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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Nebenschlüssen an einer Elektrodenspitze einer Korona-Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bei welchem durch eine Resonanzfrequenz einer Teslaspule eine Korona-Entladung an der Zündelektrodenspitze erzeugt wird und während der Korona-Entladung ein Parameter des, die Korona-Zündvorrichtung umfassenden Korona-Zündsystems überwacht wird sowie ein Korona-Zündsystem.
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Stand der Technik
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In der Kraftfahrzeugindustrie, aber auch in anderen Bereichen mit Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen, gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen. Dazu werden auch neuartige Zündsysteme, sogenannte Korona-Zündsysteme, entwickelt, welche neben den herkömmlichen induktiven Zündspulen-Zündkerzen-Zündsystemen eingesetzt werden können. Bei diesen Korona-Zündsystemen wird das zur Verbrennung im Verbrennungsmotor anstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht über einen Zündfunken, sondern durch Erzeugung von sogenannten Streamerentladungen entflammt. An der Zündelektrodenspitze tritt bei Spannungssteigerung vor dem eigentlichen Gasdurchschlag eine Vorentflammung auf – die sogenannte Korona-Entladung. Dabei bilden sich Plasma-Streamer aus, die weit in den Brennraum des Verbrennungsmotors reichen. Man spricht dann auch von sogenannten Raumzündungsverfahren.
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Gemäß der
WO 2004/063560 A1 umfasst ein Korona-Zündsystem eine Teslaspule, die über eine Hochfrequenzwechselspannung in Resonanz versetzt wird. Dadurch wird an der Zündelektrodenspitze einer, mit der Teslaspule verbundenen Zündelektrode, welche in den Brennraum des Verbrennungsmotors ragt, eine hohe Spannung generiert, die im Brennraum des Verbrennungsmotors ein extrem hohes elektrisches Feld erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes bilden sich spezielle Gasentladungen, sogenannte Streamer aus. Durch diese Streamer lässt sich der Zündvorgang- und somit auch die Entflammungsphasedeutlich verkürzen, was einen thermodynamisch deutlich verbesserten und stabileren Verbrennungsprozess als beim Einsatz einer herkömmlichen Zündkerze nach sich zieht.
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Durch den direkten Einsatz der Zündelektrodenspitze der Zündvorrichtung im Brennraum des Verbrennungsmotors kommt es zu Verschmutzungen der Elektrodenspitze sowie der, die Elektrodenspitze umgebenden Hochspannungsdurchführung. Auf der Hochspannungsdurchführung lagern sich dabei elektrisch leitfähige Verunreinigungen, wie Ruß und flüssiger Kraftstoff, ab, welche bei der Korona-Zündung von der Zündelektrodenspitze zu einem, die Hochspannungsdurchführung umgebenden Metallgehäuse Nebenschlüsse erzeugen. Diese Nebenschlüsse oder auch Überschläge in Form von Gleitfunken führen zu einer fehlerhaften Zündung oder zu Zündaussetzern der Korona-Zündvorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Nebenschlüssen an einer Elektrodenspitze einer Korona-Zündvorrichtung anzugeben, mittels welchem einfach aber zuverlässig eine verschmutzte oder defekte Zündelektrodenspitze bzw. Hochspannungsdurchführung erkannt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Verstimmung eines, die Resonanzfrequenz erzeugenden Resonanzkreises erfolgt, wobei der Parameter des Korona-Zündsystems ermittelt wird, welcher anschließend mit einem Referenzparameter verglichen wird, wobei bei einer Abweichung des ermittelten Parameters von dem Referenzparameter auf einen Nebenschluss an der Zündelektrodenspitze geschlossen wird. Dies hat den Vorteil, dass bereits vor dem Auftreten von fehlerhaften Zündungen bzw. Zündaussetzern eine Beschädigung oder Verschmutzung der Elektrodenspitze und/oder der die Elektrodenspitze umgebenden Hochspannungsdurchführung erkannt wird. Dabei werden Schäden an der Korona-Zündvorrichtung durch Fehlzündungen vermieden. Es kann rechtzeitig festgestellt werden, ob die im Brennraum befindliche Korona-Zündvorrichtung ausgewechselt werden muss.
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Vorteilhafterweise wird bei Unterschreitung des Referenzparameters durch den ermittelten Parameter auf einen Nebenschluss der Zündelektrodenspitze geschlossen. Mit diesem einfachen Verfahren lässt sich eine Verschmutzung der Korona-Zündvorrichtung während der Korona-Entladung erkennen und auswerten, ohne dass zusätzliche Messvorrichtungen benötigt werden.
