folgezündfunken
in Abhängigkeit
von mindestens einem Betriebsparameter veränderbar.
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Die
Ermittlung der endgültigen
Schließzeit
für den
Primärzündfunken
und/oder den bzw. jeden Folgezündfunken
kann entweder durch online-Berechnung per Algorithmus oder durch
eine Kombination von Kennfeld und Korrekturberechnung erfolgen.
Dabei ist für
eine online-Berechnung der Schließzeit ohne Kennfeld eine hohe
Rechenleistung und damit entsprechend aufwändige und teuere Elektronik
erforderlich. Aus diesem Grund findet bei der Ermittlung der Schließzeit bevorzugt
eine Kombination von Kennfeldauslesung und online-Berechnung statt,
wobei eine Basisschließzeit
in Abhängigkeit
von den vorliegenden Rahmenbedingungen wie Batteriespannung und
Motordrehzahl aus einem Kennfeld ermittelt und diese Basisschließzeit anschließend in
Abhängigkeit
von wiederum mindestens einem Betriebsparameter korrigiert bzw.
berechnet (angepasst) wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1a:
die Anordnung einer Zündvorrichtung
für den
Zylinder einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
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1b:
den Stromverlauf des Primärstroms
während
des Ladevorgangs der Primärspule,
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2:
den zeitlichen Zusammenhang zwischen Schließzeitermittlung, Start des
Ladevorgangs der Primärspule
und Zündzeitpunkt,
und
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3a, 3b:
jeweils ein mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugbares
Zündereignis
bestehend aus einem Primärzündfunken
und einer Mehrzahl von Folgezündfunken.
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1 zeigt die Anordnung einer Zündvorrichtung
für einen
Zylinder einer Brennkraftmaschine, bei der die Primärspule 2.1 einer
Zündspule 2 über ein
elektronisches Schaltelement 4 in Form eines Transistors
derart schaltbar ist, dass ein Primärstrom IPrim durch
die Primärspule 2.1 fließen kann.
Hierfür
wird das Schaltelement 4 durch ein Steuergerät 6 in
Form eines Motorsteuergerätes
oder eines separaten Zündsteuergerätes gezielt
angesteuert. Das Steuergerät 6 ermittelt
unter anderem die Schließzeit
TSchließ beziehungsweise
den Schließwinkel,
aufgrund derer (dessen) die Primärspule 2.1 der
Zündspule 2 für eine definierte
Zeitdauer mit einem Primärstrom
IPrim durchflossen wird (Ladevorgang). Bei
Abschaltung des Primärspulenstroms
IPrim mit Ablauf der Schließzeit TSchließ im
Zündzeitpunkt
tZünd wird
ein Sekundärspulenstrom
ISek in der Sekundärspule 2.2 der Zündspule 2 induziert
und ein Zündereignis
an der mit der Sekundärspule 2.2 verbundenen
Zündkerze Z
erzeugt. Die Ermittlung der Schließzeit TSchließ erfolgt,
um die Dauer einer Ermittlungszeit TErmittlung vorgezogen (ab
dem Ermittlungszeitpunkt tErmittlung), vor
dem Beginn des Ladevorgangs. Erfindungsgemäß ist das Steuergerät 6 derart
ausgebildet, dass die zur Erreichung eines Primärsollstroms IPrim_soll erforderliche
Schließzeit TSchließ während der
Dauer der Ermittlungszeit TErmittlung in
Abhängigkeit
von mindestens einem Betriebsparameter (wie Motordrehzahl (nMot), Temperatur der Zündspule oder des Motors (TZS) und/oder Batteriespannung (UBatt))
veränderbar
ist. Das Zündereignis
setzt sich vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Zündfunken, einem Primärzündfunken
sowie einem oder mehreren Folgezündfunken
zusammen (siehe auch 3a, 3b). Wesentlich
für einen
erfolgreichen Entflammungsprozess, bei dem das in der Brennkammer
des Zylinders befindliche Luft-Kraftstoffgemisch mittels dem Zündereignis
entflammt werden soll, ist in erster Linie, dass zumindest der Primärfunke ausreichend
Energie aufweist damit eine Entflammung angestoßen bzw. initiiert werden kann.
Die sich dem Primärzündfunken
anschließenden
Folgezündfunken
dienen dann insbesondere der Optimierung des Entflammungsprozesses
sowie der Reinigung (sogenanntes Freibrennen) der Zündkerze
Z.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Schließzeit
TSchließ (insbesondere die
Schließzeit
für den
Primärzündfunken)
in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl (oder einer mit der Motordrehzahl korrelierenden
Größe) und/oder
der Temperatur der Zündkerze
oder des Motors (oder einer mit der Zündkerzentemperatur korrelierenden
Größe) und/oder
der Batteriespannung (oder einer mit der Batteriespannung korrelierenden
Größe) ermittelt
(bzw. verändert).
