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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sowie ein Zündsystem für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Ein derartiges Verfahren sowie ein derartiges Zündsystem sind dabei beispielsweise bereits aus der
DE 101 21 993 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Zündsystem ist dabei als sogenanntes Hybridzündsystem ausgebildet und umfasst einen Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an der Primärseite eine 14V oder 42V Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs anliegt. Nach einem Steuersignal eines Motorsteuergeräts wird ein Zündsteuergerät aktiviert und baut einen Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators auf. Nach dem Erreichen eines Primärstrommaximalwertes wird die Primärseite für eine vorbestimmte Zeitspanne abgeschaltet, wodurch sich in der Sekundärseite des Zündtransformators eine Hochspannung aufbaut. Die Hochspannung entlädt sich über einen Zündfunken an der mit der Sekundärseite gekoppelten Zündkerze, wodurch ein in einem zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors befindliches Kraftstoffgemisch entzündet wird. Nach dem Funkendurchbruch wird dieser Vorgang in Abhängigkeit des Steuersignals des Motorsteuergeräts gegebenenfalls mehrfach zeitgesteuert mit ausgewählten Zeitintervallen wiederholt, um eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffgemischs zu erzielen.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2007 000 052 A1 eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einer Zündkerze.
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Der
US 2004/0040535 A1 ist ein Zündungssteuergerät als bekannt zu entnehmen.
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Darüber hinaus offenbart die
US 2003/0164164 A1 ein Verfahren zum Betreiben mehrerer Zündspulen in einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern.
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Des Weiteren offenbart die
US 6 283 104 B1 ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor.
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Ferner offenbart die
JP S57-28 871 A eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sowie ein Zündsystem zu schaffen, welche ein zuverlässigeres Entzünden eines Kraftstoffgemischs und damit ein sichereres Entzündungsverhalten des Verbrennungsmotors über einen größeren Applikationsbereich ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens - soweit anwendbar - als vorteilhafte Ausgestaltungen des Zündsystems und umgekehrt anzusehen sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an der Primärseite eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs anliegt, mit einem Zündsteuergerät, mittels welchem ein Primärstrom durch die Primärseite des Zündtransformators steuerbar ist, mit einer Stromerfassungseinrichtung, welche mit dem Zündsteuergerät gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom und ein Sekundärstrom durch die Sekundärseite erfassbar und an das Zündsteuergerät übermittelbar sind und mit einer Zündkerze, welche zum Erzeugen von Zündfunken mit der Sekundärseite des Zündtransformators gekoppelt ist, umfasst dabei die Schritte a) Aufbauen des Primärstroms an der Primärseite des Zündtransformators mittels des Zündsteuergeräts, bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert erreicht wird, b) Abschalten des Primärstroms zum Erzeugen eines Sekundärstroms an der Sekundärseite des Zündtransformators, c) Warten für eine Zeitdauer, bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert an der Sekundärseite unterschritten wird, d) Aufbauen des Primärstroms an der Primärseite des Zündtransformators mittels des Zündsteuergeräts, bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert erreicht wird und e) Abschalten des Primärstroms mittels des Zündsteuergeräts zum Erzeugen des Sekundärstroms an der Sekundärseite des Zündtransformators. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit anderen Worten im Gegensatz zum Stand der Technik eine gezielte Einstellung eines Energieinhaltes der in den Schritten b) und e) erzeugten Zündfunken des multifunkenfähigen Zündsystems, wodurch ein zuverlässigeres Entzünden eines fremdzündbaren Kraftstoffgemischs und damit ein aussetzerfreier Betrieb des Verbrennungsmotors über einen größeren Applikationsbereich gewährleistet wird. Die Zuverlässigkeit der Entzündung wird auch dadurch gesteigert, dass im Falle eines ungewollten Erlöschens des ersten Zündfunkens - beispielsweise aufgrund von Zündkerzenbenetzung, zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder dergleichen - ein weiterer Zündfunke mit einstellbarem Energieinhaltes erzeugt und somit die Entzündungswahrscheinlichkeit des Kraftstoffgemischs signifikant erhöht wird. Durch die Verbesserung des Entzündungsverhaltens wird gleichzeitig ein entsprechender Verbrauchsvorteil sowie eine Verbesserung des Emissionsverhaltens, insbesondere der HC- und der NOX-Rohemissionen, des Verbrennungsmotors erzielt.