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In einer Ausgestaltung wird der Parameter während eines Messfensters ermittelt, welches kleiner ist als die Zünddauer der Korona-Entladung. Dabei werden nur sehr kurze Zeiträume benötigt, um einen Rückschluss auf eine Beschädigung oder Verschmutzung der Korona-Zündvorrichtung zu erhalten. Dies lässt sich einfach während des Betriebes der Korona-Zündvorrichtung durchführen.
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In einer Variante spannt das Messfenster einen Zeitraum auf, in welchem der Parameter des Korona-Zündsystems ermittelt wird. Ein solcher Zeitraum kann einfach durch einen, in einem Steuergerät für die Korona-Zündvorrichtung enthaltenen Timer eingestellt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass der Messvorgang während einer Korona-Entladung mehrfach wiederholt wird, um plausible Ergebnisse zu erhalten.
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Alternativ spannt das Messfenster einen vorgegebenen Bereich eines Kurbelwellenwinkels einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine auf, in welchem der Parameter des Korona-Zündsystems ermittelt wird. Auch in diesem Fall werden an sich in der Verbrennungskraftmaschine ausgewertete Winkelbereiche zur Bestimmung von Nebenschlüssen an der Zündelektrodenspitze der Korona-Zündvorrichtung genutzt. Zusätzliche Maßnahmen zum Aufspannen eines Messfensters können somit entfallen.
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In einer Weiterbildung wird der Referenzparameter in einem verstimmungsfreien Korona-Zündsystem ermittelt. Der Referenzparameter lässt sich einfach feststellen, wenn beispielsweise eine neue Korona-Zündvorrichtung in die Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, bei welcher davon ausgegangen werden kann, dass noch keine Ablagerungen auf der Zündelektrodenspitze bzw. auf der, die Zündelektrodenspitze umhüllenden Hochspannungsdurchführung vorhanden sind. Die in diesem Zustand der Korona-Zündvorrichtung ermittelten Parameter werden dann als Referenzparameter zur Bestimmung von Nebenschlüssen an der Elektrodenspitze der Korona-Zündvorrichtung genutzt.
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Vorteilhafterweise werden als Parameter ein Strom und/oder eine Spannung des Korona-Zündsystems gemessen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Strom und Spannung an einer Primärwicklung oder einer Sekundärwicklung eines Übertragers, welcher eine Spannung von einer Spannungsquelle an die Teslaspule der Korona-Zündvorrichtung führt. Durch die ohmsche Verstimmung des Resonanzkreises, bestehend aus Übertrager, Teslaspule und Kapazität, verändern sich bei einem auftretenden Nebenschluss diese Strom- und Spannungswerte im Vergleich zu einem unverstimmten Resonanzkreis. Dabei werden eine Amplitude, ein Betrag und/oder ein Effektivwert des Stromes und/oder der Spannung ausgewertet.
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In einer Variante wird eine Änderung des gemessenen Parameters während des Messfensters ausgewertet. Die Änderung des Parameters über der Zeit oder über dem Kurbelwellenwinkelbereich wird dann mit dem Referenzwert, welcher über demselben Zeitraum oder demselben Kurbelwellenwinkelbereich bestimmt wurde, verglichen. Damit wird zuverlässig erkannt, ob ein Fehler in Form eines Nebenschlusses an der Zündelektrodenspitze aufgetreten ist.
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Alternativ wird als Parameter des Korona-Zündsystems die Resonanzfrequenz ermittelt. Durch die ohmsche Verstimmung des Resonanzkreises verändert sich die Resonanzfrequenz bei einer sauberen Korona-Zündvorrichtung. Ist die Korona-Zündvorrichtung verschmutzt, stellt sich bei einer ohmschen Verstimmung des Resonanzkreises aber eine andere Resonanzfrequenz ein als bei einer verschmutzungsfreien Korona-Zündvorrichtung. Somit stellt auch die Resonanzfrequenz ein sicheres Indiz dafür dar, dass an der Korona-Zündvorrichtung Verunreinigungen vorhanden sind.
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In einer Ausführungsform werden die während des Messfensters gemessenen Strom- und/oder Spannungswerte in Rechtecksignale umgewandelt, wobei die Flanken des Rechtecksignales zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ausgewertet werden. Mit diesem einfachen Auswerteverfahren lässt sich die Resonanzfrequenz schnell und sicher ermitteln.