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Hierfür wird in
einer besonders bevorzugten Ausführung
in Abhängigkeit
von Betriebsparametern wie Batteriespannung und Motordrehzahl aus
einem hinterlegten Kennfeld eine Basisschließzeit für die entsprechenden Randbedingungen
ermittelt (ausgelesen). Für
den Fall, dass aufgrund eines stark dynamischen Verhaltens vorgegebene
Randbedingungen (Betriebsparameter) ändern kann auch noch innerhalb
der Ermittlungszeit TErmittlung, die unmittelbar
dem Ladevorgang vorgelagert ist, eine Anpassung/Änderung/Korrektur der Schließzeit erfolgen.
Hierfür
wird anhand der geänderten
Betriebsparameter ein Korrekturwert neu berechnet und die ursprüngliche
Basisschließzeit
entsprechend korrigiert (dabei kann die Neuberechnung des Korrekturwertes
auch die Neuberechnung der Schließzeit als solcher bedeuten).
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann das Kennfeld zur Ermittlung
der Basisschließzeit
veränderbar
ausgestaltet sein, so dass die korrigierte Schließzeit in
das Kennfeld eingeschrieben wird und somit die Basisschließzeit für nachfolgende
Vorgänge
bildet.
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In
einer andren Ausführung
der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Schließzeit ausschließlich anhand der
Berechnung durch einen vorgegebenen Algorithmus. Bei dieser Ausführung ist
aufgrund der hohen Rechenleistung eine besonders leistungsstarke
Elektronik in Form von leistungsfähigen Mikroprozessoren erforderlich.
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Die
1 b veranschaulicht den Stromverlauf des
Primärstroms
I
Prim während
des Ladevorgangs der Primärspule
2.1.
Die Schließzeit
T
Schließ berechnet
sich hiernach nach folgender Formel:
- TS
- = TSchließ =
Schließzeit,
- τ
- = Zeitkonstante des
Primärkreises,
- IPrim_soll
- = erforderlicher Stromwert
um vorgegebene Zündenergie
(Sollzündenergie)
bereitstellen zu können,
- IPrim_max
- = maximal möglicher
Strom in Primärkreis
(Sättigungsphase),
- UBatt
- = Batteriespannung
(sogenannte Klemme 15 – Spannung),
- RPrim
- = ohmscher Widerstand
des Primärkreises
(inklusive Kabelstrang und Messwiderstand)),
- LPrim
- = Induktivität der Primärspule 2.1.
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Die
in 1b erläuterte
Schließzeit
TSchließ sowie
der entsprechende Stromverlauf des Primärstroms IPrim findet
sich für
den Primärzündfunken
sowie etwaige Folgezündfunken
in schematischer Darstellung in den 3a und 3b wieder.
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In 2 ist
der zeitliche Zusammenhang zwischen Schließzeitermittlung, Start des
Ladevorgangs der Primärspule 2.1 und
dem Zündzeitpunkt
tZünd schematisch
dargestellt. Um den Zusammenhang besser veranschaulichen zu können, sind
auf einem Kreis, der beispielsweise mit seinem 360° Winkelgrad
ein halbes Arbeitsspiel eines Viertaktmotors abbildet, die für die Erläuterung
der Erfindung wesentlichsten Zeitpunkte eingezeichnet. Ausgehend
von einem vorgegebenen Zündzeitpunkt
tZünd muss
zu einem vorgelagerten Zeitpunkt, dem sogenannten Schließzeitpunkt
tSchließ das
Schaltelement 4 durch das Steuergerät 6 derart angesteuert werden,
dass die Primärspule 2.1 von
einem Primärstrom
IPrim durchflossen werden kann. Der Schließzeitpunkt tSchließ ergibt
sich, indem ausgehend vom Zündzeitpunkt
tZünd die
ermittelte Schließzeit
TSchließ abgezogen
wird. Im gewünschten
Fall erreicht der Primärstrom
IPrim im Zündzeitpunkt tZünd seinen
vorgegebenen Sollwert IPrim_soll. Die Schließzeit TSchließ wird
zu einem dem Schließzeitpunkt
tSchließ vorgelagerten
Ermittlungszeitpunkt tErmittlung bzw. einem
in diesem Zeitpunkt beginnenden Ermittlungszeitraum TErmittlung ermittelt.