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Ferner ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Primärstrommaximalwert unterschiedlich voneinander eingestellt werden. Dabei wird der zweite Primärstrommaximalwert gegenüber dem ersten Primärstrommaximalwert niedriger eingestellt wird. Wenn sich an der Zündkerze bereits ein Ionenkanal ausgebildet hat, ermöglicht diese Variante eine entsprechende Verkürzung der zum Aufbauen des Primärstroms gemäß Schritt d) erforderlichen Nachladezeit, innerhalb welcher keine Entzündung des Kraftstoffgemisches möglich ist. Jedoch wird auch für den Fall, dass sich der Ionenkanal beispielsweise aufgrund von Zündkerzenbenetzung oder zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten beim ersten Zünden nicht ausgebildet hat, eine Verbesserung der Zündzuverlässigkeit erzielt. Eine Verkürzung der Nachladezeit ermöglicht zudem eine Verlängerung der Brenndauer des Zündfunkens, da es zwischen zwei Zündfunken nur zu einer vergleichsweise geringen Abnahme der Ionen innerhalb des Ionenkanals kommt und entsprechend geringere Durchbruchspannungen erforderlich sind. Daher ist es möglich, einen quasi kontinuierlich brennenden Zündfunken zu erzeugen und dadurch eine besonders zuverlässige Entzündung und stabile Verbrennung des Kraftstoffgemischs zu gewährleisten. Eine Erniedrigung des zweiten Primärstrommaximalwerts verringert zudem den Abbrand der Zündkerze und erhöht damit deren Lebensdauer.
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Außerdem werden zumindest die Schritte c) bis e) mehrfach durchgeführt werden. Dies ermöglicht neben der bereits genannten Anpassbarkeit des Energieinhaltes der Zündfunken eine zusätzliche Erhöhung ihrer Anzahl, wodurch ein besonders zuverlässiges Entzünden des Kraftstoffgemischs und somit ein aussetzerfreier Betrieb des Verbrennungsmotors über einen besonders weiten Betriebsbereich gewährleistet ist. Durch geeignetes Einstellen des ersten und/oder des zweiten Primärstrommaximalwertes bzw. des Sekundärstromminimalwertes kann zudem die zeitliche Abfolge der Zündfunken optimal eingestellt werden.
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Des Weiteren ist es vorgesehen, dass mittels des Zündsteuergeräts der erste und/oder der zweiten Primärstrommaximalwert und/oder der Sekundärstromminimalwert in Abhängigkeit einer vorgegebenen Brenndauer eines Zündfunkens und/oder einer vorgegebenen Schließzeit und/oder einer vorgegebenen Anzahl an Zündfunken eingestellt werden. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die gewünschte Brenndauer des Zündfunkens bzw. die gewünschte Anzahl an Zündfunken - beispielsweise von einem zugeordneten Motorsteuergerät - vorgegeben wird und der erste und/oder der zweiten Primärstrommaximalwert und/oder der Sekundärstromminimalwert mittels des Zündsteuergeräts entsprechend eingestellt werden. Dabei ist ersichtlich, dass die Schritte c) bis e) entsprechend oft wiederholt werden müssen, wenn sich aufgrund der genannten Vorgaben eine Anzahl von drei oder mehr Zündfunken ergibt.
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Im Fall eines mehrfachen Durchführens der Schritte c) bis e) hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass der zweite Primärstrommaximalwert kontinuierlich niedriger eingestellt wird. Mit anderen Worten wird der zweite Primärstrommaximalwert bei jedem weiteren Durchführen der Schritte c) bis e) um einen bestimmbaren Wert herabgesetzt und sinkt dadurch stetig ab. Dadurch können die zuvor genannten Vorteile in Kombination mit einer Erhöhung der Anzahl an Zündfunken erzielt und eine besonders zuverlässige Entzündung des Kraftstoffgemischs in einem breiten Applikationsbereich des Verbrennungsmotors sichergestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schritte c) bis e) so oft mit sinkenden zweiten Primärstrommaximalwerten durchgeführt werden, bis der Zündtransformator vollständig entladen ist. Die Erniedrigung des zweiten Primärstrommaximalwertes kann dabei beispielsweise stufenweise, mittels eines Kennfeldes oder über eine mathematische Funktion durchgeführt werden, wobei grundsätzlich lineare, exponentielle, polynomische oder sonstige geeignete Funktionen verwendet werden können.