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In einer weiteren Variante werden als Parameter des Korona-Zündsystems die Koronaeinsetzspannung und/oder die Funkendurchbruchspannung ermittelt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Korona-Zündsystem, bestehend aus einem Steuergerät, welches über ein Hochfrequenzkabel mit einer Korona-Zündvorrichtung verbunden ist und das Steuergerät einen Reihenresonanzkreis umfasst, welcher eine Resonanzfrequenz für die Korona-Zündvorrichtung erzeugt. Um einen Nebenschluss an der Zündelektrodenspitze der Korona-Zündvorrichtung sicher erkennen zu können, erfasst eine Messvorrichtung einen Parameter des Korona-Zündsystems nach einer Verstimmung der Resonanzfrequenz und das Steuergerät vergleicht den erfassten Parameter mit einem Referenzparameter, wobei das Steuergerät bei Abweichung des erfassten Parameters von dem Referenzparameter auf einen Nebenschluss an der Zündelektrodenspitze schließt. Dadurch werden mit den, an sich vorhandenen Bauteilen des Korona-Zündsystems Rückschlüsse darauf gezogen, ob die Korona-Zündvorrichtung korrekt arbeitet. Im Vergleich zu einem unverstimmten Resonanzkreis werden Strom- und/oder Spannungs- und/oder Frequenzverlauf des verstimmten Resonanzkreises ausgewertet und festgestellt, ob die Korona-Zündvorrichtung verschmutzt oder defekt ist. Dadurch wird die Fehlersuche vereinfacht und Schäden durch Fehlzündungen des Verbrennungsmotors werden zuverlässig vermieden.
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In einer Ausgestaltung legt das Steuergerät bei Feststellung eines Nebenschlusses ein Fehlersignal in einem Fehlerspeicher ab. Dieses Fehlersignal in dem Fehlerspeicher erleichtert die Fehlersuche am Korona-Zündsystem bei einer Diagnose.
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Ferner aktiviert das Steuergerät bei Feststellung eines Nebenschlusses ein Anzeigeelement. Die Aktivierung eines solchen Anzeigeelementes zeigt dem Nutzer des Kraftfahrzeuges sofort an, dass die Korona-Zündvorrichtung ausgetauscht werden muss.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Prinzipaufbau eines Korona-Zündsystems
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2: Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems
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3: prinzipieller Spannungsverlauf über der Zeit am Mittelabgriff der Primärspule des Übertragers während der Koronazündung
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4: gemessener Spannungs- und Stromverlauf über der Zeit bei einer unbenutzten Korona-Zündvorrichtung
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5: gemessener Spannungs- und Stromverlauf über der Zeit bei einer verschmutzten und/oder defekten Korona-Zündvorrichtung
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6: ein prinzipielles Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist das Funktionsprinzip eines Korona-Zündsystems dargestellt. Wie aus 1a ersichtlich, besteht ein solches Korona-Zündsystem grundsätzlich aus einem Steuergerät 1, welches über ein Hochfrequenzkabel 2 mit der Zündvorrichtung 3 verbunden ist. Die Zündvorrichtung 3 umfasst dabei eine Zündelektrode 4, welche mittig in einem Metallgehäuse 13 gelagert ist. Die Zündelektrode 4 überragt das Metallgehäuse 13 mit einer Zündelektrodenspitze 6, wobei die Zündelektrodenspitze 6 teilweise von einer Hochspannungsdurchführung 5 umgeben ist und in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors ragt.
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In 1b sind der Aufbau der Ansteuerschaltung und deren Verbindung mit der Zündvorrichtung 3 konkreter dargestellt. Eine Gleichspannung 7 wird auf dem Mittelabgriff eines Übertragers 8 geführt, welcher an einer Primärspule 8a des Übertragers 8 angeordnet ist. An beiden Enden der Primärspule 8a ist eine Schaltstufe 9 angeordnet. Durch die abwechselnde und schnelle Schaltung eines Schalters der Schaltstufe 9, welcher als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) bzw. als MOSFET an den Enden der Primärspule 8a mit ca. 1 MHz geschaltet wird, wird in der Sekundärspule 8b des Übertragers 8 eine Wechselspannung von effektiv Ueff = 400 Volt erzeugt. Die Sekundärspule 8b des Übertragers 8 bildet mit einer Teslaspule 10 und konstruktiv bedingten Kapazitäten 11 einen Reihenresonanzkreis. Dieser Reihenresonanzkreis führt bei Resonanzfrequenzen von ca. 1 MHz zu einer Spannungsüberhöhung Uc,max am Mittelabgriff der Teslaspule 10 von bis zu +/– 30 kV. Die Resonanzfrequenz selbst ist dabei in Abhängigkeit von der Zündvorrichtung 3 geregelt. Die Spannungsüberhöhung Uc,max an der Teslaspule 10 wird der Zündelektrode 4 der Zündvorrichtung 3 zugeführt.