Gemäß der Erfindung
wird während
dieses Ermittlungszeitraums TErmittlung die
Brennkraftmaschine durch Überwachung
der eingangs genannten Betriebsparameter überwacht und für den Fall,
dass aufgrund einer erfassten Änderung
der/des überwachten
Betriebspameter(s) eine Änderung
der bis dato ermittelten Schließzeit
TSchließ erforderlich
ist, diese Änderung
wie beschrieben durchgeführt.
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In
den 3a und 3b ist
jeweils ein mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugbares
Zündereignis
bestehend aus einem Primärzündfunken
und einer Mehrzahl von Folgezündfunken
dargestellt. In der 3a (und 3b) sind
insgesamt vier Zündfunken
gezeigt. Dabei ist der erste Zündfunke
der sogenannte Primärzündfunke,
während
die diesem nachfolgenden Zündfunken
als Folgezündfunken
bezeichnet werden.
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Der
volllinierte Verlauf, bei dem genau im Zündzeitpunkt tZünd der
vorgegebene Primärsollstrom
IPrim_soll erreicht wird, zeigt den Stromverlauf
des Primärstroms
IPrim, wie er sich einstellt, wenn das Schaltelement 4 mit einem
gemäß der Erfindung
ausgebildeten Steuergerät 6 angesteuert
wird.
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Der
Stromverlauf gemäß der Strich-Punktlinie
legt hingegen eine zu lange Schließzeit TSchließ' zugrunde,
aufgrund der bereits im Schließzeitpunkt
TSchließ' der Ladevorgang
der Primärspule 2.1 gestartet
und somit bereits vor dem Zündzeitpunkt
tZünd der
erforderliche Primärsollstrom
IPrim_soll erreicht wird. Hierdurch wird
die Primärspule 2.1 unnötig lange
mit Strom beaufschlagt und unnötige
Verlustleistung produziert.
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Schließlich ist
mit einer Strich-Punkt-Punktlinie ein Stromverlauf des Primärstroms
IPrim während
des Ladevorgangs der Primärspule 2.1 dargestellt,
bei dem eine zu kurze Schließzeit
TSchließ'' ermittelt wurde, so dass beginnend
mit einem Ladevorgang der Primärspule 2.1 im
Schließzeitpunkt
tSchließ'' der gewünschte Primärsollstrom IPrim_soll im
Zündzeitpunkt
tZünd nicht
erreicht werden kann.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen Betriebsarten der
Brennkraftmaschine zu unterscheiden und zum Beispiel für einen
sogenannten Boostbetrieb, in welchem aufgrund einer hohen Leistungsanforderung
eine entsprechend hohe Leistung spontan bereitgestellt werden soll,
hierfür
eine separate Ermittlung der Schließzeit TSchließ bzw.
TSchließ_Boost vorzusehen.
Bei der Schließzeitermittlung
für den
Boostbetrieb wird im Vergleich zum Normalbetrieb eine verlängerte Schließzeit TSchließ bzw.
TSchließ_Boos aufgrund
eines erhöhten Primärsollstroms
IPrim_soll_Boost ermittelt.
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Gemäß einer
derartigen Weiterbildung können
für unterschiedliche
Betriebsarten der Brennkraftmaschine (z.B. Normalbetrieb, Boostbetrieb,
Mischbetrieb) unterschiedliche Schließzeiten (aufgrund der Vorgabe verschiedener Primärsollströme) ermittelt
werden. Vorzugsweise ist hierfür
jeweils ein (Basis- )Kennfeld
für den
Normal-, den Boost- und einen Mischbetrieb (teils Normalbetrieb,
teils Boostbetrieb) vorgesehen, in denen die typische Schließzeit in
Abhängigkeit
von Betriebsparametern (zumindest Zündspulentemperatur und/oder Motortemperatur
und/oder Batteriespannung) über
einen insbesondere selbstlernenden Algorithmus abgelegt wird. Eine
Grundbedatung des Kennfeldes mit versuchstechnisch ermittelten Werten
kann erfolgen, es kann aber auch im Rahmen einer Initialisierungsphase
eine erstmalige Berechnung der Daten, zumindest von sogenannten
Initialisierungswerten für
einen Grundbetrieb, online erfolgen. Falls die adaptiven Schließzeitkennfelder
in einem aktuellen Betriebspunkt noch nicht beschrieben worden sind,
können
die ermittelten Initialisierungswerte verwendet werden.
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In
einer weiteren Ausführung
ist zusätzlich
die Anzahl der Folgezündfunken
sowie deren Schließzeit in
Abhängigkeit
von den besagten Betriebsparametern möglich.