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Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass der Sekundärstromminimalwert beim mehrfachen Durchführen der Schritte c) bis e) in Abhängigkeit des zweiten Primärstrommaximalwertes eingestellt, insbesondere abgesenkt, wird. Besonders bei einem kontinuierlich erniedrigten zweiten Primärstrommaximalwert wird dadurch verhindert, dass der Sekundärstromminimalwert größer als der zweite Primärstrommaximalwert werden kann. Weiterhin kann über die angepasste Einstellung des Sekundärstromminimalwertes gezielt Einfluss auf die Brenndauer des Zündfunkens sowie die zum erneuten Aufbauen des Primärstroms gemäß Schritt d) erforderliche Nachladezeit genommen werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Zündsystem für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an die Primärseite eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs anlegbar ist, mit einem Zündsteuergerät, mittels welchem ein Primärstrom durch die Primärseite des Zündtransformators steuerbar ist, mit einer Stromerfassungseinrichtung, welche mit dem Zündsteuergerät gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom und ein Sekundärstrom durch die Sekundärseite erfassbar und an das Zündsteuergerät übermittelbar sind und mit einer Zündkerze, welche zum Erzeugen von Zündfunken mit der Sekundärseite des Zündtransformators gekoppelt ist, wobei das Zündsteuergerät ausgelegt ist, den Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators aufzubauen, bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert erreicht wird, den Primärstrom abzuschalten, um einen Sekundärstrom an der Sekundärseite des Zündtransformators zu erzeugen, für eine Zeitdauer zu warten, bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert an der Sekundärseite unterschritten wird, den Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators aufzubauen, bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert erreicht wird und den Primärstrom zum Erzeugen des Sekundärstroms an der Sekundärseite des Zündtransformators abzuschalten. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein multifunkenfähiges Zündsystem vorgesehen, welches eine gezielte Steuerung des Energieinhaltes der zu erzeugenden Zündfunken und damit eine zuverlässigere Entzündung eines fremdzündbaren Kraftstoffgemischs innerhalb einer zugeordneten Brennkammer des Verbrennungsmotors ermöglicht. Weitere Vorteile des Zündsystems sind den vorhergehenden Vorteilsbeschreibungen zu entnehmen.
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Eine besonders zuverlässige Entzündung des Kraftstoffgemisches ist dadurch gegeben, dass das Zündsteuergerät mit einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors koppelbar ist und ausgelegt ist, den Primärstrom in Abhängigkeit eines Steuersignals des Motorsteuergeräts aufzubauen und/oder abzuschalten. Durch Kopplung des Zündsteuergeräts mit dem Motorsteuergerät ist es möglich, alle für den Betrieb des Verbrennungsmotors relevanten Parameter zu berücksichtigen und das Zündsystem in Abhängigkeit eines diese Parameter charakterisierenden Steuersignals entsprechend zu betreiben. Dabei kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das Zündsteuergerät als Teil des Motorsteuergeräts ausgebildet ist.
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Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass das Zündsteuergerät zum Ermitteln einer Brenndauer eines Zündfunkens mit einem Entflammungsdetektor des Verbrennungsmotors koppelbar ist. Dies erlaubt eine unmittelbare Rückmeldung über den Verlauf des Verbrennungsprozesses und ermöglicht eine sofortige Anpassung der verschiedenen Betriebsparameterwerte des Zündsystems an die momentane Situation.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat es sich schließlich als vorteilhaft gezeigt, dass das Zündsystem in einen insbesondere strahlgeführten Verbrennungsmotor eingebaut ist. Da besonders beim Schichtladebetrieb eines strahlgeführten Ottomotors mit Direkteinspritzung hohe Anforderungen an das Zündsystem gestellt sind, um eine zuverlässige Entzündung des häufig stark inhomogenen Kraftstoffgemischs sicherstellen zu können, wird durch den Einbau des erfindungsgemäßen Zündsystems in einen derartigen Verbrennungsmotor eine besonders hohe Robustheit des Verbrennungsprozesses sichergestellt, die Verbrennung optimiert und die HC- und NOX-Rohemissionen des Verbrennungsmotors gesenkt. Grundsätzlich kann das Zündsystem jedoch in alle Verbrennungsmotoren - beispielsweise Hubkolben- oder Wankelmotoren - eingebaut werden, in welchen fremdzündbare Kraftstoffe bzw. Kraftstoffgemische - beispielsweise Benzin, Erdgas, Ethanol, Wasserstoff oder Kombinationen davon -entzündet und verbrannt werden sollen.