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Eine Koronaeinsetzspannung, welche die Spannung ist, ab der die Raumentladungseffekte (Streamerentladungen) und somit auch eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors auftreten, ist prinzipiell abhängig von einer Feldüberhöhung des elektrischen Feldes an der Elektrodenspitze 6. Umso kleiner der Radius der Elektrodenspitze 6 ist, umso niedriger ist die Koronaeinsetzspannung. Vorteilhaft für ein Korona-Zündsystem sind dabei möglichst niedrige Koronaeinsetzspannungen. Dadurch werden übermäßige Belastungen der Isolationswerkstoffe, aus welchen die Hochspannungsdurchführung 5 der Zündelektrode 4 gebildet ist, vermieden.
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Die Koronaeinsetzspannung US,2 ist in 1c dargestellt und ist niedriger als die Funkendurchbruchspannung C, welche einen zu vermeidenden Gasentladungsbogen BE nach sich zieht.
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Der Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems ist in 2 dargestellt. Dabei ist die an der Zündelektrode 4 anliegende Spannung Urms über dem Druck p im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors dargestellt. Diesem Druck p ist die Elektrodenspitze 6 der Zündvorrichtung 3 ausgesetzt, da die Zündvorrichtung 3, wie in 1b dargestellt, in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors hineinragt. In 2 ist mit der minimalen Spannung Urms,min die Koronaeinsetzspannung beschrieben, bei welcher sichtbare Plasma-Streamer 6a (1b) in den Verbrennungsmotor hineinreichen. Wird die Spannung weiter erhöht, so wird eine zweite, maximale Spannung Urms,max erreicht, welche der Funkendurchbruchspannung C in 1c entspricht und deren Auftreten einen Abbruch der Koronaentladung bewirkt. Der Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems befindet sich demzufolge im Bereich zwischen den Spannungen Urms,min und Urms,max. Dabei muss zuverlässig sichergestellt werden, dass die maximale Spannung Urms,max nicht erreicht wird.
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3 zeigt einen prinzipiellen Spannungsverlauf über der Zeit, wie er am Mittelabgriff der Primärspule 8a während einer Koronazündung abgenommen wird. Bei dem in 3 dargestellten Verlauf der Spannung U wird von einer unteren Drehzahl des Verbrennungsmotors von N ≤ 2000 U/min ausgegangen, bei einem mittleren Druck im Verbrennungsmotor von ≤ 4 bar. Der Spannungsverlauf weist dabei eine Einschwingphase auf, welche eine Koronastartspannung St erreicht und von Null bis zu dem Wert hochläuft, bei welchem die Koronaentladung einsetzt. Dieser Einschwingphase dauert ≤ 300 μs. Daran schließt sich ein annähernd konstanter Spannungsverlauf an, welcher die Zünddauer der Koronaentladung charakterisiert. Die Zünddauer der Koronaentladung beträgt dabei beispielsweise ≤ 1000 μs. Während der Koronaentladung ist die Koronaspannung annähernd konstant.
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Ein Signalverlauf von Spannung und Strom an dem Übertrager 8 für eine unbenutzte Korona-Zündvorrichtung 3, deren Resonanzfrequenz verstimmt wurde, ist in 4 dargestellt. Dabei ist das Einschwingverhalten im Bereich zwischen 0 und 0,0003 s dargestellt und genauso der Betrieb nahe der Resonanz, welcher in dem Zeitraum von annähernd 0,0003 s bis 0,0006 s auftritt. Wie aus 4 ersichtlich, stellt sich nach dem Einschwingverhalten während der Zünddauer der Koronazündung sowohl eine annähernd konstante Spannung U(t) als auch ein annähernd konstanter Stromverlauf i(t) bei einer verschmutzungsfreien Korona-Zündvorrichtung 3 ein. Während der Spannungsverlauf an dem Mittelabgriff der Primärspule 8a des Übertragers 8 bestimmt wird, wird der Stromverlauf oberhalb der Sekundärspule 8b des Übertragers 8 während der Koronazündung gemessen. Dabei werden der Strom als auch die Spannung innerhalb eines Messfensters 14 bestimmt, welches einen wesentlich kürzeren Zeitraum umfasst als die Zünddauer der Koronazündung anhält. Während der Zünddauer der Koronazündung können der Strom bzw. die Spannung auch mehrfach gemessen werden.