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Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass das Zündsteuergerät ausgelegt ist, den ersten und/oder den zweiten Primärstrommaximalwert und/oder den Sekundärstromminimalwert in Abhängigkeit einer vorgegebenen Brenndauer eines Zündfunkens und/oder einer vorgegebenen Schließzeit und/oder einer vorgegebenen Anzahl an Zündfunken einzustellen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Einstellung der Anzahl bzw. des Energieinhaltes der zu erzeugenden Zündfunken.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Zündsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 ein schematisches Diagramm zeitlicher Stromverläufe beim Betreiben des in 1 gezeigten Zündsystems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zündsystems, welches in einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor (nicht abgebildet) eines Kraftfahrzeugs eingebaut ist. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als strahlgeführter Direkteinspritzungs-Ottomotor ausgebildet sein, wobei grundsätzlich alle fremdgezündeten Motortypen mittels des Zündsystems betreibbar sind. Das Zündsystem umfasst dabei einen an sich bekannten Zündtransformator 10 mit einer Primärseite 12 und einer Sekundärseite 14, wobei an die Primärseite 12 eine Bordnetzspannung V eines Kraftfahrzeugs (nicht abgebildet) angelegt ist. Die Primärseite 12 kann dazu beispielsweise über das Zündungsplus (Klemme 15) mit einer Fahrzeugbatterie gekoppelt sein. Das Zündsystem umfasst weiterhin ein Zündsteuergerät 16, mittels welchem über ein zugeordnetes elektrisches Steuerelement 18 ein Primärstrom iprim durch die Primärseite 12 des Zündtransformators 10 steuerbar ist. Das Zündsteuergerät 16 ist mit einer Stromerfassungseinrichtung 20 gekoppelt, mittels welcher der Primärstrom iprim durch die Primärseite 12 und ein Sekundärstrom isek durch die Sekundärseite 14 abgegriffen und an das Zündsteuergerät 16 übermittelt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Zündsteuergerät 16 und die Stromerfassungseinrichtung 20 einteilig ausgebildet sind. Die Sekundärseite 14 schließlich ist ihrerseits über eine Einschaltfunkenunterdrückungsdiode 21 mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze 22 zum Erzeugen von Zündfunken 24 gekoppelt. Die elektrischen Widerstände R1, R2 der Stromerfassungseinrichtung 20 sowie die Zündkerze 22 sind mit einem Bezugspotential VBez, beispielsweise der Masse des Kraftfahrzeugs, verbunden. Das Zündsteuergerät 16 ist zum Empfangen von Steuersignalen S (s. 2) mit einem Motorsteuergerät 26 des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das gezeigte Zündsystem kann sehr kompakt ausgebildet und beispielsweise in eine Zündspule integriert werden.
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Das Verfahren zum Betreiben des in 1 gezeigte Zündsystems wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. 2 zeigt dazu ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Primärstroms iprim und des Sekundärstroms isek beim Betreiben des Zündsystems. Unter Berücksichtigung des vom Motorsteuergerät 26 gesendeten Steuersignals S, welches ein Zeitfenster t0-tend vorgibt, innerhalb welchem der Zündfunke 24 brennen und eine Entzündung des Kraftstoffgemischs auslösen soll, schaltet das Zündsteuergerät 16 zum Zeitpunkt t0 das Steuerelement 18 ein, wodurch an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 der Primärstrom iprim aufgebaut wird. Mittels der Stromerfassungseinrichtung 20 wird der Primärstrom iprim erfasst und an das Zündsteuergerät 16 übermittelt. Die zum Aufladen benötigte Schließzeit tsz entspricht definitionsgemäß einer Division des sog. Schließwinkels durch die momentane Drehzahl des Verbrennungsmotors.
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Sobald ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert imaxp1 erreicht wird, wird durch Ausschalten des Steuerelements 18 mittels des Zündsteuergeräts 16 der Primärstrom iprim abgeschaltet, wodurch sich durch Selbstinduktion auf der Sekundärseite 14 eine Hochspannung an in 1 gezeigten Elektroden 23a, b der Zündkerze 22 aufbaut und einen Zündfunken 24a erzeugt. Während der Zündfunke 24a innerhalb der Zeitdauer te brennt, nimmt der Sekundärstrom isek ausgehend von dem mit dem ersten Primärstrommaximalwert imaxp1 korrespondierenden Sekundärstrommaximalwert imaxs1 stetig ab. Die Erfassung des Sekundärstroms isek erfolgt auch hier mittels der Stromerfassungseinrichtung 20 im Zündsteuergerät 16. Sobald der Sekundärstrom isek einen einstellbaren Sekundärstromminimalwert imin unterschreitet, wird erneut der Primärstrom iprim durch Anschalten des Steuerelements 18 an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 aufgebaut, bis ein zweiter Primärstrommaximalwert imaxp2 erreicht wird. Durch Abschalten des Primärstroms iprim mittels des Zündsteuergeräts 16 wird ein weiterer Zündfunke 24b erzeugt, wodurch der Sekundärstrom isek an der Sekundärseite 14 des Zündtransformators 10 fließt. Dabei ist es in Abhängigkeit der jeweiligen Reaktionsbedingungen während des Verbrennens des Kraftstoffgemischs auch möglich, dass der erste Zündfunke 24a beim Erzeugen des zweiten Zündfunkens 24b noch brennt bzw. noch nicht abgerissen ist, so dass ein kontinuierlich brennender Zündfunke 24 erhalten wird.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der zweite Primärstrommaximalwert imaxp2 dabei im Vergleich zum ersten Primärstrommaximalwert imaxp1 niedriger eingestellt, wodurch sich eine entsprechende Verkürzung der zum Aufbauen erforderlichen Nachladezeit tn ergibt. Zum Vergleich ist gestrichelt derjenige zeitliche Verlauf des Primärstroms iprim dargestellt, der sich ergeben würden, wenn der zweite Primärstrommaximalwert imaxp2 konstant auf einen dem ersten Primärstrommaximalwert imaxp1 entsprechenden Wert imaxp2* eingestellt würde. Ebenso ist gestrichelt derjenige zeitliche Verlauf des Sekundärstroms isek dargestellt, der sich ergeben würde, wenn der Sekundärstromminimalwert imin konstant auf den Sekundärstromminimalwert imin* eingestellt würde.
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Die zuvor beschriebenen Schritte werden zum Erzeugen der weiteren Zündfunken 24c, 24d und 24e entsprechend wiederholt, wobei der zweite Primärstrommaximalwert imaxp2 und der Sekundärstromminimalwert imin bei jedem Verfahrensdurchlauf gemäß der Geraden IIa bzw. IIb stufenweise erniedrigt eingestellt werden, bis der Zündtransformator 10 zum Zeitpunkt t1 vollständig entleert ist. Hieraus ergibt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel die maximale Anzahl von fünf Zündfunken 24a-e, wodurch eine zuverlässige Entzündung des Kraftstoffgemischs gewährleistet wird. In Abhängigkeit der eingestellten Parameterwerte kann aber auch eine abweichende Anzahl an Zündfunken 24 erzeugt werden. Umgekehrt kann es vorgesehen sein, dass beispielsweise durch das Motorsteuergerät 26 die gewünschte Anzahl an Zündfunken 24 vorgegeben und die Primärstrommaximalwerte imaxp1, imaxp2 bzw. der Sekundärstromminimalwert imin so eingestellt werden, dass die gewünschte Anzahl an Zündfunken 24 erzeugt wird. Alternativ kann auch eine gewünschte Brenndauer t2-t1 vorgegeben und die genannten Parameterwerte dementsprechend eingestellt werden. Durch das Verkürzen der Nachladezeiten tn während des erneuten Aufbauens des Primärstroms iprim kann bei geringerem Abbrand der Zündkerze 22 somit ein während der Brenndauer t2-t1 quasi kontinuierlich brennender Zündfunke 24 erzeugt werden.