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Im Gegensatz dazu verändert sich bei einer verschmutzten bzw. defekten Korona-Zündvorrichtung 3 durch das Auftreten von Gleitfunken zwischen der Zündelektrodenspitze 6 und dem Metallgehäuse 13 das Signalverhalten von Spannung bzw. Strom über der Zeit an dem Übertrager 8. Wie aus 5 ersichtlich, wird nach der Einschwingphase während der Koronazündung im Messfenster 14 sowohl eine Änderung der Spannungsamplitude über der Zeit als auch eine Änderung der Stromamplitude über der Zeit festgestellt. Im Hinblick auf 4 sind die Amplituden der Spannung bzw. des Stromes im Vergleich zu den Strom- bzw. Spannungsamplituden der verschmutzungsfreien Korona-Zündvorrichtung 3 dabei kleiner, was auf die, durch die Verunreinigungen auftretenden Nebenschlüsse zurückzuführen ist.
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Mit Hilfe von 6 soll nun ein mögliches Ausführungsbeispiel für die Bestimmung des Auftretens eines Nebenschlusses an einer Korona-Zündvorrichtung 3 erläutert werden. Im Block 101 wird an der Primärspule 8a des Übertragers 8 des Korona-Zündsystems eine Spannung gemessen, welche während der Zünddauer der Korona-Entladung an einer verschmutzungsfreien Korona-Zündvorrichtung 3 auftritt. Dieser Spannungsverlauf U(t) wird in mehreren aufeinander folgenden Messfenstern 14 während der Koronazündung bestimmt und ein Mittelwert für die Amplitude des Stromes bzw. der Spannung ermittelt, welche in einem Speicher des Steuergerätes 1 des Korona-Zündsystems abgespeichert werden.
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Danach werden nach einer vorgegebenen Fahrleistung des Kraftfahrzeuges im Block 102 wiederum der Spannungsverlauf U(t) bzw. der Stromverlauf i(t) in mehreren Messfenstern 14 während einer Zünddauer der Korona-Entladung an der Primärspule 8a bzw. der Sekundärspule 8b des Übertragers 8 gemessen. Die ermittelten Amplitudenwerte werden an das Steuergerät 1 weitergegeben. Das Steuergerät 1 bildet im Block 103 ebenfalls einen Mittelwert aus den Amplituden der Spannung bzw. des Stromes. Die ermittelten Amplitudenmittelwerte von Strom und/oder Spannung werden mit den im Block 101 abgelegten Referenzwerten von Strom und/oder Spannung verglichen. Alternativ können aber auch der Betrag oder die Effektivwerte der Spannung und/oder des Stromes bestimmt und verwendet werden. Dabei werden die Werte selber oder auch deren Änderung über der Zeit oder einem Bereich eines Kurbelwellenwinkels ausgewertet.
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Wird bei dem Vergleich im Block 103 festgestellt, dass die gemessenen Werte den applizierbaren Referenzwert unterschreiten, wird im Block 104 auf einen Nebenschluss an der Korona-Zündvorrichtung erkannt. Dabei wird der erkannte Fehler in einem nicht weiter dargestellten Fehlerspeicher des Steuergerätes 1 abgelegt.
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Um den Nutzer des Fahrzeuges auf den vorhandenen Fehler aufmerksam zu machen, wird im Block 105 eine Lampe angesteuert, welche bei einem, im Fehlerspeicher abgespeichertem Fehler aufleuchtet.
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Alternativ kann auch die Verstimmung der Resonanzfrequenz ermittelt werden. Hierbei werden Strom- und/oder Spannungsverläufe mittels nicht weiter dargestellter Spannungsteiler und Operationsverstärker in Rechtecksignale umgewandelt und über eine Flankenmessung die Frequenz bestimmt. Diese Frequenz wird mit einer Sollfrequenz oder einem Soll-Frequenzband als Referenzparameter verglichen.
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Im Gegensatz zur konventionellen Zündung mit einer Zündkerze ergeben sich bei einem Korona-Zündsystem Vorteile, wie eine bessere Entflammung des verdünnten Kraftstoff-Luft-Gemisches, eine deutlich schnellere Entflammung bei reduzierter Klopfneigung sowie eine Entschärfung geometrischer Toleranzprobleme der Zündung, da die Plasma-Streamer 6a der Korona-Entladung tiefer in den Brennraum 12 reichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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